华东理工大学于建国教授团队韩昫身副研究员BITE：高盐废水体系“空心”菌丝球接种物稳定填充实现“实心”好氧颗粒污泥的超快速构建

近日，华东理工大学于建国团队在国际学术期刊Bioresource Technology上发表了题为“Ultra-rapid development of ‘solid’ aerobic granular sludge by stable transition/filling of inoculated ‘hollow’ mycelial pellets in hypersaline wastewater”的学术论文。该论文针对高盐废水体系好氧颗粒污泥（AGS）颗粒化进程慢这一瓶颈问题，尝试通过接种耐盐真菌Cladosporium tenuissimum NCSL-XY8菌丝球，实现“空心”菌丝球向“实心”AGS的平稳转变，避免启动期菌丝球基颗粒大规模破碎问题，从而实现耐盐AGS的超快速稳定构建。据作者所知，在各种AGS加速培养策略中，该策略造粒时间最短（接种后即可满足颗粒指标）。宏观运行角度而言，接种菌丝球后，反应器内颗粒直接满足AGS标准；在83天的厌氧/好氧模式培养过程中，颗粒基本满足相对严格的AGS标准（SVI₃₀ < 50 mL/g，D₅₀ > 300 μm，D₁₀ > 200 μm，SVI₃₀/SVI₅> 0.9）；污染物去除率在13天内可达到相对稳定（TOC：~98%，TN：~38%）。颗粒冷冻切片表明，内部疏松（“空心”）的菌丝球在厌氧/好氧模式下7天内即可平稳转变为实心/致密的AGS；而在单一好氧模式下，形成了大量漂浮的皮状碎片和具有双层空心结构的不稳定颗粒。微生物多样性分析发现，接种真菌C. tenuissimum NCSL-XY8在22天内逐渐失去主导地位，而真菌尸体仍可作为结构骨架继续发挥作用。该研究为AGS的超快速稳定构建提出了全新解决方案，全过程（接种后-转变过程-长期培养）污泥均满足AGS指标且可按照AGS模式运行，是目前文献报道的最快造粒策略。

近年来，研究人员通过向活性污泥中投加菌丝球加速活性污泥造粒过程。研究发现，菌丝球加速造粒策略通常包括以下进程：（1）菌丝球快速吸附其他微生物并形成菌丝球基颗粒；（2）大颗粒破碎成小颗粒/皮状碎片；（3）以破碎的颗粒/碎片为核继续生长，形成成熟的细菌主导型颗粒污泥。尽管该策略可以加速颗粒污泥形成，但在第（2）步中，皮状碎片极易被排出反应器，上述问题在高盐环境下尤为突出，导致反应器内生物量浓度显著降低（F/M增加）、反应体系易崩溃，大大增加了造粒过程的不确定性，并且一定程度上延长了整个造粒期时长。因此，避免丝状菌主导颗粒破碎成皮状碎片漂浮物，进一步实现菌丝球向成熟AGS的稳定填充/转变，对于实现AGS的超快速稳定构建至关重要。

由于丝状真菌属于好氧微生物，好氧模式有利于相应接种真菌在反应器中的生长和持留，因而几乎先前所有菌丝球强化AGS技术相关研究都是采用单一好氧模式（快速进料、长时间曝气、快速沉降、排水和静置）运行反应器；该模式下，由于异养真菌和细菌的过度生长限制了内部营养物质及氧气的传质，因而容易形成大的空心颗粒，进而导致破碎。考虑到前置厌氧模式有利于慢速生长微生物（PAO、GAO和DPAO等）在颗粒内核生长，同时大多数菌丝球具有外部致密、内部相对疏松的结构特点，因此作者设想以“空心”菌丝球为载体，试图通过厌氧/好氧模式在菌丝球相对疏松的内核富集缺氧/厌氧微生物，实现菌丝球内核的“填充”及“空心”菌丝球向“实心”AGS的平稳转变，提高成熟致密AGS快速造粒过程的确定性及稳定性。

本研究在3%盐度废水体系（OLR：2.4 kg COD/m³·d），对不同运行模式（R1为好氧模式、R2为厌氧/好氧模式）下菌丝球向AGS的转变过程进行了系统研究。

7天后，R1中大多颗粒变大并产生了一些条状/皮状碎片；相比之下，R2中的颗粒尺寸较小，表面较光滑。随后（第12天），R1中的颗粒逐渐碎裂成皮状碎片漂浮物，而R2中的颗粒基本保持稳定。接下来（第23-42天），R1中大量颗粒破碎，产生大量毛绒状碎片/小颗粒；而R2中大部分颗粒仍然保持相对稳定和完整，并且产生了一些基于脱落厚外壳生长的小颗粒。R2中一些颗粒在部分黄色外壳脱落后，会展现出一个黑色/棕色的固体核心球，这可能是最初接种的菌丝球。

图2  接种耐盐菌丝球后的耐盐好氧颗粒污泥形貌. 

（A）普通相机照片；（B）体视显微镜照片.

在高盐废水体系，R1和R2的TOC去除率分别在第19天和第13天达到95%以上，在稳定期，R2（97.6% ± 0.6%）TOC去除效率略高于R1（97.2% ± 0.6%），表明厌氧/好氧模式有助于TOC的去除。第10天，两个反应器的TN去除率分别上升至42.3%和40.3%，并在缓慢下降后保持相对稳定（第10-58天，R1：38.2% ± 3.3%，R2：38.4% ± 4.7%）。由于R1颗粒破碎，有利于硝化细菌获得氧气，TN去除率在第82天上升至56.3%。在第60-82天，R2 TN去除率仍然保持在相对较低的水平（27.7% ± 1.7%），这可能是由于长厌氧时间产生的硫化物抑制了硝化反应。

图4  污染物去除效能.（A）TOC；（B）N.

微生物群落演替

在前7天的培养过程中，初始接种真菌C. tenuissimum NCSL-XY8在R1和R2中占绝对主导地位，表明在初始菌丝球向AGS平稳转变的前期，C. tenuissimum NCSL-XY8在造粒和污染物去除方面发挥了关键作用。第22天，R1和R2中只能检测到少量的C. tenuissimum（1.1%和0.4%），结合污泥形态和切片染色结果来看，其细胞壁仍能长期作为AGS的内部结构骨架发挥作用，加速AGS形成。在长期运行过程，新生的颗粒中不再存在菌丝球结构及接种真菌，说明接种真菌的主要功能在于加速造粒，而对后期颗粒污泥影响较小。

于建国：华东理工大学讲席教授，博士生导师，原副校长，现任国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心主任、资源过程工程教育部工程研究中心主任。主要研究方向包括（1）钾、锂等无机战略矿产资源开发利用；（2）高盐高COD工业废水处理及资源化等。相关研究成果获得国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖4项，在国内外权威期刊上发表高水平学术论文400余篇，公开或授权国家发明专利100余项。先后获得国务院政府特殊津贴专家、国家“九五”科技攻关先进个人、教育部跨世纪人才、首届中国产学研合作创新奖（个人）、全国优秀科技工作者、上海市科技精英、中国化工学会侯德榜化工科技成就奖、国家环境保护专业技术领军人才、中国钾盐钾肥工业功勋人物、中国化工学会会士等荣誉称号。受聘国家863计划资源环境技术领域专家组及资源综合利用技术主题专家组专家、国家督学、第七届国务院学位委员会化学工程与技术学科评议组成员等。兼任中国无机盐工业协会副会长、中国化工学会化肥专业委员会副主任、上海市化学化工学会副理事长等。

韩昫身：华东理工大学资源与环境工程学院特聘副研究员、硕士生导师，2014年获华东理工大学生物工程专业学士学位，2020年获华东理工大学生物化工专业博士学位，博士期间曾赴加拿大英属哥伦比亚大学联合培养一年。目前主要从事高盐废水生物处理技术应用基础研究和产业化，累计在国内外期刊发表论文34篇，其中以第一作者及通讯作者发表论文22篇（中科院一区论文13篇），公开或授权国家发明专利19项、实用新型4项。入选上海市青年科技英才扬帆计划、上海市超级博士后计划，主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助及面上资助、中国石油科技创新基金等科研课题，担任iMeta、Polymers、净水技术、天然气与石油、山东化工等期刊编委、青年编委、客座编辑。

刘昌莘：华东理工大学化学工程与技术专业硕士研究生，主要从事菌丝球强化耐盐好氧颗粒污泥构建技术研究，以第一作者在Bioresour. Technol.、环境工程学报发表论文2篇。