揭示通过复杂金属离子加速好氧颗粒污泥恢复的机制：对微生物聚集及关键微生物富集的见解

《Process Safety and Environmental Protection》：Unveiling the mechanisms of accelerated recovery in aerobic granular sludge via complex metal ions: Insights into microbial aggregation and enrichment of key microorganisms

　　

张宇|何俊国|吕伟|蒋伟迅|刘新平|摩西·阿金塔约·阿博里萨德|徐雅青

广州大学土木与交通工程学院，中国广州，510006

摘要

好氧颗粒污泥（AGS）在长期运行过程中常常面临不稳定性问题，这对废水处理系统构成了重大挑战。金属离子因能促进AGS的快速形成而受到广泛关注，但其对AGS，尤其是不稳定AGS的影响仍不甚明了。本研究向不稳定的AGS系统中添加了Ca²⁺、Mg²⁺和Fe²⁺离子，以评估系统的恢复性能。结果表明，这些金属离子显著加速了不稳定AGS的恢复，使其结构和功能稳定性得到恢复。与对照组相比，中值粒径、化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）恢复到不稳定状态前的时间分别缩短了75%、50%、54.54%和69.56%。此外，这些金属离子还富集了关键的功能微生物（如OLB12、Rhodobacter、norank_f__Saprospiraceae），提高了污染物的去除效率。TN和TP的去除率分别提高了1.19倍和1.24倍。功能基因分析显示，金属离子增强了氮和磷的代谢以及三羧酸（TCA）循环的活性。同时，金属离子还促进了微生物分泌富含蛋白质的胞外聚合物（EPS），其蛋白质含量是对照组的1.93倍。热力学分析表明，污泥表面的界面吸附自由能（?G）降低了52.34%，总相互作用能（W_TOT）的能量障碍也显著降低，从而显著增强了微生物的聚集。这些发现凸显了金属离子在促进不稳定AGS快速恢复方面的有效性，为废水处理系统的优化提供了有益的启示。

引言

好氧颗粒污泥（AGS）是一种具有独特结构的微生物聚集体，与传统活性污泥不同。与传统活性污泥相比，AGS结构更为紧密，能够支持更高的生物量并表现出更好的沉淀性能（Samaei等人，2023年；Vydehi等人，2025年）。此外，AGS具有分层的结构，从中心到边缘依次形成厌氧区、缺氧区和好氧区。这种独特的结构有利于功能微生物的富集，促进了硝化和反硝化过程的协同进行（Ali等人，2021年）。尽管具有这些优势，AGS在实际运行中仍面临稳定性问题，尤其是在稳定性及易分解方面，这限制了其更广泛的应用（Kan等人，2024年；Yin等人，2019年）。导致AGS不稳定的因素包括：由于颗粒过大而增加的质量传递阻力（Farooqi和Basheer，2017年；Franca等人，2018年；Quoc等人，2021年；Tang等人，2026年）；丝状细菌的过度生长阻塞了质量传递通道（Frutuoso等人，2025年；Moura等人，2018年；Yang等人，2025年）；由于进水C/N比降低而加剧的物种竞争（Huang等人，2024年；Zhang等人，2018年）；以及由于EPS含量下降导致的微生物聚集能力减弱（Corsino等人，2016年；Da Costa等人，2022年；Wang等人，2021年）。这些因素共同削弱了AGS的稳定性，使其在某些运行条件下容易分解和失效。因此，开发一种有效的方法来快速恢复不稳定的AGS对于提升该技术的实际应用至关重要。

金属离子通过促进微生物分泌EPS在维持AGS稳定性方面起着关键作用。据报道，添加100 mg/L的Ca2?可使多糖含量比对照组增加一倍以上（Jiang等人，2003年）。相反，添加25 mg/L的Mg2?可使蛋白质含量增加1.88倍（Sajjad和Kim，2015年）。添加0.5 mg/L的Fe2?可使蛋白质含量增加两倍（Ren等人，2018年）。此外，金属离子还有助于将活性污泥转化为颗粒污泥。例如，添加100 mg/L的Ca2?可将颗粒化时间从36天缩短至16天（Jiang等人，2003年）；同样，添加10 mg/L的Mg2?可将颗粒化时间从32天缩短至18天（Li等人，2009年）；添加0.5 mg/L的Fe2?也可将颗粒化时间从30天缩短至16天（Ren等人，2018年）。在实际废水处理中，也观察到了类似的促进效果。在处理生活污水时，160 mg/L的Mg2?浓度被认为是促进高效颗粒污泥形成的最佳浓度，而超过260 mg/L的浓度则会产生不利影响（Sani和Abdullah，2024年）。在处理低浓度石化废水时，Fe2?的絮凝作用显著缩短了颗粒化时间，将颗粒化周期从60天缩短至50天（Huang等人，2025年）。因此，添加单一金属离子可能有助于恢复不稳定的AGS。然而，需要注意的是，这些有益效果主要发生在新颗粒的形成阶段。当应用于已经不稳定的AGS系统时，单一金属离子的影响可能有限，从而降低其恢复稳定性的效果。Guo等人（2022年）发现，尽管向用去离子水制备的合成废水中添加了45 mg/L的Ca²⁺以恢复不稳定的AGS，但未达到预期效果，表明单独添加金属离子不足以有效恢复不稳定的AGS。

现有研究主要关注各种金属离子（如Mg2?、Ca2?、Fe2?）对好氧污泥颗粒化的影响，包括颗粒生长、EPS含量的变化、微生物细胞的表面电荷特性以及微生物群落组成的变化（Hao等人，2016年；Li等人，2009年；Liu等人，2010年；Liu和Sun，2011年；Ren等人，2018年；Sajjad和Kim，2015年）。微生物细胞的聚集行为可以通过表面热力学理论有效解释，Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论为量化微生物间的相互作用提供了有力的框架。该理论结合了静电排斥能、路易斯酸碱水合能和范德华相互作用能，有助于评估各种相互作用能量（Shen等人，2020年）。虽然现有研究主要关注单个金属离子对AGS系统的影响，但复杂金属离子，特别是对不稳定AGS的影响仍需进一步探索。XDLVO理论为理解复杂金属离子促进不稳定AGS恢复的机制提供了有前景的方法。然而，基于XDLVO理论研究微生物在AGS恢复过程中的聚集行为的研究仍较为有限。

本研究使用活性污泥作为接种剂，并通过调节进水C/N比来诱导AGS的不稳定性。系统地研究了复杂金属离子对不稳定AGS的影响。研究的主要目标是：（i）评估使用复杂金属离子快速恢复不稳定AGS的可行性，重点关注污泥特性的变化和污染物去除性能；（ii）通过深入分析EPS特性、表面热力学、XDLVO理论及微生物群落的变化，探讨复杂金属离子促进AGS快速恢复的机制。本研究为推进不稳定AGS的快速恢复及提高基于AGS的废水处理系统的运行稳定性提供了宝贵见解，从而可能显著提升其实际应用效果。

章节摘录

反应器设置与操作

本研究采用了实验室规模的序批式反应器（SBR）（图1）。先前的研究表明，湍流混合的强度显著影响活性污泥的EPS组成和颗粒大小（Feng等人，2019年）。为了增强湍流混合效果，选择了配备内置同波折叠板的SBR。这些折叠板的间距为5 cm，弯曲角度为90°，长度为3 cm，厚度为0.5 cm。反应器的具体尺寸如下：

复杂金属离子对污泥特性的影响

图2展示了不同运行阶段污泥特性的变化。初始接种的污泥MLSS为4500 mg/L，SVI₃₀为111.11 mL/g，表现出典型的絮凝污泥特性（图2a，b）。在初始启动期（第1-10天），絮凝污泥的沉淀性能较差，导致A1和A2反应器中的MLSS均降至约1650 mg/L。这种生物量的急剧下降是常见的现象

实际应用与局限性

本研究表明，复杂金属离子（Ca²?、Mg²?、Fe²?）可以显著加速不稳定AGS的恢复并提高其长期稳定性，为全规模废水处理厂的运行优化提供了重要启示。具体而言，应用复杂金属离子是一种简单有效的干预策略，可在工艺冲击或进水波动后快速恢复不稳定的AGS系统。这种方法缩短了系统的

结论

本研究阐明了复杂金属离子促进不稳定AGS快速恢复的多尺度机制。主要结论如下：

（1）复杂金属离子显著加速了物理恢复过程。加药后，D50值在10天内恢复到不稳定状态前的水平，恢复时间比对照组缩短了75%。

（2）复杂金属离子通过调节EPS有效克服了聚集的热力学能量障碍，ΔG降至-31.94 mJ/m2，消除了

资金来源

本研究由广州大学内部研究计划（YJ2023024）资助。

CRediT作者贡献声明

摩西·阿金塔约·阿博里萨德：撰写、审阅与编辑，监督。徐雅青：研究。蒋伟迅：撰写、审阅与编辑，监督。刘新平：监督、方法学设计、研究。何俊国：撰写、审阅与编辑、资金争取、概念构思。吕伟：撰写、审阅与编辑，监督。张宇：撰写、初稿撰写、方法学设计、研究、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

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