《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Evaluating the role of iron dosing in sludge reduction in a sequencing batch reactor integrated with an anaerobic side-stream reactor
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摘要厌氧侧流反应器（ASSR）可以减少活性污泥系统中的污泥产量，尽管其负责机制尚不确定。本研究评估了铁投加在集成厌氧侧流反应器的序批式反应器（SBR）中污泥减少方面的作用。一个对照 SBR（SBR.C）和一个集成 ASSR 的 SBR.M 平行运行，依次施加 1 和 5 mg
摘要
厌氧侧流反应器（ASSR）可以减少活性污泥系统中的污泥产量，尽管其负责机制尚不确定。本研究评估了铁投加在集成厌氧侧流反应器的序批式反应器（SBR）中污泥减少方面的作用。一个对照 SBR（SBR.C）和一个集成 ASSR 的 SBR.M 平行运行，依次施加 1 和 5 mg Fe/L 的铁浓度。在 SBR.C 中，铁浓度从 1 增加到 5 mg Fe/L 使观察到的污泥产量从 0.401 增加到 0.523 g VSS/g COD；在 SBR.M 中从 0.209 增加到 0.275 g VSS/g COD。然而，在两种铁浓度下，观察到的污泥产量相对减少量保持在约 47%。较高的铁投加量也与 ASSR 中较低的溶解性 COD 和营养物浓度相关，这与有机物和营养物在污泥基质中保留更多相一致。在 5 mg Fe/L 时，质量平衡显示，ASSR 内部的直接污泥降解仅占较低污泥产量的一小部分。SBR.M 的污泥显示出较高的基质摄取量和较低的表观生物量产量，而额外的 COD 摄取并未伴随成比例的净聚羟基脂肪酸酯或糖原积累。这些发现表明，铁主要改变了污泥基质内的有机物保留，而 SBR.M 中较低的污泥产量更多地与碳利用方式的改变有关，即基质摄取增加并未伴随成比例的净生物量形成。
引言
污水处理厂（WWTP）系统中大量的污泥产量是全球性的重要问题，占总运营成本的 30-50% [1]。目前，污泥处理主要在末端进行以减少污泥体积。然而，文献中报道了多种原位最小化污泥产量的方法，包括化学和生物方法 [2]。一种方法是在回流污泥管线上使用厌氧侧流反应器（ASSR）。ASSR 的原理是在外部厌氧反应器中将活性污泥暴露于厌氧氧化还原条件下，然后将其返回到主好氧反应器 [3]。在回流污泥管线上应用 ASSR 可根据运行条件将观察到的污泥产量减少 20%-60% [4], [5]。
已提出几种机制来解释这种减少，包括直接生物量衰减、胞外聚合物（EPS）的降解及后续重新利用，以及在重复厌氧 - 好氧暴露下基质利用与生物量形成之间耦合关系的改变 [6], [7]。ASSR 的运行条件，如固体停留时间（SRT）、氧化还原电位（ORP）和污泥交换比（SIR），影响污泥减少的程度，表明机制可能取决于厌氧暴露的强度和持续时间 [4], [8], [9]。最近基于氧化 - 沉降 - 厌氧（OSA）的配置也结合了间歇曝气、附着生长和侧流产酸，在保持碳和营养物去除的同时实现低净污泥产量 [10]。然而，由于几种生物和物理化学过程同时发生，它们对净污泥减少的相对贡献仍难以区分。
铁可能会促进这些过程，因为铁盐常被添加到污水处理厂中用于除磷，并通过与蛋白质和腐殖质物质的络合和阳离子桥接改变污泥转化 [11], [12]。在 Cannibal? 系统中，据提出 Fe(III) 会在好氧条件下与腐殖质和蛋白质形成络合物，而在厌氧条件下，Fe(III) 还原为 Fe(II) 可能会使这些络合物不稳定并释放可生物降解的基质，随后在好氧阶段重新利用，从而有助于降低污泥产量 [13], [14]。铁和有机物之间这种可逆相互作用也可能改变不同氧化还原条件下的基质可及性和微生物生长产量 [15]。然而，关于铁添加对侧流污泥减少系统影响的实验研究报告了矛盾的结果。Yagci 等人 [15] 报道在 OSA 系统中随着铁可用性的增加，污泥减少增强，而 Semblante 等人 [16] 观察到铁添加减少了固体破坏并增加了污泥基质内有机物的保留。然而，我们之前的物理化学间歇研究表明，铁介导的蛋白质和腐殖质之间的相互作用在好氧和厌氧条件下都降低了水解速率 [12]。此外，在我们之前的长期反应器实验中，尽管没有故意投加铁且仅存在微量铁浓度，但 ASSR 与 SBR 的集成将观察到的污泥产量减少了约 38% [17]。总的来说，这些发现表明，在没有故意添加铁的情况下也会发生大量的污泥减少，而增加铁可用性对集成 ASSR 系统中污泥减少的影响仍未解决。
为了解决这一差距，本研究评估了铁投加如何影响集成 ASSR 的 SBR 中的污泥减少。它研究了铁从 1 增加到 5 mg Fe/L 是否改变了观察到的污泥产量和有机物保留，以及集成系统中较低的污泥产量是否更好地由 ASSR 内的直接降解或循环厌氧 - 好氧条件下碳分配的变革所解释。区分这些机制在实践中很重要，因为它决定了 ASSR 运行应优化以增强直接污泥降解，还是控制循环氧化还原暴露和生物量生长效率。这些发现也与使用铁盐除磷的 WWTP 相关，因为现有的铁投加可能会影响预期从实施 ASSR 获得的污泥减少效益。
章节片段
实验装置和运行条件
本实验使用了两个实验室规模的处理系统，如图 1 所示。第一个反应器是一个 4 L 的 SBR，用作对照（SBR.C），第二个反应器是一个 4 L 的 SBR（SBR.M），与一个 2 L 的 ASSR 耦合作为主反应器。所有反应器均配备了搅拌器、pH/ORP 和 DO 探头（Endress+Hauser，荷兰）、蠕动泵（Watson-Marlow 120 U/DV-220Du-323，美国），并由 LabVIEW（National Instruments，美国）和可编程逻辑控制器自动控制。
投加铁期间的反应器性能
在 1 和 5 mg Fe/L 运行期间，SBR.C 和 SBR.M 的 COD 去除率均保持相对稳定，约为 80–90%，出水 COD 浓度通常低于 100 mg/L（图 2a 和 2b）。在每个铁投加量下，SBR.M 的 COD 去除性能与 SBR.C 相当，表明 ASSR 循环并未恶化 COD 去除。ASSR 集成对氮转化的影响不太均匀。在两种铁投加量下，SBR.C 保持 NH4+-N 去除率高于 90%，而
结论
本研究评估了铁投加的作用以及控制集成 SBR-ASSR 系统中较低污泥产量的机制。增加铁投加量增加了 SBR.C 和 SBR.M 中观察到的污泥产量，并增强了污泥基质内有机物和营养物的保留，而观察到的污泥产量相对减少量保持在约 47%。质量平衡显示，ASSR 内的直接固体降解仅占...的有限比例。
CRediT 作者贡献声明
Muhammad Fauzul Imron: 撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。 Lenno van den Berg: 撰写 – 审查与编辑，验证，监督，方法论，概念化。 Alexander Hendriks: 撰写 – 审查与编辑，验证，监督，方法论，概念化。 Ralph E.F. Lindeboom: 撰写 – 审查与编辑，验证，监督，方法论，概念化。 Merle de Kreuk: 撰写 –
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，这些利益或关系可能看起来会影响本论文中报告的工作。
致谢
作者感谢印度尼西亚共和国财政部和印度尼西亚教育基金局（LPDP）资助第一作者的博士项目。作者还要感谢 Waterkracht 集体，包括 Waterchap Zuiderzeeland、Waterchap the Vallei & Veluwe、Waterchap the Rijn en IJssel、Waterchap the Vechtstromen 和 Waterchap Drents Overijsselse Delta，以及荷兰的 Haskoning，支持本研究。第一
Muhammad Fauzul Imron|Lenno van den Berg|Alexander Hendriks|Ralph E.F. Lindeboom|Merle de Kreuk
印度尼西亚艾尔斯大学科学与技术学院生物系环境工程研究项目，UNAIR C 校区，Mulyorejo 路，泗水 60115，印度尼西亚
