热带气候下中试规模好氧颗粒污泥处理低浓度生活污水：进料策略对颗粒形成与污染物去除的影响研究

《Journal of Environmental Management》：Pilot-scale aerobic granular sludge treating domestic wastewater under tropical climate conditions: Different feeding strategies on granules formation

本研究针对热带地区低浓度、高温度生活污水处理的挑战，探讨了不同进料策略对中试规模好氧颗粒污泥（AGS）形成、胞外聚合物（EPS）动态及污染物去除效率的影响。结果表明，缩短非曝气进料时间可加速颗粒化，而延长进料时间则有助于提高污染物去除率，为热带地区AGS技术的实际应用提供了关键设计参数。

　　

想象一下，在炎热的巴西，处理每天产生的大量但浓度偏低的生活污水，是一个既常见又棘手的挑战。传统的污水处理方法往往能耗高、占地面积大。有没有一种更紧凑、更高效的解决方案呢？好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术应运而生，它被誉为污水处理领域的“明星”技术，能在单一反应器内同步去除有机物和营养盐，结构紧凑且能耗较低。然而，这项技术大多在实验室中使用合成废水进行测试，其在实际生活污水，尤其是在高温、低有机负荷的热带气候条件下的表现究竟如何，却鲜有报道。这正是研究人员决心要探索的未知领域。

为了回答这些问题，一组来自巴西伯南布哥联邦大学的研究团队开展了一项中试规模的研究，相关成果已发表在《Journal of Environmental Management》上。他们想探究的核心问题是：在处理真实的低浓度生活污水时，反应器运行周期中不同的“进料阶段”时长，会如何影响污泥颗粒的形成速度、系统的稳定性以及最终的净化效果？

研究人员主要采用了中试规模的序批式反应器（Sequencing Batch Reactor, SBR）对比实验方法。他们搭建了两套有效容积为115.5升的圆柱形SBR反应器（SBR1和SBR2），均以巴西雷西夫市未经处理的实际生活污水为进水，在平均温度29.6°C的热带气候下运行。两套系统的核心区别在于4小时运行周期中“非曝气进料阶段”的时长：SBR1为40分钟，随后进行180分钟曝气；SBR2为15分钟，随后进行205分钟曝气。研究全程无接种污泥，让微生物直接从进水中生长。通过对化学需氧量（COD）、氨氮（NH₄⁺-N）、亚硝酸盐（NO₂^?-N）、硝酸盐（NO₃^?-N）、悬浮固体、污泥容积指数（SVI）以及胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）的定期监测，并结合16S rRNA基因测序对微生物群落进行分析，系统评估了两种策略下的启动性能、颗粒形成、污染物去除效率和微生物生态。

3.1. 启动、AGS形成和生物质特性

通过逐步缩短沉淀时间的选择性压力策略，两个反应器均成功形成AGS。SBR2的颗粒化速度更快，在第48天即达到完全颗粒化（SVI_10/30比值约为0.9）；而SBR1则需要80天。尽管如此，SBR1积累了更多的生物量，其混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度更高。颗粒化后，两个反应器的污泥均表现出良好的沉降性能，SVI₃₀值普遍较低。

3.2. 有机质和营养物去除性能

在颗粒化阶段，SBR1对COD的去除率（83 ± 8%）高于SBR2（74 ± 15%），这得益于其更高的生物量保留。两个反应器对氨氮（NH₄⁺-N）的去除率均超过70%，但脱氮路径有所不同。SBR1积累了更多的亚硝酸盐（NO₂^?-N， 8.2 ± 5.3 mg/L），这被归因于反应器前期较高的游离氨（Free Ammonia, FA）浓度抑制了亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性。SBR2则产生了相对更多的硝酸盐（NO₃^?-N， 4.4 ± 4.2 mg/L）。研究表明，在实验条件下的高溶解氧和有限碳源环境中，系统未能实现完全的反硝化。

3.3. 整个运行周期中的氮动态评估

对一个典型运行周期内氮形态变化的分析显示，SBR1由于生物量更高，其对总凯氏氮（TKN）和氨氮的消耗速率更快。然而，按单位生物量计算的氨氮消耗活性，SBR2更高。这解释了尽管SBR1生物量更多，但SBR2中氨氧化菌活性更强的现象。高溶解氧环境限制了颗粒内部缺氧区的形成，影响了反硝化进行。

3.4. 胞外聚合物

EPS是维持颗粒结构稳定的关键。研究发现，在启动初期高食微比（F/M）条件下，EPS合成旺盛。SBR2在颗粒化期间的平均EPS含量（203 ± 109 mg/g VSS）高于SBR1（157 ± 137 mg/g VSS）。然而，在运行后期，当F/M比降至较低水平（<0.3 kg COD/kg VSS·d）时，两个反应器的EPS含量均大幅下降至33-49 mg/g VSS，表明微生物进入内源代谢阶段，聚合物合成减少。蛋白质与多糖的比值（PN/PS）在颗粒化过程中升高，较高的PN/PS比（>4）通常与更稳定的颗粒结构相关。

3.5. 微生物群落

微生物群落分析揭示了两种进料策略下不同的优势菌群。SBR1中最丰富的属是Mesorhizobium（25.9%），这是一种已知的能进行反硝化和产生EPS的细菌。SBR2中最丰富的属是Paracoccus（24.2%）和Devosia（10.3%），它们同样是EPS生产者和反硝化菌。然而，研究也指出，在低有机负荷条件下，尽管这些具有反硝化潜力的菌属丰度很高，但可用于彻底反硝化的碳源不足，导致出水中仍含有相当浓度的亚硝酸盐和硝酸盐。典型的用于脱氮除磷的专属功能菌（如Nitrosomonas, Nitrospira和聚磷菌）并未成为优势种群。

结论与重要意义

本研究成功地在处理真实低浓度生活污水的中试规模反应器中培养并维持了好氧颗粒污泥。主要结论是：较短的进料时间（SBR2， 15分钟）能显著加速颗粒化进程；而较长的进料时间（SBR1， 40分钟）则有助于保留更多生物量，从而获得更高的COD去除效率。两种策略下氨氮去除效果均良好，但都未能实现完全的氮去除，低有机负荷是限制反硝化完成的关键因素。微生物群落以多种EPS产生菌为主，这些菌群增强了颗粒的稳定性，但在实验条件下其反硝化潜力未能充分发挥。

这项研究的重要意义在于，它首次在中试规模上系统比较了不同进料策略对处理热带气候下实际低浓度生活污水的好氧颗粒污泥系统的影响，填补了该领域的知识空白。研究结果明确指出，在将AGS技术应用于类似实际场景时，需要在“快速启动”和“高效稳定运行”之间进行权衡。较短的进料时间利于快速形成颗粒，适合需要快速启动的项目；较长的进料时间则能积累更多生物量，提升对污染物的去除能力，尤其适合对出水水质要求严格的场合。这为工程师和决策者在热带及亚热带地区设计和优化基于AGS的分散式污水处理厂提供了宝贵的、基于实际数据的决策依据和关键工艺参数。