碳源类型对活性污泥絮凝特性及底物代谢的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Effect of Carbon Source Type on Characteristics of Activated Sludge Flocculation and Substrate Metabolism

不同碳源对活性污泥系统污泥膨胀及碳代谢的影响研究，采用淀粉、棕榈酸和醋酸钠作为碳源，通过三套SBR反应器系统，对比分析了不同碳源对污泥沉降性能、胞外聚合物（EPS）及胞内碳储存代谢的影响。结果表明，棕榈酸系统丝状菌丰度最低，而醋酸钠系统污泥膨胀最严重。淀粉和醋酸钠系统主要依赖糖原积累微生物（GAOs）和聚磷酸盐积累微生物（PAOs）进行碳转化，而棕榈酸系统富集的Rubrivivax和Rhodoferax促进了高效碳降解和聚羟基烷酸酯（PHA）积累，基因表达差异是PHA合成能力不同的关键机制。

　　

作者：高春迪、刘佳欣、常雪宁、王诗、贾晨、彭永振

单位：北京工业大学水质科学与水环境修复工程系，北京 100124，中国

摘要

碳源通常被分为易降解有机物和缓释生物降解有机物（SBOM）。然而，这两种碳源对活性污泥系统性能的具体影响机制尚不明确。本研究使用淀粉、棕榈酸和醋酸钠作为碳源，建立了三个序批反应器（SBR），系统地研究了这些不同碳源对污泥沉降性能、胞外聚合物物质（EPS）和胞内碳源特性的影响。结果表明，在丝状菌生长后，淀粉、棕榈酸和醋酸钠系统中的Thiothrix相对丰度分别为7.53%、3.44%和14.97%。这两种SBOM系统对丝状菌的过度生长具有缓冲作用。此外，在丝状菌膨胀过程中，碳储存代谢表现出明显的变化：淀粉和棕榈酸系统从碳分配向EPS合成转变，更多碳被用于聚羟基烷酸（PHA）的储存，从而维持相对稳定的代谢功能；而醋酸钠系统中过多的碳分配给EPS生产，导致污泥絮体结构松散，进一步加剧了污泥膨胀。淀粉和醋酸钠系统主要依靠糖原积累菌（GAOs）和聚磷酸盐积累菌（PAOs）进行碳转化。相比之下，棕榈酸系统中Rubrivivax和Rhodoferax的富集促进了高效的碳降解和胞内碳积累。phaA、phaB和phaC基因的差异表达是PHA合成能力变化的关键机制。这些发现为污泥膨胀和碳代谢的机制提供了新的见解。

引言

活性污泥工艺是城市污水处理厂中最广泛应用的技术之一。活性污泥包含一个高度复杂的微生物群落，其中具有多种功能的微生物在时间和空间上交替作用，以去除废水中的污染物（Gong等人，2025年）。然而，进水水质差、生物反应器配置不当或运行条件不佳可能导致丝状菌或黏性污泥膨胀，从而降低污泥的沉降性能（Bakos等人，2022年）。目前，过多的丝状菌生长仍是许多污水处理厂面临的主要运营挑战。在影响因素中，碳源的类型在活性污泥系统中的丝状菌膨胀中起着关键作用。根据有机物的性质，碳源通常被分为易降解碳源和缓释生物降解有机物（SBOM）（Huang等人，2010年）。

大多数关于活性污泥系统中丝状菌膨胀和底物储存代谢的研究集中在易降解碳源上，如醋酸钠、葡萄糖和蔗糖。然而，生活污水中约78%的有机物属于SBOM，主要是脂类和颗粒有机物。这些化合物的生物降解性较低，很少被微生物直接利用（Liu等人，2023年；Zhang等人，2016年）。易降解碳源可直接被微生物吸收，导致微生物在絮体表面大量聚集，从而形成松散的絮体结构，增加丝状菌膨胀的倾向（Gao等人，2024年），同时絮体内存在浓度梯度，这也是膨胀的另一个诱因（Martins等人，2011年）。相比之下，SBOM在絮体内内部降解，消除了这种梯度并抑制了过多的丝状菌生长。Gao等人指出，SBOM促进了絮体内的微生物聚集，丝状菌向内部生长而不会过度增殖（Gao等人，2025年）。然而，也有研究表明，SBOM导致的底物可用性降低可能有利于具有较大比表面积的丝状菌（Li，2020年）。因此，明确SBOM和易降解碳源对活性污泥系统性能的差异性影响对于优化工艺控制和提高污水处理厂的运行稳定性至关重要。

活性污泥系统中的碳源储存和代谢主要涉及两类物质：胞外聚合物物质（EPS）和胞内碳源。EPS是活性污泥的关键组成部分，来源于微生物代谢或细胞裂解（Sheng等人，2010年），主要由胞外多糖（PS）和蛋白质（PN）组成。在营养受限条件下，部分EPS可作为内部碳源，并为氮、磷等元素提供储存库（Kedves等人，2025b年），缓解微生物对碳和其他元素的需求，有助于系统稳定性（Ren等人，2021年）。作为结构基质和底物储存与代谢的功能中心，EPS的组成和含量受碳源类型的影响很大。先前的研究表明，可溶性有机物作为碳源可增加EPS中的PS含量（Shi等人，2020年）；颗粒状淀粉可抑制EPS的形成，特别是胞外PN的分泌（Liu等人，2023年）；而长链脂肪酸可促进EPS的产生并刺激Microthrix parvicella的增殖（Gao等人，2024年）。除了EPS外，胞内碳源在活性污泥系统的营养去除过程中也起着关键作用（Coats等人，2011年）。这些胞内碳源主要包括聚羟基烷酸（PHA）和糖原（Gly）。PHA是一种广泛存在于细菌细胞质中的聚合物，在外部底物充足条件下细菌储存过量有机碳时合成（Yang等人，2024年）。糖原是微生物细胞中的另一种关键胞内能量储备。早期使用可溶性挥发性脂肪酸（VFAs）作为碳源的研究发现，PHA和Gly是主要的胞内储存产物，聚磷酸盐积累菌（PAOs）和糖原积累菌（GAOs）是主要的功能群（Ji等人，2020年）。然而，由SBOM合成的胞内储存化合物的特性及其涉及的微生物仍不明确。此外，EPS的合成会显著降低PHA的产量（Yadav等人，2021年），主要是由于对可用外源碳的竞争。葡萄糖由于产生有机酸，导致活性污泥微生物的EPS合成出现滞后阶段，而果糖则不会；值得注意的是，无论使用哪种碳源，PHA合成都没有滞后阶段（Li等人，2017年）。粗甘油会抑制PHA相关蛋白质和酶的合成，降低PHA产量，而EPS的降解则有助于PHA的合成（De Jesus Assis等人，2016a）。这些研究表明，碳源类型会调节EPS和PHA的合成。尽管如此，当前的研究主要集中在使用易降解碳源的系统中。关于SBOM系统中EPS和PHA之间碳源竞争的机制和相互作用的综合研究仍然很少。

本研究使用三种代表性的碳源建立了三个SBR活性污泥系统：淀粉作为典型的颗粒有机物，棕榈酸作为典型的长链脂肪酸（LCFA），醋酸钠作为典型的溶解有机物。研究分为两个阶段，基于溶解氧（DO）浓度：第一阶段为正常DO条件，第二阶段为低DO条件，以模拟不利条件。低DO条件增强了丝状菌的竞争优势（Guo等人，2010年），放大了碳源类型对丝状菌膨胀的影响。主要目的是研究不同碳源类型对污泥特性、EPS含量和胞内碳储存的影响。通过研究功能微生物的组成和分布及相关基因，进一步分析了功能微生物群落结构和参与底物储存代谢的代谢行为。通过建立不同碳源系统中碳储存代谢特性、污泥絮体性质和微生物群落演替之间的关系，本研究为污泥膨胀的机制提供了理论见解，并为提高城市污水处理中的污染物去除率和碳减排效率提供了指导。

反应器和运行条件

三个相同的SBR，每个的有效工作体积为8 L，使用不同的碳源运行了120天：颗粒状淀粉（R1）、棕榈酸（R2）和醋酸钠（R3）。本研究使用的SBR示意图见图S1。每个SBR每天完成四个周期，每个周期包括进水阶段（10分钟）、厌氧阶段（60分钟）、好氧阶段（180分钟）、沉淀阶段（60分钟）和排水阶段（5分钟）。排水比为

沉降性能

图1显示了实验期间污泥沉降性能的变化。接种污泥的初始SVI约为85.0 mL/g，表明其沉降性能良好。在正常溶解氧条件下，三个系统的SVI均略有下降，表明活性污泥正在进一步适应反应器环境。随着反应器的运行，R3（醋酸钠）系统的SVI逐渐下降

结论

目前，SBOM和易降解碳源对活性污泥性能差异性影响的机制尚不完全清楚。本研究探讨了碳源类型对活性污泥系统中丝状菌膨胀和底物储存代谢的影响。SBOM对丝状菌膨胀具有缓冲作用。然而，由于分子结构和物理化学性质的差异，其缓冲机制

资助

本研究得到了国家自然科学基金（52270017）的财政支持

作者贡献声明

高春迪：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。 刘佳欣：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，调查，数据分析，概念构思。 王诗：调查。 常雪宁：调查。 彭永振：概念构思。 贾晨：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家高级城市污水处理与回用技术工程实验室开放项目和国家自然科学基金（项目编号52270017）的支持。