活性污泥粒径相关的碳源捕获与碳分配途径

《Journal of Environmental Management》：Particle size-dependent carbon source capture and carbon allocation pathways by activated sludge

　　

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  研究了颗粒尺寸对活性污泥碳源捕获的影响。
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  较小的污泥颗粒表现出更高的碳源捕获效率。
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  较小颗粒表现出增强的疏水性和降低的静电斥力。
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  胞外聚合物中较高的聚核糖核苷酸含量在调节表面性质方面发挥了关键作用。
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  微生物活性的提高和絮体结构的改善促进了碳源捕获。

引言

随着对可持续发展日益增长的重视，碳中和正在全球范围内积极推进。在这一全球背景下，污水处理厂（WWTPs）的节能、减耗和能量回收已成为关键研究方向。目前，作为大多数污水处理厂（WWTPs）基石的活性污泥工艺本质上属于高能耗工艺。先前的研究表明，中国污水处理厂的能耗约占全国总用电量的1%（Zhang等，2021），如此高的能源需求对实现可持续发展构成了挑战。城市污水中的有机质含有可回收的化学能，典型能量密度约为1.9 kWh m^?3（McCarty等，2011）。然而，由于传统污水处理主要以污染物去除为目标，在传统活性污泥工艺中，相当一部分进水有机碳在曝气过程中被氧化，而非转移到污泥相中，从而限制了污水中有机质的回收以用于后续的厌氧消化和能量回收。近年来，污水处理正经历向能量和资源回收的范式转变。实现高效能污水处理的重要途径之一，是通过吸附、生物絮凝、物理截留和胞内储存等方式，在污水处理工序的前端捕获进水有机碳，将有机物浓缩为富含碳的污泥，最终通过污泥厌氧消化回收化学能。奥地利斯特拉斯污水处理厂采用吸附-生物降解（AB）两级活性污泥工艺，增强了污水碳源捕获，并与污泥厌氧消化和热电联产相结合，已被报道为代表性的能源自给型污水处理厂（Schaubroeck等，2015）。此外，一项处理进水COD浓度约为350 mg L^?1城市污水的高速活性污泥系统表现出较高的COD回收率和生物甲烷潜力（Carrera等，2022）。这些报道的研究表明，城市污水由于流量大且连续稳定，具有可观的能源回收潜力，其碳源捕获具有实际应用价值和广阔的应用前景。

目前，碳源捕获技术主要包括生物、化学和物理方法。典型代表包括高速活性污泥（HRAS）工艺、化学强化一级处理（CEPT）和膜分离技术（Mollahosseini等，2025）。在现有方法中，活性污泥工艺因运行成本相对较低且可采用较为简单的处理工艺而被广泛应用于碳源捕获（Carrera等，2022）。尽管具有这些优势，活性污泥在实际污水处理应用中的碳源捕获效率仍往往不尽如人意。活性污泥的碳源捕获性能受多种因素影响，包括运行条件以及污泥特性，如微生物活性、絮体形态和表面性质，这些因素均可能改变其与碳底物相互作用和保留的能力。因此，深入研究影响活性污泥碳源捕获的因素对于当前工艺优化和捕获效率提升至关重要。

活性污泥由具有宽粒度分布的多孔微生物聚集体组成。不同大小的污泥絮体之间在比表面积、微生物群落结构、代谢活性和胞外聚合物组成方面存在显著差异。这些差异被发现直接影响碳源的吸附和胞内储存（Han等，2012）。粒径在决定污泥絮体表面特性、传质效率和微生物活性方面起着重要作用，因此可能影响碳源捕获效率（Gao等，2024）。然而，活性污泥粒径系统地调节碳源捕获性能的机制仍缺乏深入理解，特别是关于不同大小污泥絮体碳源捕获行为的系统比较。此外，污水中的碳源通常按其物理形态分为颗粒态、胶体态和溶解态有机物。不同形态的碳源在迁移、吸附和储存方面表现不同（Jimenez等，2015），这反过来会影响它们被活性污泥捕获的效率。因此，考察具有不同粒径的活性污泥在捕获这些不同形态碳源方面的表现，对于改进碳源捕获策略及相关工艺具有重要意义。

本研究聚焦于粒径如何影响活性污泥对城市污水中不同形态碳源的捕获能力。为此，研究了不同粒径污泥分级的表面性质和微生物活性。此外，从表面热力学的角度解释了不同大小污泥颗粒与各种碳源形态之间的相互作用。具体而言，将活性污泥分离为五个粒径分级，系统定量评估了它们对tCOD、sCOD和pCOD + cCOD的捕获效率，并区分了吸附、胞内储存和同化的贡献。本研究的新颖性在于建立了污泥粒径、碳源捕获效率和碳分配途径之间的定量关系，确定了在试验条件下有利于有效碳源捕获的粒径范围，并为基于调节污泥粒径分布优化前端城市污水碳源捕获工艺提供了基础支撑。

章节摘要

反应器运行

活性污泥取自某市政污水处理厂的曝气池，然后引入工作体积为3.75 L的SBR中。安装在线探针监测DO、pH和温度。在整个实验过程中，DO水平维持在2 mg L^?1。反应器按6 h周期运行，体积交换比为40%，温度维持在25 °C。关于运行模式和各SBR周期参数的附加信息见

不同粒径活性污泥的碳源捕获效率与碳平衡

不同粒径活性污泥分级对tCOD、sCOD和pCOD + cCOD的捕获效率及捕获量的时间变化如图1a–f所示。对于所有粒径，tCOD捕获效率在前0-70 min内迅速增加，随后在接下来的60 min内以较慢速率增加。这一趋势可归因于随捕获过程的推进，活性污泥上可用结合位的逐渐减少（Barczak和

结论

本研究探讨了粒径对活性污泥碳源捕获的影响及其潜在机制。较小污泥颗粒的碳源捕获效率明显高于较大颗粒。观察到碳源捕获存在显著的粒径依赖性。88 μm的污泥颗粒表现出更高的碳源捕获效率，tCOD捕获效率达到65.95%。吸附和储存被确定为主要的

CRediT作者贡献声明

Jia Hou：原稿撰写、调查研究、数据整理。Ming-Ying Mao：验证、调查研究。Jie-Yuan Wang：方法论、调查研究、数据整理。Peng Yan：审阅与编辑、形式化分析、概念构思。Yuan-Xiang Mao：调查研究。Ji-Cheng Liu：调查研究。You-Peng Chen：审阅与编辑。Meng-Jiao Gao：审阅与编辑、资金获取、形式化分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到重庆市人力资源和社会保障局支持项目（cx2024032）和重庆市科学技术委员会支持项目（CSTB2024YCJH-KYXM0077）的资助。

Jia Hou|Ming-Ying Mao|Jie-Yuan Wang|Peng Yan|Yuan-Xiang Mao|Ji-Cheng Liu|You-Peng Chen|Meng-Jiao Gao