间歇曝气策略对连续流好氧颗粒污泥系统处理效能及微生物组的影响机制研究

为解决连续流好氧颗粒污泥（CF-AGS）系统能耗高与脱氮效率不足的问题，研究人员通过对比不同间歇曝气（IA）策略（3-24 h/d）对COD（化学需氧量）、TIN（总无机氮）去除率、颗粒特性及微生物群落的影响，发现12 h/d曝气策略在维持95% COD和54% TIN去除率的同时，显著提升颗粒沉降性（SVI=74.8 mL g-1）和藻酸盐类胞外聚合物（ALE=416.2 mg gTS-1）产量，并富集Thauera、Pseudomonas等功能菌属。该研究为优化低碳污水处理技术提供重要理论依据。

　　

污水处理领域正面临传统活性污泥法能耗高、占地大的挑战，而好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术因其沉降性能优、同步去除污染物等优势被视为革新方案。然而，当前AGS研究多集中于序批式反应器（SBR），连续流（Continuous-Flow, CF）模式的应用仍受限于颗粒稳定性与脱氮效率问题。尤其在实际工程中，持续曝气导致的高能耗与溶解氧梯度不足制约了脱氮功能菌群的协同作用。如何通过操作策略优化实现CF-AGS系统的高效稳定运行，成为环境工程领域的核心难题。

针对这一挑战，格拉纳达大学等机构的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，通过设计梯度曝气实验（3 h/d、12 h/d、21 h/d及24 h/d连续曝气对照），系统评估了间歇曝气（Intermittent Aeration, IA）对CF-AGS系统处理性能、颗粒特性及微生物组的影响。研究采用合成废水（C:N:P=100:12:2）培养AGS，结合qPCR定量氮循环功能基因（amoA、nirK、nosZ等）、高通量测序分析微生物群落，并监测COD/TIN去除率、颗粒直径、污泥沉降指数（SVI）及胞外聚合物（EPS）组成等指标。

3.1 间歇曝气对污染物去除的影响
研究发现，所有IA策略（包括最低3 h/d曝气）均能维持93-95%的COD去除率，与连续曝气对照组（94.9%）无显著差异。TIN去除率呈现类似趋势（42-54%），但12 h/d曝气组（R2）表现最优（54%），其通过同步硝化反硝化（SND）途径去除的氮量达13.0 mg L^-1。值得注意的是，短时曝气组（R1）初期出现亚硝酸盐（NO₂^--N）积累（29.1 mg L^-1），表明IA策略需足够适应期以优化菌群功能。

3.2 颗粒特性与沉降性能
曝气时长显著影响颗粒形态：21-24 h/d曝气组（R3-R4）形成大直径颗粒（5.4-6.3 mm），但伴随SVI恶化（最高254.2 mL g^-1）；而12 h/d组（R2）生成0.9 mm颗粒，SVI低至74.8 mL g^-1，证实适度IA可促进结构紧实化。进一步分析发现，R2的藻酸盐类胞外聚合物（ALE）产量达416.2 mg gTS^-1，且蛋白质/多糖（PN/PS）比升至3.5，疏水性增强直接提升了沉降效率。

3.4-3.5 微生物群落响应机制
16S rRNA测序揭示IA驱动群落分化：12 h/d组富集Thauera（反硝化）、Pseudomonas（ALE分泌）和Acinetobacter（EPS合成）等功能菌属，qPCR显示其nirK基因拷贝数（8.5×10⁵/ng DNA）显著高于连续曝气组（5.8×10⁴/ng DNA）。相反，长时曝气组（R3-R4）以硝化菌（amoA基因达1.4×10⁷拷贝）和Neomegalonema为优势菌，但功能冗余性降低。PICRUSt2预测显示，短时IA组氮代谢通路中反硝化相关基因相对丰度提升2-3倍，与实验数据高度吻合。

这项研究创新性地证明，12 h/d间歇曝气策略能平衡CF-AGS系统的处理效能与能耗，其核心机制在于：（1）通过氧梯度调控塑造功能互补的微生物分层结构；（2）激发Thauera-Pseudomonas等关键菌群的代谢协作；（3）优化ALE分泌以增强颗粒稳定性。该成果为现有污水处理厂低碳改造提供了可操作性强的技术路径，尤其对高氮废水处理具有重要应用价值。未来研究可结合宏基因组学进一步解析IA下菌群互作网络，并验证实际废水中的工艺稳定性。