粉末载体生物膜选择性回收强化反硝化功能菌富集及污水脱氮除磷效能提升机制

为解决污水厂传统活性污泥法中反硝化菌与聚磷菌(PAOs)污泥龄矛盾导致的脱氮除磷效率瓶颈，研究人员开发了基于多层密度梯度离心法的旋风分离优化IFAS系统，通过3.5±0.5 m/s最佳流速实现载体生物膜20%活细胞比例提升，使反硝化速率常数提高0.51倍，最终实现TN和TP去除率超73%的突破性进展，为污水厂提标改造提供了创新解决方案。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂面临越来越严格的氮磷排放标准。传统活性污泥法存在一个难以调和的矛盾：负责脱氮的反硝化细菌需要较长的污泥龄（约15-20天）才能稳定生长，而负责除磷的聚磷菌(PAOs)则偏好短污泥龄（约3-5天）。这种"世代时间冲突"导致常规工艺难以同时实现高效脱氮除磷。更棘手的是，现有集成固定膜活性污泥(IFAS)技术虽能通过生物膜载体缓解该矛盾，却面临载体堵塞、流化能耗高以及微米级粉末载体回收困难等新挑战。

针对这一行业痛点，华中科技大学环境科学与工程学院的研究团队在《Water Research X》发表创新成果。该研究通过多层密度梯度离心法首次揭示了1.20 g/cm³
的生物膜/悬浮污泥临界分离密度，据此设计出旋风分离优化装置，在市政污水处理中实现反硝化菌的靶向富集。研究证实，该系统使载体生物膜活细胞比例提升20%，脱氮效率突破传统AAO工艺73.7%的理论极限，在150天连续运行中保持77.9%以上的总氮去除率，同时总磷去除效果媲美化学除磷工艺。

关键技术包括：1）建立甘油梯度(1.119-1.297 g/cm³
)的多层密度离心法分离污泥组分；2）采用计算流体力学(CFD)模拟优化旋风分离单元参数；3）结合荧光原位杂交(FISH)和透射电镜(TEM)解析微生物空间分布；4）通过16S rRNA测序(平均415 bp)分析39个污泥样本的群落演变。

【污泥密度梯度特性】
通过七层甘油密度梯度离心，发现L₆
层载体生物膜粒径达82 μm（较混合污泥增加37 μm），VSS/SS比随密度升高呈负相关(R²
=0.8552)。随机森林分析(AUC=0.75)显示反硝化菌如Ferribacterium(r=0.675)和Propionivibrio(r=0.613)在重密度区富集，而PAOs如Acinetobacter(r=-0.635)主要分布于轻密度区。

【旋风分离微结构特征】
CFD优化后的旋风单元在3.5±0.5 m/s流速下，底流污泥浓度达25.6 g/L（较溢流高1.75倍），MLVSS/MLSS降至24.95%。TB-EPS中蛋白质/多糖(PN/PS)比值显著提升，zeta电位分析显示载体生物膜表面电荷中和效应增强，形成更稳定的致密结构。

【系统脱氮除磷性能】
在4 g/L粉末载体投加量下，M-IFAS系统实现平均出水TN 5.40 mg/L（传统ASM为9.70 mg/L）。CLSM显示底流活细胞比例达97.3%，反硝化速率提升至73.91 mg NO₃
^-
-N/(g·MLVSS·d)。FISH证实Anammox细菌定植于载体生物膜内层，与外层反硝化菌形成空间分工。

【微生物群落机制】
PLS-DA分析将39个样本明确分为三簇，中性群落模型(NCM)显示底流群落扩散能力更强(Nm=7496.9)。Mantel检验发现底流菌群与TN去除率显著相关(r=0.427)，如Ellin6067等硝化菌与NH₄
⁺
-N正相关(p<0.01)，而norank_f_norank_o_Saccharimonadales与TP去除正相关(r=0.348)。

该研究突破性地实现了单反应器内双污泥龄精准调控：通过旋风分离将PAOs富集于短污泥龄溢流污泥，反硝化菌保留在长污泥龄底流载体生物膜。这不仅解决了传统工艺的"世代时间冲突"，其建立的1.20 g/cm³
密度阈值标准和旋风分离参数，为现有污水厂低成本升级提供了可直接应用的技术模板。特别是系统在无碳源投加条件下达到77.9%的脱氮效率，对实现污水处理"碳中和"目标具有重要实践意义。