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第一作者：潘宽
通讯作者：李军
通讯单位：浙江工业大学环境学院
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122222
图文摘要
成果简介
近日，浙江工业大学环境学院李军团队在环境领域学术期刊Water Research上发表了题为“Two-way role of iron-carbon in biochemical reactions microelectrolysis and enhanced activity of aerobic granular sludge for efficient refractory wastewater treatment”的学术论文。这项工作为铁碳内置耦合活性污泥（ICAS）协同去除污染物和维持好氧颗粒污泥（AGS）稳定性提供了见解，从而确保高效处理难降解有机废水。
引言
工业废水含有大量芳香族化合物，其中许多化合物不仅有毒而且难以生物降解，这使处理工业废水成为一件棘手的事情。活性污泥法（AS）是污水处理厂主流的生物工艺，芳香族化合物对AS的作用使其废水处理效果降低并恶化污泥沉降性。为了应对这些问题，好氧颗粒污泥（AGS）可替代AS成为未来污水处理的另一种生物工艺。铁碳（IC）是基于零价铁的升级材料，形成的无数个微观原电池使电子传递更快。IC在废水中发挥铁碳微电解（ICME）可以产生一系列活性物质，充当生化处理的预处理端使用时，可将难降解有机物转化为可生物降解的中间体。然而，活性物质在进入生化池前几乎被截留或猝灭。因此，考虑将IC内置耦合AS（ICAS）进行工业废水处理。铁参与许多基因和酶的合成和表达，并且可以在酶的电子传递链和配基中作为电子受体，保证微生物代谢过程顺利进行。为此，本研究在四个反应器中分别投加50、30、10、0 g/L的IC来研究ICAS对于难降解有机废水的处理功效及机理。以喹啉为代表污染物，通过降解效率，降解产物和路径，功能细菌和基因丰度来分析IC和微生物在ICAS中对难降解有机物去除的作用。基于信号分子和养分代谢的宏基因数据推测出ICAS协同降解难降解有机物和维持AGS稳定性的机理。最后，通过批次实验探索IC消耗，反应器中铁的形态和命运，为IC在ICAS的长期运行提供新见解。
图文导读
IC对AGS的影响
R50、R30、R10、R0的颗粒化水平分别为44%、60%、57%、70%，平均粒径分别为217 μm、287 μm、289 μm、396 μm在第153天。对颗粒进行超声破碎，在超声前5 min，IC培养的颗粒的破碎速度比常规颗粒快，但之后颗粒破碎逐渐平缓，这说明IC使颗粒结构成为外松内紧。颗粒的密度随IC投加而提高，相同密度的颗粒中R30的颗粒沉降速度最快，而R0中颗粒的沉降速度在15-80 m/h均有分布，即使在相同密度条件下粒径大小也会影响沉降速度。随着ICP使添加IC的系统中形成橙色污泥(OS)，并随着IC投加量污泥颜色更深。OS的形成是由于Fe含量的提高，IC对污泥中矿物含量影响最显著的是Ca、Fe、P。
利用SEM扫描和EDS图像进一步研究了颗粒切片的微观结构和元素分布。常规的颗粒中Ca和Na元素集中在颗粒内层，而Fe和P元素相对均匀分布。ICAS系统中颗粒的Fe和P元素重叠，说明IC对于磷去除具有积极作用。随着IC的投加量，颗粒中Fe集中趋近于外层。将颗粒外层进行SEM局部扫描显示Fe形成了矿物沉淀，再结合EDS中C、O元素分布发现，矿物沉淀区域仅在表面发现微生物指征，而内部几乎不存在微生物。颗粒污泥中微生物主要为球菌，以类似于蜂巢的形式紧密排列在颗粒内部。也就是说，虽然过量的Fe可能会限制微生物生长，但投加更多的IC并不会保持颗粒中Fe元素的均匀分布。相对于颗粒整体，集中于颗粒外层的铁矿物沉淀仅影响周围微生物生长，铁矿物结壳可能发挥保活内层微生物作用，从而增强微生物活性。
图1. (a)污泥粒度分布; (b)颗粒强度; (c)颗粒的密度与沉降速度的分布关系; (d)稳定阶段污泥EPS含量; (e)稳定期污泥的SVI和MLVSS/MLSS; (f)颗粒和絮凝体的矿物含量; (g)稳定阶段污泥形态，成熟颗粒切片的SEM和EDS元素图谱。
ICAS对喹啉的去除
IC富集了喹啉降解菌，它们的丰度总和随IC投加量提高。微生物降解喹啉通常从n -杂原子附近的羟基化开始，或形成代谢物2-喹啉酮，该反应由iorA/B、qorB、wrbA催化，而IC上调了他们的相对丰度，基因在不同样本间的差异类似于喹啉降解菌。喹啉降解根据化合物的特征可分为两类路径，即苯环降解路径和吡啶环降解路径。本研究中微生物降解喹啉不涉及苯环降解路径，相反，这两种路径在IC体系中均出现。IC降解喹啉的产物反映了IC在难降解有机物降解过程中发挥的作用。•OH 和[H]等活性物质会攻击难降解有机物使其开环和断链，该过程比微生物降解更为复杂。
图2. (a)喹啉降解菌的相对丰度; (b)调控喹啉降解第一步的基因相对丰富; (c)微生物和IC降解喹啉的途径。
机理分析
微生物聚集是正、负信号分子共同调控的结果，抑制因子是絮体没有转换成颗粒的原因，IC增强信号分子的调控强化了AGS结构稳定。铁阳极氧化生成Fe2+/Fe3+和•OH，阴极生成[H]，这些活性物质在难降解有机物的化学降解中发挥开环和断链的作用，电子传递为化学反应提供电子供体。ICP疏松多孔的结构为有机物提供吸附位点，降低了污泥的负荷。因此，IC对难降解有机物的去除是吸附和降解的共同作用。需要注意的是，本研究中IC在ICAS工艺中发挥主导作用是对微生物活性的影响，这比单一的ICME处理难降解废水更有效。
图3. (a) KEGG的level3通路中营养代谢的相对丰度; (b)参与调控微生物聚集的信号分子基因的相对丰度; (c)IC内置耦合微生物协同降解难降解有机物和维持AGS稳定性示意图。
小结
本研究表明ICAS工艺提高了废水处理效率，IC投加量为30 g/L最合适。随着IC的投加量，铁成为污泥中含量最高的矿物元素，并且颗粒中的铁集中趋近于外层形成铁矿物结壳，发挥保活内层微生物作用，从而增强微生物活性。颗粒中微生物紧密排布不仅是EPS粘附，微生物之间信号分子的传递也很重要。微生物聚集是正、负调控因子共同作用的结果。即使IC介导的途径只占整体喹啉去除的一小部分，但当微电解和微生物耦合，喹啉的降解和矿化能力增强。
本项目得到了浙江省重点研发计划(No. 2023C03151)和国家自然科学基金(No. 51478433)的资助。
主要作者介绍
李军：浙江工业大学环境学院教授，博士生导师。曾先后担任浙江工业大学学科负责人（所长）、学院院长、党委书记等职。现为环境学院教师、浙江工业大学“两山转化”与绿色发展联合研究中心主任。发表学术论文160余篇，入选全球前2%顶尖科学家榜单。获浙江省科技进步二等奖、中国商业联合会科技进步特等奖、“五水共治”先进、“中国水业人物”。国家“重大水专项”咨询专家组成员，浙江省环境科学学会副理事长、绿色设施专委会主任，浙江省海绵城市专委会副主任，浙江省“剿灭劣V类水”首席技术顾问，浙江省农村生活污水治理服务团团长。
潘宽：博士研究生，现就读于浙江工业大学环境学院。主要研究方向为好氧颗粒污泥污水处理技术。目前以第一作者在Water Research、Journal of Cleaner Production等期刊上发表SCI论文4篇。
来源：浙江工业大学李军团队
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THE END
编辑 | 尹顺昌、石钰婷
校对 | 刘俊、季斌、陈立颀
校核 | 李军、潘宽、韩昫身
