分阶段污染负荷调控耦合水力停留时间优化：微藻 - 细菌颗粒污泥处理模拟猪场废水在不同负荷条件下的处理性能与适应性机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phase-wise pollution load regulation coupled with HRT optimization: Treatment performance and adaptive mechanisms of microalgal-bacterial granular sludge for simulated piggery wastewater under varying loading conditions

　　

摘要

养猪废水具有污染物复杂、污染负荷高等特点，对传统处理工艺构成挑战，并阻碍了其资源化利用。微藻 - 细菌颗粒污泥（MBGS）具有独特的微藻 - 细菌协同优势，但在此方面的应用研究仍然不足。为弥补这一空白，本研究通过分阶段污染负荷调控及随后的水力停留时间（HRT）优化，系统调查了 MBGS 在不同负荷条件下处理模拟养猪废水的性能和适应机制。MBGS 在负荷调控期间实现了污染物稳定去除，随后的 HRT 优化显著提升了其性能，COD、NH₄⁺-N 和 TP 的平均去除效率分别达到 73.4%、82.2% 和 82.3%。值得注意的是，在高负荷和中负荷阶段分别观察到颜色由红变绿的变化，这对应于红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）的富集及随后光合活性的下降，且沉降性能持续改善。宏基因组分析显示，在高负荷阶段，Rhodopseudomonas 主导碳降解和同化氮去除，而在中负荷阶段优化 HRT 下，异根瘤菌属（Allorhizobium）和阿里希瓦氏菌属（Alishewanella）等微生物通过关键代谢基因的阶段特异性富集表现出功能协同。本研究阐明了 MBGS 在动态负荷场景下处理养猪废水的适应机制和调控策略，为其高效生物处理提供了新的技术途径和科学依据。

引言

在全球推进绿色可持续水环境保护的努力中，畜禽养殖废弃物的无害化处理和资源化利用已成为制约生态和水环境质量提升的关键瓶颈 [1]。作为大规模养猪业产生的典型污染物，养猪废水具有污染物浓度极高且成分复杂的特点。它不仅含有大量的可生物降解有机物、高浓度的铵氮（NH₄⁺-N）、磷和悬浮固体，还富含病原微生物和抗生素抗性基因。例如，在养猪废水中经常检测到大肠杆菌（Escherichia coli）O157:H7、单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）、弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacterfreundii）、沙门氏菌（Salmonella）、弯曲杆菌（Campylobacter）、耶尔森氏菌（Yersinia）、隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第虫（Giardia）等致病性肠道细菌，并且在此类废水中也发现了高丰度的四环素和红霉素抗性基因 [2]。然而，养猪废水的实际成分根据养殖规模、收集方法、饲料成分和预处理工艺的不同而表现出相当大的变异性。对十家大型养猪场的实地调查显示，春季化学需氧量（COD）、总氮（TN）、NH₄⁺-N 和总磷（TP）的浓度范围分别为 1008-18479、205-2228、119-1936 和 32.6-306?mg/L，分别约为夏季的四倍 [3]。这种显著的季节性变化表明，实际养猪废水中的污染物浓度可以在很宽的范围内波动，为研究生物处理系统在不同负荷条件下的响应和适应机制提供了现实基础。基于区域估算，仅欧盟和亚洲地区预计每年分别产生约 2.28 亿吨和 9.45 亿吨猪粪 [4]。此外，欧洲养猪系统研究表明，只有约三分之一的膳食氮被动物保留，65-67% 的氮摄入量通过粪便和尿液排出 [5]。如果未经有效处理直接排放或还田，这种废水会直接导致土壤酸化、水体富营养化和有害藻类水华 [6]。NH₄⁺-N 在自然环境中也可通过微生物作用转化为硝酸盐，从而导致地下水硝酸盐污染 [7]。此外，这些污染物可通过食物链威胁人类健康，使得此类废水的处理成为控制畜禽养殖面源污染的持久挑战。因此，开发针对污染物浓度较高的养猪废水的高效、低耗且无二次污染的处理技术，是环境工程领域的迫切需求 [8]。

有机废水的传统处理技术在应用于养猪废水时表现出明显的局限性。例如，厌氧消化可以部分降解有机物并回收甲烷；然而，它需要 20-30 天的长反应周期，占地面积大，且对氮和磷的去除能力有限，因此需要额外的深度处理才能满足排放标准 [9]。好氧曝气工艺需要大量能量来维持溶解氧水平，导致运行成本高昂。例如，处理高浓度养猪场废水的 A/O-MBR 工艺实现了 86% 和超过 90% 的 COD 和 NH₄⁺-N 去除效率，但仅曝气单元就消耗 7.65 (kW·h)/m³，占总能耗需求的 56.48%，年温室气体排放达到 1364.41 t CO₂-eq [10]。混凝沉降和吸附等物理化学方法可以快速降低污染物浓度，但它们依赖大量化学药剂，这阻碍了污染物的资源回收，并与“双碳”目标背道而驰 [11]。这些缺点限制了这些技术在大规模养猪废水处理中的广泛应用。

近年来，好氧颗粒污泥（AGS）技术已应用于养猪废水处理 [12]，而 MBGS 作为一种相关的颗粒化技术，其在高负荷条件下处理养猪废水的处理性能和响应机制仍需深入研究。在此背景下，MBGS 技术因其独特的藻菌协同代谢，已成为高负荷条件下有机废水处理的研究热点。与常规活性污泥和单一微藻系统相比，MBGS 表现出高污染物去除效率 [13]、优异的沉降性能和低污泥产率等核心优势。同时，与常规活性污泥相比，它可以显著减少约 30%-60% 的曝气需求 [14]，从而具有更高的成本效益并具备低碳特征：系统中的微藻通过光合作用固定 CO₂ 以抵消温室气体排放，收获的生物质可转化为生物肥料或生物燃料，符合循环经济原则 [15]。然而，MBGS 在高负荷条件下对养猪废水的适用性在很大程度上仍未被探索。养猪废水中高浓度的 NH₄⁺-N（尤其是以游离氨，FA 的形式存在）和有机负荷可能对 MBGS 的结构稳定性、微生物群落网络和代谢途径施加多重胁迫 [16]。这些涉及微生物群落适应和代谢途径调控的核心机制尚不清楚，限制了 MBGS 在高负荷条件下处理养猪废水的工程应用。

因此，本研究以 MBGS 对模拟养猪废水的去除性能为中心，通过分阶段污染负荷调控与 HRT 优化相结合，阐明了其对负荷胁迫的响应机制。同时，系统调查了 MBGS 内微生物群落的动态演替和关键代谢途径的调控机制。这些发现验证了 MBGS 在高负荷条件下处理养猪废水的高效稳定性能，阐明了系统内的群落演替模式和代谢调控机制，为其工程应用提供了重要的科学和理论支持。

章节摘要

模拟养猪废水

本研究的核心目标是调查“分阶段污染负荷调控 + HRT 优化”对 MBGS 形态演化、微生物群落演替和污染物去除效率的影响。为了排除复杂基质的干扰，确保实验能够准确识别负荷调控与 MBGS 适应机制之间的因果关系，本实验使用的废水是在模拟制备的

MBGS 的形态演化

图 1a 显示，MBGS 的表面颜色随培养阶段发生显著且有规律的变化。在初始阶段（第 1 天），MBGS 表面呈黄褐色；到第 60 天，颗粒表面明显变红。这种颜色变化归因于 MBGS 内微生物组成的改变。到第 95 天，MBGS 表面颜色进一步转变为绿色，表明系统内表面微生物群落可能发生转变。

图 1b 显示，在

结论

本研究证明，MBGS 可以通过分阶段污染负荷调控结合 HRT 优化，在不同负荷条件下有效处理养猪废水。在高负荷下，Rhodopseudomonas 占主导地位，使颗粒变红并保持基线水平的碳氮去除。在切换至中负荷并将 HRT 缩短至 48?h 后，系统实现了高去除效率：COD 73.4%，NH₄⁺-N 82.2%，TP 82.3%。宏基因组分析揭示了从

CRediT 作者贡献声明

Bin Ji: 写作 – 审查与编辑，资金获取，概念化。Yihang Wang: 写作 – 审查与编辑。Yihang Dai: 写作 – 初稿，验证，软件，调查，正式分析，数据整理。

关于写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在准备本工作期间，使用了 ChatGPT 进行语言润色。使用这些工具后，作者对内容进行了审查和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本实验由国家自然科学基金（52270048）资助。

戴一航 | 王一航 | 纪斌

武汉科技大学城市建设学院给排水工程系，中国武汉 430065