Impact of the substrate composition on enhanced biological phosphorus removal during formation of aerobic granular sludge  

底物組成對好氧顆粒污泥形成過程中強化生物除磷的影響  

來源：Bioresource Technology, Volume 337, 2021, Article 125482  

《生物資源技術》第337卷，2021年，文章編號125482  

 

摘要內容：  

研究通過兩階段實驗（階段I：142天，階段II：62天）探究不同碳源（揮發性脂肪酸VFAs、氨基酸、葡萄糖及其混合物）對好氧顆粒污泥（AGS）形成過程中強化生物除磷（EBPR）的影響。結果顯示：僅當VFAs作為單一碳源（SBR A/D）或混合物組分（SBR E）時，系統能實現穩定EBPR（PO?3?-P去除率>98%），并伴隨Accumulibacter富集（最高21.9 mg PO?-P·gVSS?1釋磷量）；而氨基酸（SBR B）和葡萄糖（SBR C）系統則導致EBPR不穩定（去除率67.8-80.6%）。VFAs系統產生顯著N?O排放（最高6.25%總氮），非VFAs系統則富集Burkholderiaceae（氨基酸）和Saccharimonadaceae（葡萄糖）菌群。  

 

研究目的：  

闡明復雜單體化合物（氨基酸、葡萄糖）與VFAs對AGS-EBPR系統脫氮除磷性能、微生物群落結構及N?O排放的影響，為工業廢水處理提供優化依據。  

 

研究思路：  

1. 多系統并行實驗：設計5個SBR反應器（SBR A：VFAs對照；SBR B：氨基酸；SBR C：葡萄糖；SBR D：階段II VFAs對照；SBR E：混合底物）。  

2. 性能監測：追蹤PO?3?-P/COD去除率、污泥形態（SVI、DV50）、溶解性有機碳（DOC）厭氧攝取及釋磷量（圖1）。  

 

3. 氣體排放分析：采用Unisense微電極監測N?O動態排放（表3）。  

 

4. 微生物解析：qPCR定量Accumulibacter/Competibacter，16S rRNA測序分析群落結構（圖4-5）。  

 

 

5. 外源底物驗證：通過外批次實驗測試不同底物對非適應污泥的EBPR活性（圖2-3）。  

 

 

測量數據及研究意義：  

1. PO?3?-P去除率（表1）：  

 

 

   ? SBR A/D/E >98%（穩定EBPR），SBR B/C ≤80.6%（波動大），證實VFAs是EBPR穩定的關鍵。  

 

2. 厭氧釋磷量（圖1）：  

   ? SBR A達21.9 mg P·gVSS?1（VFAs），SBR B/C ≤4.1 mg P·gVSS?1，揭示非VFAs底物抑制聚磷菌代謝。  

 

3. 污泥形態（表2）：  

 

 

   ? 所有系統DV50增大（141→235μm）、SVI降低（73.3→38.4 mL·gMLSS?1），證明復雜底物不影響顆粒化進程。  

 

4. N?O排放（表3）：  

   ? VFAs系統排放量更高（SBR D：6.25%），關聯Accumulibacter富集和反硝化酶（nosZ）抑制。  

 

5. 微生物豐度（圖4）：  

   ? SBR A/D/E中Accumulibacter占主導（>101? cells·gVSS?1），SBR B富集Burkholderiaceae（氨基酸直接利用菌），SBR C富集Saccharimonadaceae（葡萄糖發酵菌）。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義：  

采用Unisense N?O微電極（未明確型號，推測分辨率≤50μm）監測反應器液相N?O濃度（表3），其意義在于：  

1. 高時空分辨率：實時捕捉瞬態N?O排放峰值（如SBR D最大速率20.3 μg N?O-N·gVSS?1·h?1），揭示VFAs系統在好氧期因PHA緩慢降解導致反硝化不完全（nosZ酶活性抑制）。  

2. 代謝路徑關聯：非VFAs系統（SBR B）未檢測到N?O，結合其低DOC厭氧攝取（51.5%）和高COD泄漏，證實氨基酸系統通過異養反硝化實現N?O零積累，為工藝選擇提供減排依據。  

3. 量化貢獻率：精確計算N?O-N排放占總氮比例（0-6.25%），量化不同底物對溫室氣體排放的貢獻，填補復雜廢水AGS系統N?O動態數據空白。  

 

結論：  

1. 底物依賴性：穩定EBPR需VFAs作為主要碳源（直接或混合），其促進Accumulibacter富集和高效釋磷（>21 mg P·gVSS?1）；氨基酸/葡萄糖系統則富集特殊菌群（Burkholderiaceae/Saccharimonadaceae），導致EBPR不穩定。  

2. N?O排放機制：VFAs系統高N?O排放（6.25%）與Accumulibacter的PHA反硝化代謝及nosZ抑制相關；氨基酸系統通過異養反硝化實現近零排放。  

3. 顆粒化普適性：所有底物均支持污泥顆粒化（DV50>200μm），VFAs提升胞外聚合物（ALE>400 mg·gVSS?1）含量。  

4. 工程啟示：處理含蛋白質/碳水化合物廢水時，需補充VFAs（≥33% COD）以穩定除磷，但需權衡N?O排放風險。