高温发酵液和机械脱水液对藻菌颗粒污泥的影响：颗粒特性、污染物去除效果及藻菌结构

《Biochemical Engineering Journal》：Effects of high-temperature fermentation liquid and mechanically dewatering liquid on algal-bacterial granular sludge: Granular characteristics, pollutant removal and algal-bacterial structure

藻菌颗粒污泥系统高效去除高温发酵液与机械脱水滤液中的碳氮磷污染物，通过光合作用供氧促进硝化作用，合成聚磷酸盐菌与脱氮菌协同代谢实现氮磷去除，基因调控机制（如nir/nor）优化系统稳定性。

　　
研究背景与意义
污泥减量与资源化是当前水处理领域的重要课题。传统污泥处理技术如机械脱水后仍残留高浓度污染物（如总有机碳TOC、总氮TN、总磷TP），其滤液不仅含有难降解有机物，还可能携带重金属、抗生素等有毒物质。若直接排放，将威胁水体生态安全，甚至通过地下水渗透造成更大污染。现有生物处理技术（如A2O工艺）存在碳源竞争、污泥产量大、能耗高等问题，亟需开发高效低耗的处理方案。在此背景下，藻菌共生的颗粒污泥技术（ABGS）成为研究热点，其通过藻菌协同代谢实现有机物降解、氮磷去除及碳封存，具有污泥产量低、抗冲击负荷强、资源回收潜力高等优势。

技术原理与创新
ABGS系统以微藻与细菌共生为核心，构建了独特的微生物代谢网络。微藻通过光合作用释放氧气，为好氧菌降解有机物提供条件；同时吸收细菌代谢产生的二氧化碳，形成碳循环闭环。这种共生关系打破了传统水处理中碳源与硝化/反硝化菌的供需矛盾，使系统具备同步去除碳、氮、磷的潜力。研究发现，当系统受到高浓度C、N、P输入时，藻菌通过以下协同机制实现高效治理：
1. **碳代谢耦合**：异养菌分解有机物产生CO?，微藻将其转化为有机碳并释放氧气，供好氧菌进一步降解有机物。
2. **氮磷去除协同**：聚磷菌（Paracoccaceae）通过磷酸盐反积累吸收磷，同时作为硝化细菌（Pararhodobacter）的碳源；反硝化菌（Thauera）利用硝化产生的氨氮进行反硝化，形成氮磷联除的代谢闭环。
3. **群体感应调控**：通过quorum sensing信号分子（如Pst、Pts等基因调控产物），实现菌群代谢活性的精准调控，确保在低溶解氧（DO）条件下仍能维持高效反硝化与聚磷作用。

实验设计与实施
研究采用圆柱形平流式生物反应器（PSBR）进行对比实验，分别投加高温好氧发酵液（HFL）和机械脱水滤液（MDF）。系统运行周期包含进水、缺氧/厌氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水等阶段，水力停留时间（HRT）为20小时，污泥龄（SRT）控制在30天以上。关键工艺参数包括：
- **搅拌强度**：通过转速100rpm维持颗粒污泥的聚集与活性
- **溶解氧梯度**：好氧区DO>2mg/L，缺氧区<0.5mg/L，厌氧区<0.2mg/L
- **营养配比**：N:P=5:1满足反硝化与聚磷需求
实验周期为120天，分阶段监测TOC、TN、TP去除率及颗粒污泥特性（MLVSS/MLSS>0.75，EPS产量>300mg/g VSS）

核心发现与创新点
1. **污染物去除效能**
- HFL处理：TOC去除93.35%（初始950mg/L→78mg/L），TN去除98.07%（230mg/L→4.6mg/L），TP去除96.35%（65mg/L→2.6mg/L）
- MDF处理：TOC去除98.18%（800mg/L→15mg/L），TN去除86.12%（130mg/L→18mg/L），TP去除89.81%（3mg/L→0.3mg/L）
2. **颗粒污泥强化机制**
- 高浓度C/N/P环境激活藻菌共生网络，EPS产量提升29.5%（HFL）至35.8%（MDF）
- 颗粒直径稳定在2-3mm，沉降性能优异（SVI<50mL/g）
- MLVSS/MLSS>0.75表明微生物自养能力显著增强
3. **微生物群落互作**
- 硝化菌（Pararhodobacter）丰度增加2.3倍，与微藻光合产物形成正反馈
- 聚磷菌（Paracoccaceae）与反硝化菌（Thauera）形成互补代谢链
- 检测到关键代谢通路（如TCA循环、三羧酸途径）活性增强，COD去除率>95%

应用前景与挑战
该技术成功解决了两大污泥处理难题：
- **高热发酵液处理**：突破传统工艺对pH（波动范围>2）、碱度（>500mg/L）的敏感性，在高温发酵液（pH 6.8-7.2，碱度432mg/L）下仍保持>90%的TN/TP去除率
- **脱水滤液回用**：针对含悬浮物（SS>8000mg/L）、色度（>5000CU）的机械脱水滤液，系统通过颗粒污泥截留悬浮物（去除率>97%）和吸附色度（降低>85%）实现稳定运行

但技术推广仍面临挑战：
- 初始启动期需4-6周形成稳定颗粒污泥
- 高浓度有机物（>3000mg/L）需配合预处理工艺
- 微藻增殖产生的生物质需通过定期排泥（1次/月）控制
- 低温环境（<10℃）下光合作用效率下降约40%

该研究为污泥资源化提供了新范式，其核心价值在于：
1. **环境效益**：同步实现TOC、TN、TP多污染物去除，减少化学药剂依赖
2. **经济效益**：污泥减量率>60%，产生的藻体可提取ω-3脂肪酸（含量达12.7%）
3. **低碳特性**：系统净碳输出为-2.3kg CO?当量/吨干污泥，较传统焚烧减少76%碳排放

该技术已在中试规模（200m3/d）验证，处理出水达到GB 18918-2002 IV类标准，为后续工程化应用奠定了基础。研究团队正在开发基于ABGS的污泥资源化系统，计划整合磷回收（每吨干污泥回收0.8kg TP）和生物能源生产（藻体转化率18.7%），形成完整的污泥-水-能源联产体系。