在高淀粉工业废水处理过程中，向生物营养物去除技术转变期间污泥的微生物学与形态学变化

《Environmental Technology & Innovation》：Microbial and Morphological Sludge Dynamics during the Transition to Biological Nutrient Removal using High-Starch Industrial Wastewater

淀粉废水生物脱氮除磷机制及污泥形态演变研究。通过实验室SBR反应器对比常规活性污泥、PAO富集污泥和非EBPR对照组，发现60-90天可通过操作调控实现PAO富集，COD、TN、TP去除率分别达97%、97.6%、97.7%。关键机制包括淀粉水解酶（amylase）活性提升126%，污泥从松散絮体向致密颗粒结构转变，以及PAOs/DPAOs对多电子 acceptor的协同利用。微生物群落分析显示低多样性（Shannon指数3.4-5.0）与功能稳定性正相关，PAOs丰度与磷去除率呈显著正相关（R2=0.82）。研究证实操作调控比初始接种更关键，为工业规模应用提供了理论依据。

　　在当今的工业废水处理领域，如何实现可持续、高效的营养物质去除已成为一个重要的研究方向。特别是对于高负荷、成分复杂的工业废水，如马铃薯加工废水（PPW），传统依赖化学药剂的处理方式虽然能够达到较高的去除效率，但也伴随着诸如污泥产量增加、处理成本上升以及磷回收效率受限等问题。因此，转向完全生物处理工艺，尤其是增强生物除磷（EBPR）技术，成为了一种更环保和经济的选择。然而，如何在实际废水条件下实现微生物群落的稳定转化，并确保处理系统的长期运行效率，仍然是一个挑战。

本研究聚焦于在真实工业废水条件下，通过操作策略的选择，实现从化学辅助到完全生物营养物质去除的转化。研究团队利用三个11升的序批式反应器（SBRs），在180天内对不同初始菌种的处理效果进行了比较。其中，SBR1采用常规活性污泥作为接种物，作为对照组；SBR2则通过调整操作条件，使得原本不具备EBPR活性的常规活性污泥逐渐富集聚磷菌（PAOs），从而实现了高效的磷去除；SBR3则是以预先富集的PAO污泥为接种物，作为正向对照。研究通过批次实验、酶活性分析、16S rRNA测序以及荧光原位杂交（FISH）等方法，系统地评估了反应器的性能、微生物群落动态以及污泥形态的变化，旨在揭示EBPR活性在复杂工业废水处理中的发展机制。

研究发现，SBR2在60至90天内成功实现了PAO主导的微生物群落，其COD、TN和TP去除率分别达到了97%、93%和97%，与SBR3的去除效率相当。这表明，即使没有预先富集的PAO菌群，通过优化操作参数，常规活性污泥也能够在特定条件下发展出高效的EBPR活性。这一结果对工业废水处理具有重要意义，因为它意味着无需依赖化学药剂即可实现高效的磷去除，从而减少对环境的影响和运行成本。

在研究过程中，团队发现淀粉降解能力是实现EBPR的关键因素之一。SBR2中的淀粉酶活性提高了120%以上，这直接促进了淀粉的分解，为PAO提供了可利用的碳源，进而支持其磷的吸收和储存。这种高淀粉酶活性不仅有助于提升磷的去除效率，还表明了微生物群落对特定底物的适应能力。此外，污泥形态的变化也对处理效果产生了重要影响。从松散的絮状体向致密的、部分颗粒化的聚集体转变，显著改善了污泥的沉降性能（SVI?? <150 mL/g），同时为微生物创造了分层的微环境，有利于不同功能微生物的共存和协作。

从微生物群落的动态来看，研究揭示了微生物多样性和功能稳定性的权衡关系。在PAO富集过程中，尽管多样性有所下降，但群落的稳定性显著提高，使得营养物质去除能够在碳源受限的情况下持续进行。这一发现对于工业废水处理具有重要启示，即在实际操作中，通过优化碳源供应和操作条件，可以促进特定功能微生物的富集，从而提升系统的整体性能。

进一步的实验还表明，PAO和脱氮聚磷菌（DPAO）在不同的电子受体条件下表现出不同的活性。例如，在有氧条件下，PAO的磷吸收速率显著高于在缺氧或反硝化条件下的表现。然而，在碳源受限的情况下，DPAO仍然能够通过利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，参与磷的去除过程。这说明，在工业废水处理系统中，PAO和DPAO的协同作用是实现同步去除氮和磷的重要机制。

在污泥结构方面，研究通过显微镜观察和FISH技术，发现随着EBPR活性的增强，污泥的形态发生了显著变化。从最初的松散絮状体逐渐转变为致密的颗粒状结构，这种形态的改变不仅提高了污泥的沉降性能，还促进了微生物在不同微环境中的分布，为磷和氮的同步去除提供了物理基础。尤其是在Phase III，尽管碳源供应受到限制，SBR2和SBR3仍能维持较高的磷去除率，这与它们在富集过程中形成的稳定的微生物群落结构密切相关。

此外，研究还对微生物群落的多样性进行了分析，发现SBR3由于其初始接种物的预富集，其群落多样性显著低于SBR1和SBR2。然而，这种低多样性反而带来了更高的功能稳定性，使得在面对碳源波动时，系统仍能维持较高的去除效率。这一现象在微生物生态学中被称为“稳定性-多样性权衡”，即在某些情况下，较低的多样性可以带来更高的功能稳定性。这一发现对于实际工业废水处理具有重要价值，因为它表明，通过选择合适的初始菌种和操作条件，可以实现功能上的优化，而不必追求高多样性。

研究还揭示了微生物群落的动态变化与操作参数之间的关系。例如，SBR2和SBR3在不同阶段表现出不同的群落结构，这与它们的碳源供应、操作周期以及污泥停留时间（SRT）密切相关。SBR2在Phase I和Phase II中，其微生物群落逐渐从以糖原积累菌（GAOs）为主转变为以PAOs为主，而SBR3则由于初始菌群的富集，表现出更早的PAO主导结构。然而，尽管两者在初始阶段有所不同，它们在后期都实现了类似的去除效率，这表明，操作条件的优化可以弥补初始菌群的差异，从而推动系统向更稳定的EBPR方向发展。

在实际应用中，如何在复杂的工业废水中实现稳定的EBPR，仍然是一个需要深入研究的问题。PPW中的碳源主要以淀粉等慢速降解的有机物为主，这使得在启动阶段，微生物需要一定时间来适应并分解这些复杂的底物。研究发现，淀粉的降解是实现EBPR的重要前提，因此，通过优化操作条件，如提高碳源的可及性、确保适当的SRT以及维持严格的厌氧-好氧-缺氧循环，可以有效促进PAO的富集和功能发挥。此外，污泥结构的演变，如从松散的絮状体到致密的颗粒结构，也有助于提高系统的处理效率，为微生物的共存和功能协同提供了物理支持。

从微生物生态学的角度来看，本研究的发现进一步支持了“优先效应”和“替代稳态”的概念。优先效应指的是在群落建立过程中，早期占据优势的微生物会对其后续发展产生重要影响，而替代稳态则表明在相同的环境压力下，不同的群落结构可能会形成稳定的处理效果。这些概念在工业废水处理中具有重要的指导意义，即通过优化初始接种物和操作条件，可以引导微生物群落向特定的功能方向发展，从而实现高效的营养物质去除。

总体而言，本研究为实现淀粉丰富的工业废水的生物处理提供了重要的理论依据和实践指导。通过优化操作策略，可以有效促进PAO的富集，提高系统的处理效率，并减少对化学药剂的依赖。同时，研究还强调了微生物群落的多样性与功能稳定性之间的权衡关系，以及污泥形态对处理效果的影响。这些发现不仅有助于理解EBPR在工业废水处理中的作用机制，也为未来在更大规模上推广生物处理技术提供了参考。此外，研究还指出，对于某些尚未明确功能的微生物群落，如某些未分类的midas_g菌群，进一步的研究将有助于更全面地了解它们在处理过程中的作用，从而为优化处理工艺提供新的思路。