碳源和温度对新型自适应活性污泥工艺中氮去除性能的影响

《Environmental Research》：Carbon Source and Temperature Effects on Nitrogen Removal Performance in a Novel Adaptive Activated Sludge Process

本研究系统评估了新型自适应活性污泥（AAS）系统在低温（12°C）与常温（24°C）下，葡萄糖、乙酸及混合碳源对氮去除效率的影响，发现乙酸单一碳源最高，混合源在低温下碳消耗最低。微生物群落分析及基因表达显示，混合碳源促进异养硝化，低温诱导PHB合成增强反硝化能力，验证了混合碳源在寒冷地区的节能优势。

　　在当前的污水处理领域，特别是在农村地区，低温和碳源限制已成为影响处理效果的关键因素。随着全球气候变化和环境问题的加剧，农村地区污水处理的挑战愈发凸显。由于这些地区通常缺乏充足的经济和技术资源，传统的污水处理方法难以满足日益增长的环境治理需求。因此，开发一种适应性强、成本低且节能的污水处理系统显得尤为重要。本研究聚焦于一种新型的自适应活性污泥（AAS）系统，探讨其在不同温度条件下对氮去除性能的影响，并评估不同外加碳源对系统运行效果的作用。

研究结果表明，在24°C的常温条件下，采用不同碳源的AAS系统表现出不同的氮去除效率。具体而言，使用葡萄糖作为碳源时，氨氮（NH??-N）去除速率为1.57 mg/L·h，而使用乙酸作为碳源时，去除速率提升至4.51 mg/L·h。值得注意的是，当采用葡萄糖-乙酸混合碳源时，去除速率达到了最高的5.47 mg/L·h。同时，好氧反硝化速率分别为1.53、3.72和4.50 mg/L·h。这些数据表明，混合碳源在提升氮去除效率方面具有显著优势，尤其是在常温条件下。然而，随着温度的降低至12°C，系统的表现发生了变化，混合碳源的碳消耗率降至12.56 g COD/g TN，这说明系统在低温环境下能够更有效地利用碳源。

进一步的微生物群落分析揭示了不同碳源对系统中微生物组成的影响。葡萄糖作为单一碳源时，促进了Nakamurella、Micropruina和Zoogloea等微生物的增殖，这些微生物在系统中占据了主导地位。相比之下，混合碳源系统则富集了Flavobacterium，这是一种与异养硝化作用密切相关的微生物。这表明，在混合碳源的条件下，系统中的微生物群落结构发生了显著变化，有利于提升氮去除效率。此外，基因表达分析显示，乙酸通过甘油酸途径和三羧酸循环（TCA cycle）进行代谢，这一过程增强了反硝化效率。这说明乙酸的代谢路径在提升系统性能方面具有重要作用。

在低温条件下（12°C），系统表现出更强的适应能力。研究发现，聚羟基烷酸酯（PHA）合成途径在低温条件下被显著上调，这表明微生物通过内源性碳储存机制来应对碳源的不足。这种适应性不仅有助于维持系统的稳定运行，还提高了低温环境下的反硝化效率。通过这种机制，微生物能够在碳源有限的情况下，仍然保持较高的氮去除能力，从而为低温环境下的污水处理提供了新的思路。

研究还探讨了不同碳源在AAS系统中各功能区的利用动态。AAS系统的设计使其能够在不同工况下自动调节溶解氧浓度，从而创造有利于同时硝化和反硝化（SND）的条件。在系统运行过程中，不同碳源的分布和利用情况对各功能区的性能产生了重要影响。例如，在初始启动阶段，系统对碳源的利用效率较低，但随着微生物群落的适应，各功能区的处理能力逐渐提升。特别是在低温条件下，混合碳源的利用效率显著提高，这可能与微生物群落的调整和代谢途径的优化有关。

此外，研究还强调了AAS系统在应对农村地区污水处理需求方面的潜力。通过优化碳源的选择，AAS系统能够在保证处理效率的同时，显著降低运行能耗。这一特性对于资源有限的农村地区尤为重要，因为它们通常需要在较低的运营成本下实现高效的污水处理。本研究的发现不仅为AAS系统的实际应用提供了理论依据，也为未来在寒冷地区的污水处理技术发展提供了新的方向。

本研究的创新点在于，通过系统性的实验设计和分析，揭示了不同碳源对AAS系统氮去除性能的具体影响。研究结果表明，乙酸作为单一碳源时，能够实现最高的氮去除速率，同时其碳消耗率较低，显示出良好的经济性和环境友好性。而混合碳源系统则在碳利用效率方面表现出色，特别是在低温条件下，其碳消耗率显著下降，这可能与微生物群落的多样性及其对不同碳源的适应能力有关。这些发现为优化碳源选择提供了科学依据，有助于提高污水处理系统的整体性能。

在实际应用中，AAS系统的设计能够有效应对农村地区污水处理面临的挑战。其结构简单、运行灵活，能够在不增加系统总体积的情况下，通过内部分区实现多级处理。特别是在面对低温环境时，AAS系统能够通过自适应机制维持稳定的处理效果，从而减少对外部能源的依赖。这种系统不仅适用于寒冷地区的污水处理，也具有广泛的推广前景，尤其是在经济和技术资源有限的农村地区。

本研究的成果对于推动污水处理技术的可持续发展具有重要意义。通过优化碳源选择，AAS系统能够在保持高效处理能力的同时，降低运行成本和能源消耗。这对于全球范围内，特别是发展中国家的农村地区，具有重要的应用价值。未来的研究可以进一步探讨不同碳源在不同环境条件下的适用性，以及如何通过微生物调控和工艺优化，提升系统的稳定性和适应性。此外，还可以研究AAS系统在处理其他污染物（如磷和重金属）方面的潜力，以实现更全面的污水处理目标。

总之，本研究为AAS系统在低温环境下的应用提供了重要的理论支持和实践指导。通过深入分析不同碳源对系统性能的影响，揭示了微生物群落的动态变化和代谢机制，为优化污水处理工艺、提升环境治理水平奠定了基础。这些成果不仅有助于解决农村地区污水处理的现实问题，也为构建更加环保、经济和可持续的污水处理体系提供了新的思路和方法。