基于稻草泡沫的好氧颗粒污泥（SF-AGS）在高盐度废水处理中的应用：性能、微生物群落及适应机制

《Journal of Environmental Management》：Straw foam-based aerobic granular sludge (SF-AGS) for high-salinity wastewater treatment: performance, microbial communities, and adaptive mechanisms

秸秆泡沫载体好氧颗粒污泥（SF-AGS）在高盐废水处理中表现优异，耐受4%盐度且COD、NH4+、TN去除效率分别达91%、80%、75%，微生物群落中嗜盐菌占比显著提升，证实其稳定性和应用潜力。

　　

周浩莉|金宇|熊伟|王少杰|苏海佳

国家绿色生物制造重点实验室，国家生物炼制研发中心，北京绿色化学品生物制造重点实验室，北京合成生物制造技术创新中心，中国北京市102209

摘要

含盐废水会对自然环境造成严重破坏，但其物理化学处理方法通常能耗高且成本昂贵。本研究采用了一种新型的基于稻草泡沫的好氧颗粒污泥（SF-AGS），在三种实验条件下保护微生物群落免受盐度胁迫：无盐环境（R1）、含NaCl的盐环境（R2）以及含NaCl和Na₂SO₄的盐环境（R3）。结果表明，即使在4.0%的盐度下，成熟的SF-AGS仍保持了优异的沉淀性能和高生物量浓度。SF-AGS在纯盐和混合盐反应器中对COD、NH₄⁺-N、TP和TN的去除效率分别达到了约91%、80%、30%和75%，显示出其对高盐度条件的良好耐受性，且整体性能未显著下降。盐度的逐渐增加显著改变了微生物群落组成，如Raineyella和Sphingopyxis等耐盐菌株变得更为丰富，而盐度驱动的硝化过程变化间接影响了高盐度条件下的磷去除效果。这些发现表明SF-AGS具有很强的盐度耐受性，具有处理高盐度废水的应用潜力。

引言

近几十年来，进入污水处理厂的含盐废水量显著增加，约占全球废水总量的5%（Pan等人，2020年）。含盐废水的盐度通常超过3.5%，并含有高浓度的无机离子，如Na⁺、Cl^?和SO₄^2?。如果未经有效处理直接排放到自然环境中，这类废水会导致严重的水污染、土壤盐碱化以及植物生长受阻。此外，当高盐度废水进入污水处理系统时，会对其现有污泥处理系统造成严重压力，抑制微生物活性并降低整体处理效率（D'Aquino等人，2023年）。因此，开发一种经济高效的处理含盐废水的方法具有重要意义。

目前含盐废水处理的方法包括电解、离子交换、焚烧和生物处理。物理化学方法往往能耗高、成本大且会产生二次污染。相比之下，生物处理方法经济高效、操作简单且环保，因此成为含盐废水管理的主要方向（Yue等人，2023年）。

最广泛应用且技术成熟的一种含盐废水生物处理方法是活性污泥法。然而，絮凝污泥通常耐盐性较低，对盐度冲击的抵抗力较弱。Chen等人（2018a）发现，当盐度从0 g/L NaCl增加到20 g/L NaCl时，活性污泥的微生物活性下降，COD去除效率从94.88%降至54.77%。好氧颗粒污泥（AGS）由在特定水动力剪切力作用下形成的微生物聚集体组成，其高密度有助于快速沉淀，从而降低了沉淀过程的总体成本（Mendes等人，2023年）。尽管如此，AGS在高盐度环境中仍容易分解，培养周期较长（Wang等人，2022年；Han等人，2022年）。Wu等人（2020年）报告称，在40 g/L NaCl的盐度冲击下，AGS的COD去除效率从90.9%降至64.9%，比耗氧速率下降了约47.2%，污泥受到严重盐度胁迫。因此，在培养过程中引入惰性载体以加速AGS的形成并保护内部微生物群落免受盐度胁迫非常重要（Carvalho等人，2025年）。例如，Han等人（2022年）使用颗粒活性炭将AGS的培养时间缩短至20天，而Chen等人（2018b）使用草坪土作为支撑材料培养AGS，其耐酚性比对照组提高了33%。我们之前的研究表明，使用稻草泡沫作为载体的SF-AGS对农药阿特拉津具有较高的抗性和生物降解效率（Jin等人，2023年）。

本研究通过采用SF-AGS，并通过逐步驯化策略（使用NaCl或Na₂SO₄），探讨了不同离子组成下的盐度胁迫对微生物群落稳定性和污染物去除性能的影响，同时研究了微生物演替模式及增强盐度耐受性的可能机制，阐明了系统盐度耐受性提高的原因。本研究为高盐度废水的生物处理提供了理论支持和技术指导。

实验部分

生物基础AGS的培养与操作

本研究中使用的初始种子污泥是从北京颐庄市政污水处理厂获得的实验室培养活性污泥，混合液悬浮固体（MLSS）浓度为4 g/L，5分钟污泥体积指数（SV₅）为40%。通过筛分去除沙子等杂质后，让污泥沉淀4小时。弃去上清液后，收集约300 mL活性污泥并均匀分配到三个500 mL的容器中

不同盐度下的沉淀性能

如图1所示，三个反应器在初始阶段（无盐环境）表现出相似的性能，MLSS约为3.6 mg/mL，SV₅接近40%。随着盐度的逐渐增加（至第VII阶段，盐度为4%），R2和R3的MLSS显著增加到约57.3 mg/mL，几乎是初始阶段的15倍，而R1的生长受到限制（11.4 mg/mL）。这表明盐度刺激显著促进了R2和R3中的微生物富集和性能提升

结论

本研究成功开发了一种基于稻草泡沫的好氧颗粒污泥（SF-AGS）系统，并证明了其在高盐度条件下的稳定性能。在纯盐和混合盐环境中，SF-AGS系统保持了高生物量浓度（MLSS高达57.3 mg/mL）、良好的沉淀性能（SV₅稳定在60%），即使在4.0%的盐度下也能稳定去除污染物。COD去除效率恢复并保持在约90%，NH₄⁺-N和TN的去除效果也保持稳定

作者贡献声明

周浩莉：撰写——初稿、方法论、数据整理。金宇：项目管理、方法论、概念构思。熊伟：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。王少杰：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。苏海佳：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了北京市自然科学基金（编号2252017）、国家自然科学基金（编号21838001）以及中央高校基本科研业务费（编号JD2537）的资助。