集成厌氧侧流反应器的序批式反应器中污泥减量机理研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Insights into sludge reduction in a sequencing batch reactor integrated with an anaerobic side-stream reactor

　　

摘要：污泥产量仍是 wastewater treatment 中的主要挑战，将厌氧侧流反应器（anaerobic side-stream reactor，ASSR）集成到回流活性污泥线中是一种有前景的就地污泥减量技术。为此，本研究考察了在延长侧流停留条件下，集成ASSR的序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）的就地污泥减量性能与内部机制。结果表明，该构型使观测污泥产率降低了42%（0.288→0.166 g VSS/g COD），同时保持了85%–90%的稳定COD去除率。铵氮去除率保持较高，尽管运行期间部分时段出现硝酸盐积累，表明氮转化并非完全稳定。总磷（total phosphorus，TP）去除率在运行初期最高可达98%，同时ASSR中磷酸盐释放量高达250 mg PO₄^3--P/L，表明形成了富磷侧流。然而，TP去除率和磷酸盐释放在运行后期下降，表明该响应未能在整个实验期间持续。基于流量的简化VSS平衡表明，ASSR进出口的净VSS差值约相当于两系统污泥产量差值的25%。终点微生物群落图谱和预测功能图谱在各反应器间存在差异，与集成运行条件下的群落分化一致。然而，这些结果并未确定活性代谢途径。总体而言，系统整体观测污泥产率的降低反映了ASSR中固体转化、更长的生物量停留时间以及反复厌氧–好氧暴露的综合效应。

论文解读

一、研究背景与目的

在污水处理厂（WWTP）运行中，剩余污泥的产生是主要难题之一。全球范围内，WWTP每天每人产生约0.05–0.10 kg干固体污泥，欧洲国家年污泥产量平均达870万吨干固体，污泥处理与处置成本约为每吨脱水污泥75–100欧元，污泥产量大导致运行成本增加20%–30%，若管理不当还会引发环境问题。物理和化学方法（如臭氧氧化、氯化、热化学处理）虽可实现污泥减量，但存在成本高、产生副产物或抑制生物过程等缺点。厌氧侧流反应器（ASSR）因其较低运行成本，成为有前景的就地污泥减量替代技术。将ASSR集成于回流活性污泥线中，活性污泥先经厌氧池再返回好氧池，通过好氧/厌氧交替、延长污泥停留时间（SRT）及更广的氧化还原条件，促进代谢解偶联、细胞裂解、胞外聚合物（EPS）降解及慢速生长菌富集等机制，从而降低观测污泥产率。该构型虽与侧流强化生物除磷（S2EBPR）运行相似，但目标不同：S2EBPR主要通过短期厌氧暴露富集聚磷菌（PAOs）改善除磷，而ASSR主要通过长期厌氧生物转化实现污泥减量。

以往研究多关注整体污泥产率降低，但对ASSR内部污泥转化、磷酸盐释放动态、微生物群落变化及运行稳定性之间的关联关注不足，尤其对延长厌氧侧流暴露对EPS转化、磷酸盐释放稳定性及污泥沉降性能的影响仍需深入探究。为此，本研究评估了SBR–ASSR系统（ASSR名义SRT为10 d）的三个问题：（1）集成ASSR是否能在维持污水处理性能的同时降低观测污泥产率？（2）ASSR进出口净VSS变化相对于两系统污泥产量差值有多大？（3）反复经ASSR暴露如何影响磷动态、污泥沉降性能、颗粒特性和微生物群落结构？

二、研究技术方法概述

研究人员构建了两套实验室规模处理系统：对照序批式反应器（SBR.C）和集成ASSR的主序批式反应器（SBR.M）。两套SBR有效容积均为4 L，采用4 h周期运行（每天6个周期），水力停留时间（HRT）为12 h。SBR.C维持目标SRT 10 d，而SBR.M–ASSR组合系统有效SRT约46 d。合成废水基于荷兰Den Hoorn的Harnaschpolder WWTP进水特性配制。两系统接种污泥均取自该WWTP，其中ASSR接种物为经55°C半连续厌氧预处理调节的废活性污泥，以缩短启动期。系统驯化约90 d至COD去除稳定。研究期间测定了COD、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、TP/PO₄^3--P、MLSS、MLVSS、SVI、EPS组分（S-EPS、LB-EPS、TB-EPS）及粒度分布（PSD）。通过批次试验评估PAO活性，并采用16S rRNA基因扩增子测序（V3–V4区）和PICRUSt2预测功能谱分析微生物群落。观测污泥产率按累积污泥产量与累积消耗底物比值计算。

三、研究结果

3.1 污染物去除性能

SBR.C与SBR.M均维持了85%–90%的稳定tCOD去除率，SBR.M effluent略高波动但不影响有机物的去除。氨氮去除效率相近（SBR.C约83%，SBR.M约82%），但SBR.M平均effluent NO₃^--N浓度（3.6 mg/L）显著低于SBR.C（9.6 mg/L），可能与ASSR回流液提供碳源促进反硝化有关。TP去除方面，SBR.C平均为48%，SBR.M平均为75%，SBR.M在运行前约80 d内TP去除最高达98%，随后减弱。PAO活性试验显示，SBR.C污泥虽在厌氧期释放磷但好氧期无显著吸收；SBR.M污泥厌氧释磷后好氧吸收速率为1.93 mg/L/h；ASSR污泥厌氧释磷后转好氧2 h内浓度降至约80 mg/L，表明集成系统污泥保留了磷储存能力。

3.2 观测污泥产率降低与ASSR中的转化

SBR.C观测污泥产率为0.288 g VSS/g COD，SBR.M为0.166 g VSS/g COD，污泥产率降低约42%。ASSR中tCOD从入口16 g/L降至出口14 g/L（约减少11%），而sCOD从47 mg/L增至208 mg/L，NH₄⁺-N从12 mg/L增至66 mg/L，PO₄^3--P入口平均11.3 mg/L，出口达80–250 mg/L，但约70 d后释磷逐渐下降至125 mg/L。VFA（主要为乙酸和丙酸）在28 d时达最高98 mg/L，约75 d后显著下降。基于流量的VSS平衡表明，ASSR进出口净VSS减少约0.13 g VSS/d，仅相当于两系统污泥产量差（0.51 g VSS/d）的25%，说明大部分污泥减量来自整个集成系统的低净生物量形成和更高生物量周转。

3.3 污泥特性与沉降性能

SBR.C的MLSS维持在5–7 g/L，SBR.M中MLSS和MLVSS逐渐下降，ASSR中MLSS从16 g/L降至6 g/L。SBR.M的SVI范围93–221 mL/g，明显高于SBR.C（45–173 mL/g），但两系统effluent悬浮固体浓度相近（60–120 mg/L），排除了污泥流失导致产率降低的可能。总EPS浓度在ASSR中最低（25.35 mg/g VSS），SBR.C为38.72 mg/g VSS，SBR.M最高（45.86 mg/g VSS）；但溶解性EPS在ASSR中最高（3.67 mg/g VSS），表明厌氧停留使部分絮体基质溶解。PSD显示SBR.C主导粒径约176 μm，SBR.M约48 μm，ASSR约40 μm，细小颗粒增多与沉降性能恶化一致。

3.4 微生物群落与预测功能

SBR.C中优势菌门为变形菌门（Proteobacteria，41.8%）和拟杆菌门（Bacteroidota，28%）；SBR.M中Gemmatimonadota增至9.4%，Bdellovibrionota增至3.2%，Patescibacteria增至4.7%；ASSR中Bacteroidota占41.1%，Saprospiraceae（13.4%）、Gemmatimonadaceae（6.9%）等与聚合物降解相关类群富集。潜在PAO相关属（Dechloromonas、Gemmatimonas）在SBR.M中增加。PICRUSt2预测功能显示集成系统中有机物降解和能量转化相关通路相对增加，但这些是基于分类组成的推断而非直接活性测量。

四、讨论与结论总结

研究人员在讨论中指出，两系统相当的COD去除表明ASSR集成未损害有机物去除能力，SBR.M effluent稍高波动可能源于ASSR回流的溶解性微生物产物和水解EPS。NH₄⁺-N去除未受明显影响，但ASSR矿化产生的额外氨氮使SBR.M effluent氨氮仍与对照相当。SBR.M中NO₃^--N积累较低可能与ASSR回流有机物提供反硝化碳源有关，但由于未测TN、有机氮等，无法定量归因。初期较高的TP去除源于ASSR中水解发酵提供的碳源和PAO活性，但后期因污泥沉降恶化导致ASSR固体负荷降低、VFA产量和释磷能力下降，TP去除减弱。观测污泥产率降低42%是较长有效SRT和反复厌氧–好氧暴露共同作用的结果，ASSR直接固体破坏只贡献约25%，其余来自系统级低净生物量形成和更高周转。沉降性能恶化（SVI>200 mL/g）是主要的工程权衡，虽未影响effluent悬浮固体，但降低运行鲁棒性并减少ASSR固体负荷。ASSR与SBR体积比0.5仅是实验选择，而非全尺寸设计推荐。

研究结论为：（1）ASSR集成使观测污泥产率降低42%，同时维持COD和氨氮去除，effluent悬浮固体相近证实产率降低并非污泥流失；（2）ASSR中的净VSS减少仅部分解释产率降低，剩余差异源于较长有效SRT和反复厌氧–好氧暴露下的低净生物量形成和更高生物量周转；（3）ASSR运行初期增加VFA产量和磷酸盐释放，与较高除磷性能一致，但随ASSR固体负荷下降而减弱；同时污泥减量伴随细小絮体和SVI>200 mL/g，虽未在测试条件下增加effluent悬浮固体，但降低运行鲁棒性，构成主要工程权衡；（4）ASSR与SBR体积比0.5来自所选10 d侧流停留时间，并非全尺寸设计建议，未来应确定维持污泥减量并具可接受沉降性和更小ASSR体积的固体负荷、停留时间和污泥交换操作窗口，以建立全尺寸应用设计参数。该研究为ASSR集成系统的机理理解和工程优化提供了重要参考。