前言
2020 年 8 月，深圳大学孙世昌课题组在 Environmental Research（IF：5.715）杂志在线发表了题为“Positive Effects of Zeolite Powder on Aerobic Granulation: Nitrogen and Phosphorus Removal and Insights into the Interaction Mechanisms”的研究论文，深入解析了污水处理过程中，沸石粉对好氧颗粒污泥造粒、脱氮除磷的强化作用及其相互作用机理。
文章中微生物多样性实验由欧易生物完成。
研究背景
好氧颗粒污泥（Aerobic granular sludge，AGS）被认为是21世纪最有前途的生物废水处理技术之一。然而好氧颗粒污泥制粒时间长，污染物降解能力弱（主要是由于微生物群落结构不稳定），严重限制了其普及和大规模应用。有研究发现好氧造粒过程中添加生物炭可以诱导吡啶降解和聚集相关的物种增加，促进污泥造粒和难降解有机废水中污染物的降解。在此背景下，本研究试图确定一种以诱导聚集和脱氮除磷相关菌株的积累，以增强好氧造粒，提升脱氮除磷的效果。
实验设计
研究结果
1. 沸石粉对AGS造粒的影响
1.1 AGS造粒的动力学
污泥造粒的过程主要体现在污泥的性质和形态变化上，SVI能够准确评价和反映活性污泥的团聚沉降性能。在反应器运行过程中，我们观察到三个反应器在启动过程中MLSS变化趋势相似，SVI整体呈下降趋势，这表明在好氧造粒过程中，污泥的沉降性能逐渐提高。对三个SBR中的SVI进行比较表明，在整个造粒启动过程中，沉降性能遵循SBR1>SBR3>SBR2的顺序（Sequence batch reactor，SBR）。这说明沸石粉的加入有利于活性污泥的混凝沉降性能。
图片说明：3种AGS反应器中a）混合液悬浮固体浓度（MLSS）和b）污泥容积指数（SVI）的变化
1.2 微观形态学分析
AGS的微观形态清楚地显示了微生物在AGS表面的分布，可以更好地预测其生长状态。扫描电镜观察发现，三种AGS表面均有多个孔，且表面不均匀，这有利于营养物质的输送和代谢物的排出。SBR1中AGS主要以短杆菌和链球菌为主，表面嵌有少量的累枝虫（SBR2和SBR3中没有发现原生动物）。这说明沸石粉载体反应器中的AGS较其他两个反应器更容易达到成熟稳定状态。
图片说明：扫描电镜下不同载体好氧颗粒污泥在18 天时的微观结构
1.3 好氧颗粒污泥造粒的机制
AGS的形成是物理、化学和生物相互作用的结果。沸石的主要成分是氧化铝和二氧化硅，它具有多孔结构，排列良好的晶体腔和孔道，具备形成AGS的基本骨架结构。在颗粒形成的早期阶段，沸石粉可以提供微生物附着和生长的核心。还能促进污泥絮凝体在其上的粘附和聚集。此外，沸石粉强大的吸附力与水流、扩散、重力、热、细胞间作用力等物理作用力结合，可能会增加团聚体之间的有效碰撞。因此，在造粒过程中，沸石粉的多个颗粒可能与微生物发生碰撞、聚集并最终粘附在一起，形成规则的AGS，而沸石粉被随机地包埋在AGS中。在SBR操作过程中，AGS相对容易解体，这可能是由于氧和传质的限制，导致养分和内部溶解氧不足，从而导致内部微生物裂解。沸石粉中储存的营养物质和气体缓解了这一现象，更有利于AGS的稳定性。
图片说明：沸石粉增强污泥造粒机理
2. 脱氮除磷的动力学研究
为了探究载体存在下微生物对造粒过程中污染物的降解效果，我们比较了3种SBR中COD、NH4+-N、TP和TN的去除率。总体而言，下图的去除率曲线在整个启动阶段呈上升趋势。反应器去除这四种污染物的性能顺序如下：SBR1 > SBR3 > SBR2。这种现象在NH4 +-N、TN和TP的去除中更为明显。这些数据表明，壳聚糖载体的添加对造粒过程中N和P的生物去除有抑制作用，而沸石粉载体的添加则有促进作用。
图片说明：三种SBR好氧造粒过程中污染物的去除率
3. 好氧颗粒污泥微生物群落和菌群功能分析
3.1 好氧颗粒污泥微生物的丰度和多样性
优势种往往反映了群落结构的主要特征，本研究选取丰度在“T·op 15”的物种绘制相对丰度堆叠条形图和物种分类热图。在所有的AGS样品中优势物种为Zoogloea（17.53-42.10%）、Azoarcus（5.15-11.61%）、Dechloromonas（2.01-6.49%）和Flavobacterium（1.88-5.15%）。物种丰度热图显示3种AGS的优势种组成存在显著差异。这些结果表明，不同载体对污泥造粒区系结构的驯化效果可能不同，这导致了各自AGS微生物群落和丰度的差异。
图片说明：3种好氧颗粒污泥微生物群落及其相对丰度的比较2）微生物群落直方图；b）物种丰度热图
3.2 优势物种的功能及其内在机制
一般而言，反应器中主要微生物群落的功能特征和活性在很大程度上反映了其对污染物的处理能力。为了探究这些微生物群落在造粒和脱氮除磷方面的内在机制，我们对细菌的代谢特征和功能进行了分类和定量。在“T·op 13”丰度较高的细菌属中，反硝化细菌属占优势。主要的反硝化细菌为Zoogloea，其在SBR2中相对丰度最高。Zoogloea对有机物有很强的生物吸附和氧化分解能力，它是活性污泥除氮除磷的主要菌属，是污泥絮凝的关键菌株。根据3个SBR中Zoogloea的形态和结构，Zoogloea的活动是排序如下：SBR1 > SBR3 > SBR2。由于壳聚糖的抗菌性能，其抗菌性能较好SBR2中的AGS颗粒疏松，活性低，对有机物的吸附降解能力差。因此，尽管SBR2中Zoogloea的相对丰度最高，但并不能达到良好的氮磷去除效果。与SBR3相比，沸石粉对N和P的“早期快速吸附，后期缓慢平衡”的作用进一步提高了SBR1对N和P的去除率。更重要的是，沸石粉与微生物的物质和能量交换功能之间形成稳定的良性循环，有利于微生物活性和颗粒稳定性的维持。
图片说明：对好氧颗粒污泥中属水平相对丰度T·op 13的物种进行功能分类和定量分析
研究结论
这项研究调查了沸石粉末载体对好氧颗粒污泥造粒以及脱氮除磷的影响。与添加脱乙酰壳多糖的载体和不添加脱乙酰壳多糖的载体相比，添加沸石粉末可将污泥颗粒化流程周期减少到18天。沸石粉富含矿物质，其较高的孔隙率为微生物提供了良好的物质和能量交换条件。此外，沸石粉对氮和磷的吸附促进了脱氮除磷细菌的健康生长，从而提高了去除效率。总体上，沸石粉增强了污泥的颗粒化，并改善了氮和磷的去除率。
参考文献
Lin H , Ma R , Lin J , et al. Positive Effects of Zeolite Powder on Aerobic Granulation: Nitrogen and Phosphorus Removal and Insights into the Interaction Mechanisms[J]. Environmental Research, 2020:110098.