《Journal of Environmental Chemical Engineering》：New aeration strategies in the aerobic granulation process under osmotic stress
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本研究聚焦污水处理中好氧颗粒污泥（AGS）形成与稳定性问题，探讨了不同盐度与曝气策略的协同作用。研究发现，在无盐条件下，降低曝气强度可显著加速颗粒化并提升生物质截留；而在盐胁迫（5 g/L NaCl）下，先高后低的曝气调控模式能促进菌群功能弹性。尤其，盐度结合低曝气能刺激细胞外聚合物（EPS）特别是紧密结合型EPS的合成，增强颗粒强度，同时促进藻酸盐类胞外多糖（ALE）等生物资源回收，并实现了高达93%的总氮去除率。这一策略为优化AGS工艺稳定性、脱氮效能及资源回收提供了新思路。
在污水处理领域，高效、节能、可持续的技术是永恒的追求。好氧颗粒污泥技术如同一颗闪耀的明星，它能够高效去除多种污染物，并具备回收有价值的生物资源（如可用于生产生物塑料的聚合物）的潜力，因而备受瞩目。然而，要让这些由微生物自发聚集而成的“小圆球”——好氧颗粒污泥稳定、快速地形成，同时保持卓越的污染物去除性能，并非易事。传统上，高强度的曝气和水力剪切力被认为是促进颗粒形成的关键“选择压”，但这需要消耗大量能量。另一方面，最近的研究发现，向系统中添加一定量的盐（诱导渗透胁迫）也能促进颗粒的形成和稳定，这为处理高盐废水或调控颗粒特性提供了新思路。那么，一个引人深思的问题浮现出来：如果我们将这两种策略——调节曝气强度（改变氧供和剪切力）与引入盐胁迫（渗透压力）——结合起来，会发生什么？是简单的叠加，还是会产生意想不到的“1+1>2”的协同效应？这正是巴西塞阿拉联邦大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表的最新研究试图解答的核心问题。
为了深入探究盐度与曝气强度的交互作用，研究人员设计了一个精巧的实验。他们构建了四个相同的序批式反应器，并设置了不同的运行条件，形成了“有无盐分”和“不同曝气策略”的双因素对照。具体来说，R1为无盐、全周期高曝气对照组；R2为无盐、但采用“先高后低”的梯度降低曝气策略；R3为添加5 g/L NaCl、全周期高曝气组；R4则为同时添加盐并采用与R2相同的梯度降低曝气策略。实验长达147天，分为两个阶段：第一阶段（112天）用于启动和颗粒形成，第二阶段（35天）则采用持续的更低曝气强度，以测试颗粒的长期稳定性。研究团队系统监测了颗粒的形成过程、生物质浓度、沉降性、污染物（有机物、氮、磷）去除效率、细胞外聚合物及其关键组分藻酸盐类胞外多糖的产量，并运用先进的微生物组测序技术（基于纳米孔技术的16S rRNA全长基因测序）深入解析了不同条件下微生物群落结构和功能基因的变化。
3.1. 生物质特性
研究结果显示，曝气强度与盐度的组合对生物质截留和颗粒稳定性产生了复杂而有趣的影响。在无盐系统中，降低曝气强度（R2）通过减少水力剪切导致的生物质脱落，显著提高了混合液挥发性悬浮固体浓度，并在16天内就形成了稳定、密实的颗粒。而在盐胁迫下，情况则有所不同：高曝气（R3）在初期有助于颗粒的快速稳定，但切换到低曝气后（R4），系统表现出更强的功能恢复力。整体而言，降低曝气在无盐条件下更有利于生物质截留，而在所有系统中（无论有无盐分），它都为生物质浓度提供了更大的长期稳定性。
3.2. 颗粒化过程
所有反应器在30天内都成功实现了颗粒化（>80%生物质粒径大于0.2 mm）。其中，无盐条件下的低曝气反应器（R2）颗粒化最快（16天），而有盐条件下的高曝气反应器（R3）则形成了最大的颗粒。在经历一次意外的饥饿扰动（第40天中断进料）后，R2和R4（采用降低曝气策略的系统）表现出了更好的恢复能力。这表明，降低曝气不仅缩短了无盐系统的启动时间，还增强了系统在受到冲击后的结构弹性。
3.3. EPS和ALE生产
细胞外聚合物是维持颗粒结构的“胶水”。研究发现，盐胁迫与降低曝气的组合（R4）显著刺激了紧密结合型EPS的合成，这部分EPS对于颗粒的结构完整性至关重要。同时，这种组合也最有效地促进了藻酸盐类胞外多糖这种高价值生物资源的积累。即使在实验后期ALE产量普遍下降的趋势下，R4的产量依然最高。这意味着，适度的环境压力（盐+低氧）可以“激励”微生物生产更多有用的胞外产物，为实现污水处理过程中的资源回收创造了条件。
3.4. EPS基质的荧光特性
通过三维荧光光谱分析，研究人员观察了EPS组成的变化。在运行后期（90天后），盐胁迫系统（R3和R4）的EPS中多糖类物质信号显著增强，这可能是微生物应对渗透压力的一种保护机制。同时，所有系统中类富里酸物质的信号均减弱，表明微生物群落可能优先代谢或转化了这些物质。
3.5. 反应器性能
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有机物去除：所有反应器的化学需氧量去除率均保持在很高水平（>90%），且不同条件间无显著差异，表明AGS系统对有机物的去除具有很强鲁棒性，不易受曝气强度和盐度变化的影响。
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氮去除：氮的去除则对运行条件极为敏感。在第二阶段（持续低曝气）中，结合了盐分和低曝气的R4表现最为出色，实现了高达93.2%的总氮去除率，且亚硝酸盐和硝酸盐积累极少。这归因于低曝气在颗粒内部创造了清晰的氧化还原分层：外层好氧区进行硝化，内层缺氧区则进行反硝化，实现了高效的同步硝化反硝化。而持续高曝气的对照组（R1和R3）则因颗粒内部氧扩散过深，破坏了缺氧微环境，导致脱氮效率大幅下降。
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磷去除：在运行后期，只有R4（盐+低曝气）保持了稳定的除磷性能。这表明，盐分和低曝气形成的特定微环境，可能更有利于聚磷菌或反硝化聚磷菌的代谢活动，帮助它们在与其他微生物（如聚糖菌）的竞争中占据优势。
3.6. 周期分析
对一个完整运行周期的详细监测印证了上述结论。在R4中，有机物在周期内保留更久，为反硝化提供了持续碳源；氨氮被缓慢但完全地氧化，而生成的亚硝酸盐和硝酸盐被迅速消耗，几乎没有积累，清晰展示了同步硝化反硝化的高效进行。
3.7. 微生物学分析
测序结果从微生物层面揭示了系统性能差异的内在原因。在盐胁迫系统中，变形菌门的丰度增加，尤其是与颗粒形成稳定性和EPS生产相关的红杆菌科。盐分和低曝气条件还富集了如Stappia indica等耐盐物种。功能预测分析显示，盐分系统（R3和R4）中与硝化（如亚硝酸盐氧化菌）和反硝化相关的功能基因更为丰富，这直接支持了其卓越的脱氮性能。同时，盐胁迫抑制了聚糖菌的相对丰度，这可能间接有利于聚磷菌的活动，与观察到的除磷表现相吻合。
本研究得出了一系列具有重要理论与实践意义的结论。首先，它明确了曝气强度与盐度是协同调控好氧颗粒污泥形成与功能的关键杠杆。在无盐条件下，降低曝气强度（对应约3 mg/L的溶解氧和0.66 cm/s的表观气速）能通过减少剪切力来加速颗粒化并提升生物质保留。而在盐存在下，曝气策略需要分阶段优化：初期较高的曝气有助于颗粒结构稳定，而颗粒成熟后转为低曝气，则能优化其内部氧化还原分层，从而大幅提升脱氮效率并增强功能弹性。
其次，研究揭示了盐度与低曝气的组合是一种高效的“应激-响应”策略。它不仅能刺激微生物合成更多起结构支撑作用的紧密结合型EPS，强化颗粒的机械强度，还能显著促进藻酸盐类胞外多糖等有价值生物产物的积累，为污水处理厂的“产物化”转型提供了新途径。
最后，从技术应用角度看，这项工作提出了一种分阶段的优化运行范式：在启动和颗粒化阶段，可采用“盐度刺激结合梯度降低曝气”的策略，以快速培育出结构 robust 的颗粒；在长期稳定运行阶段，则可持续采用较低的曝气强度，在保证高效污染物（尤其是氮）去除的同时，显著降低能耗，并维持生物资源回收的潜力。该研究不仅深化了对好氧颗粒污泥系统复杂生态-物理交互作用的理解，也为设计更节能、高效且具备资源回收能力的下一代污水处理工艺提供了坚实的科学依据和可行的操作指南。
