进水水质波动对好氧污泥颗粒化及氮去除性能的影响：从胞外聚合物物质和微生物群落角度的探讨

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impact of fluctuations in influent quality on aerobic sludge granulation and nitrogen removal performance: insights from extracellular polymeric substances and microbial community perspectives

本研究探究了进水碳、氮及其组合波动对活性污泥颗粒化形成及氮去除性能的影响，发现组合波动显著提升脱氮潜力，总氮去除率达37%高于对照组，且影响EPS组成和微生物群落结构。

　　在废水处理过程中，进水水质的波动是一种常见的现象，尤其是在实际运行的污水处理厂（WWTPs）中。这种波动通常由周期性的人类活动、降雨以及设备故障等多种因素引起，导致进水中的有机物（如化学需氧量COD）和氮化合物（如氨氮NH??-N）浓度发生变化。然而，尽管这些波动广泛存在，其对好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）形成以及氮去除性能的影响仍缺乏深入研究。因此，理解这些波动如何作用于AGS的生长与功能，对于提升其在实际应用中的稳定性与效率具有重要意义。

好氧颗粒污泥是一种由微生物自聚形成的紧凑生物体，其内部存在独特的氧气浓度梯度，从而在颗粒内部创造不同的微环境，包括好氧和缺氧区域。这种结构使得AGS能够实现同步的硝化、反硝化和除磷功能，为污水处理提供了一种高效、节能的替代方案。相较于传统的活性污泥系统，AGS技术在处理城市污水时展现出更高的营养物质去除能力，能够减少约75%的占地面积和30%的能耗。然而，AGS的形成通常需要较长的时间，通常需要几个月，这在一定程度上限制了其更广泛的应用。因此，明确影响AGS形成的关键因素及其作用机制，对于推动其技术应用具有关键意义。

当前，许多研究聚焦于AGS形成过程中的操作参数，如污泥负荷率、沉淀时间、操作周期等，以及进水水质对颗粒污泥形成的影响。例如，COD和NH??-N的浓度变化已被证实对AGS的形成过程有重要影响。Liu等人发现，逐步增加进水COD浓度，从200 mg/L到800 mg/L，能够促进AGS中EPS的分泌，加快颗粒污泥的形成，并提高颗粒的平均粒径。然而，长期维持高COD浓度可能导致在好氧阶段残留低浓度的COD，从而促进丝状菌的过度增殖，引发污泥膨胀。同样，NH??-N浓度的变化也被认为会影响微生物对COD的利用，进而影响颗粒污泥的结构和性能。例如，Xavier等人指出，相较于较高的NH??-N浓度，较低的浓度会导致微生物EPS含量减少，形成更密集但更小的颗粒。同时，NH??-N浓度的增加可能促进丝状菌的生长，导致颗粒表面粗糙、结构不规则。此外，进水基质浓度的变化不仅影响AGS的形成，还直接关系到系统的污染物去除能力。在高COD浓度条件下，快速生长的异养菌可能会与缓慢生长的自养硝化菌竞争溶解氧和空间，从而影响系统的硝化性能。相反，过低的COD浓度可能由于碳源不足而抑制反硝化过程，导致总氮（TN）去除效率下降。

上述研究主要集中在稳定基质浓度对AGS形成和系统性能的影响，而忽略了实际污水处理过程中进水水质波动的复杂性。因此，本研究通过设置三个实验组，分别模拟碳波动（R1）、氮波动（R2）和碳氮复合波动（R3），以系统研究这些波动对AGS系统的影响。研究重点包括：评估反应器的污染物去除性能；探究污泥形态和特性，并利用XDLVO理论评估其聚集行为；测定EPS中的蛋白质和多糖含量及其二级结构；分析微生物群落结构、功能菌群的富集情况以及关键氮转化基因的表达。此外，本研究还采用随机森林模型和方差分解分析（VPA）来量化各个因素对污泥颗粒化的影响，从而揭示进水波动如何影响污染物去除性能和污泥颗粒化过程。

实验采用四个相同的SBR反应器进行，反应器由有机玻璃制成，有效容积为2.5 L。反应器在厌氧-好氧模式下运行，周期时间为240分钟，包括90分钟的厌氧进水、90-115分钟的好氧曝气、30分钟的沉淀以及30-5分钟的出水阶段。在30天的运行过程中，沉淀时间逐渐从30分钟缩短至5分钟，而好氧曝气时间则从90分钟增加至115分钟。这种调整旨在模拟实际污水处理过程中可能遇到的波动条件，并观察其对AGS形成和性能的影响。

在反应器运行过程中，发现所有反应器在启动阶段均表现出良好的COD去除性能，去除率均超过96.8%，且不受水质波动的影响。同时，TP的去除率在各反应器之间也无显著差异，均保持在70%以上。然而，随着运行时间的延长，水质波动对污泥的聚集行为和系统性能的影响逐渐显现。特别是在处理碳氮复合波动的反应器中，观察到显著的反硝化潜力提升，总氮去除率比对照组高出37%。这一结果表明，在碳氮共同波动的条件下，AGS系统能够更有效地进行氮去除，从而展现出更高的处理效率。

在碳波动的条件下，发现污泥中亲水性多糖的分泌增加，导致污泥的疏水性降低，进而抑制了颗粒的形成。而在氮波动的条件下，污泥中疏水性蛋白的分泌增加，使得颗粒的形成更为显著，最终形成具有较高颗粒度的污泥。这些变化与EPS的组成和微生物群落结构的调整密切相关。研究进一步表明，EPS的组成和功能在很大程度上决定了污泥的聚集行为和系统性能。例如，亲水性多糖的增加可能改变污泥表面的物理化学性质，从而影响其聚集能力。而疏水性蛋白的增加则可能促进微生物之间的相互作用，增强颗粒的稳定性。

此外，微生物群落结构的变化也被认为是影响污泥颗粒化和系统性能的重要因素。在不同的波动条件下，微生物群落可能会发生显著变化，某些功能菌群可能被富集，而其他菌群可能被抑制。例如，在高COD浓度的条件下，快速生长的异养菌可能会占据主导地位，而自养硝化菌的生长受到抑制，导致系统的硝化性能下降。相反，在低COD浓度的条件下，由于碳源不足，反硝化菌的生长受到限制，进而影响系统的总氮去除效率。这些变化不仅影响污泥的物理特性，还可能影响其代谢过程，从而对系统的整体性能产生深远影响。

在实验过程中，发现不同波动条件下，微生物群落的多样性发生了显著变化。在碳波动的条件下，微生物群落的多样性降低，某些功能菌群被富集，而其他菌群则被抑制。而在氮波动的条件下，微生物群落的多样性相对较高，某些特定的菌群被富集，而其他菌群则保持稳定。这种变化可能与EPS的组成和功能有关，因为EPS不仅影响微生物的聚集行为，还可能调节微生物之间的相互作用，从而影响整个群落的结构和功能。

通过进一步的分析，发现EPS的组成和功能在很大程度上决定了污泥的聚集行为和系统性能。在碳波动的条件下，亲水性多糖的分泌增加，导致污泥的疏水性降低，进而抑制了颗粒的形成。而在氮波动的条件下，疏水性蛋白的分泌增加，使得颗粒的形成更为显著。这种变化可能与微生物的代谢途径和EPS的合成机制有关。例如，亲水性多糖的合成可能与微生物的碳代谢有关，而疏水性蛋白的合成可能与氮代谢密切相关。

此外，研究还发现，EPS的组成和功能在不同波动条件下会发生显著变化。例如，在高COD浓度的条件下，EPS中的多糖含量增加，而蛋白质含量相对减少，导致污泥的疏水性降低，进而影响其聚集能力。而在低COD浓度的条件下，EPS中的蛋白质含量增加，而多糖含量相对减少，导致污泥的疏水性提高，从而促进颗粒的形成。这种变化可能与微生物的代谢需求和环境条件有关，例如，高COD浓度可能促进微生物对碳源的利用，而低COD浓度可能促进微生物对氮源的利用。

通过分析这些变化，可以进一步理解进水波动如何影响AGS系统的性能。例如，在碳波动的条件下，由于亲水性多糖的分泌增加，污泥的疏水性降低，导致颗粒的形成受到抑制。而在氮波动的条件下，由于疏水性蛋白的分泌增加，污泥的疏水性提高，从而促进颗粒的形成。这些变化不仅影响污泥的物理特性，还可能影响其代谢过程，进而影响系统的整体性能。

此外，研究还发现，不同波动条件下，微生物群落的结构和功能会发生显著变化。例如，在高COD浓度的条件下，某些功能菌群可能被富集，而其他菌群则被抑制。而在低COD浓度的条件下，某些功能菌群可能被抑制，而其他菌群则被富集。这种变化可能与微生物的代谢需求和环境条件有关，例如，高COD浓度可能促进微生物对碳源的利用，而低COD浓度可能促进微生物对氮源的利用。

通过进一步的实验分析，可以发现这些变化对AGS系统的性能具有重要影响。例如，在碳波动的条件下，由于亲水性多糖的分泌增加，污泥的疏水性降低，导致颗粒的形成受到抑制。而在氮波动的条件下，由于疏水性蛋白的分泌增加，污泥的疏水性提高，从而促进颗粒的形成。这些变化不仅影响污泥的物理特性，还可能影响其代谢过程，进而影响系统的整体性能。

综上所述，本研究通过模拟不同的进水波动条件，系统分析了其对AGS系统的影响。研究结果表明，碳氮复合波动能够显著提升系统的氮去除能力，而单独的碳波动或氮波动则对系统性能产生不同的影响。这些变化与EPS的组成和功能、微生物群落结构以及代谢途径密切相关。通过进一步的分析，可以揭示进水波动如何影响AGS的形成和性能，为提升其在实际应用中的稳定性提供理论依据。