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颗粒活性炭对好氧污泥颗粒化的影响及其机理
JiaTaoaLianQinaXiaoyingLiubBolinLiaJunnanChenaJuanYouaYitianShenaXiaoguoChenac
强调：
颗粒活性炭在EBPR条件下加速了活性污泥的颗粒化。
颗粒活性炭对颗粒污泥的细菌群落结构无明显影响。
提出了一种颗粒活性炭对污泥造粒的影响机理。
在好氧颗粒污泥系统同时脱除COD，氮和磷。
摘要
在厌氧和好氧交替条件下，研究了颗粒活性炭（GAC）对于活性污泥颗粒化的影响。结果表明，GAC加速了颗粒污泥的形成，但对颗粒污泥的细菌群落结构没有明显的影响。整个颗粒化过程可分为三个阶段，即滞后阶段、颗粒化阶段和颗粒污泥成熟阶段。在滞后期间，GAC为污泥附着提供了核，从而增强了污泥的形态规整化。在颗粒化期间，由于颗粒中细菌的生长，颗粒污泥大小显著增加。GAC减少了颗粒间碰撞引起的压缩，从而加速了颗粒化。GAC对SBR的性能没有负面影响，因此在大部分操作时间内同时获得了COD，氮和磷的有效去除。
关键词
好氧颗粒污泥；颗粒活性炭；增强型生物除磷；颗粒化；机理
- 引言
增强型生物除磷（EBPR）是一种废水处理工艺，在交替的厌氧和好氧条件下运行，在厌氧阶段提供基质（Lin et al。，2003）。它是为了在不使用化学沉淀的情况下有效去除磷（P）而发展的，并且是一种相对便宜且可持续的从废水中去除P的方法（Mielczarek等，2013）。EBPR工艺已在全球废水处理厂中采用（Li et al。，2015）。迄今为止，大多数EBPR工艺都是基于悬浮的生物质培养，这可能会遇到许多问题，例如污泥膨胀，大的处理厂空间和很高的废污泥产量（Lin et al。，2003）。最近好氧颗粒污泥系统已经受到废水处理方面的全面关注。好氧颗粒污泥是在废水处理过程中在某些条件下自固定化的微生物（Liu和Tay，2004）。与传统的活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有规则，致密，坚固的结构和良好的沉降性能，因此能够保持一个高生物量并能承受高强度废水和冲击负荷（Lin et al。，2003）。因此，好氧颗粒污泥系统已成为一种有前途的废水处理技术。
大多数对好氧颗粒污泥进行的研究都集中在去除氮和COD的能力上，而很少强调去除磷（Di Bella和Torregrossa，2013，Liu和Tay，2004，Zhang等，2016）。然而，好氧颗粒在交替的厌氧和好氧SBR中也成功得到了发展（Lin等，2003，Wu等，2012）。这暗示了在EBPR条件下可以用好氧颗粒污泥同时进行硝化，反硝化和除磷，这可能可以为同时去除COD，氮和磷提供有前途的技术（Kagawa等，2015）。
从絮凝污泥发展到好氧颗粒污泥通常需要很长的启动期，特别是在EBPR条件下，并且这一期间生物量的损失可能导致营养物去除性能差（Verawaty等，2012）。这些缺点阻碍了该技术在真正的废水处理中的应用。因此，已经提出了不同的策略来增强好氧颗粒污泥的形成。以前的研究已经证实，添加Ca2 等金属离子可以通过形成能被细菌附着的核来加速好氧颗粒污泥的启动（Liu和Tay，2004）。最近添加颗粒活性炭（GAC）也被证实可以通过为细菌提供核来加速好氧污泥颗粒化（Li等人，2011，Zhou等人，2015）。此外，GAC的使用给好氧颗粒污泥提供了强核心，因此可以帮助维持成熟颗粒污泥的长期稳定性（Li等人，2011）。尽管添加GAC已被证明是一种简单有效的可以启动颗粒形成以完成污泥颗粒化的策略，但其机理尚不清楚。此外，GAC能否在EBPR条件下加速颗粒化尚不清楚。此外，尽管已经描述了好氧颗粒污泥的若干假设和数学模型，但仍然没有一个完整的颗粒化过程图（Liu和Tay，2004，Zhang等，2016）。 因此，需要进一步研究。
在该研究中，用两个序批式反应器（SBR）进行实验室实验，以研究GAC对EBPR条件下好氧颗粒污泥形成的影响。在整个实验中表征和比较两个反应器中污泥的形态和物理性质的动态。此外，通过HiSeq PE250（Illumina，USA）上的高通量测序分析了颗粒化前后污泥的细菌群落结构，并且还研究了GAC对其的影响。 本研究的目的是确定在EBPR条件下颗粒形成的机理，并推断GAC对颗粒化过程可能的影响机理。
2．材料与方法
2.1.反应器设置和操作
将好氧颗粒污泥在两个相同的具有4L工作体积的SBR中培养。反应器的直径为15厘米，高/直径（H / D）比为2：1。通过反应器底部的空气吹扫以400ml / min的气流速率供应用于通气的细小气泡。两个反应器，即反应器A（RA）和反应器B（RB），接种来自当地活性污泥污水处理厂（中国武汉）的4g / L接种污泥并行操作。作为对照组，RA在没有GAC的情况下运行，而RB用14.5g GAC（直径0.125-0.300mm）接种。反应器每天以交替的厌氧 - 好氧条件进行五个循环，体积交换比为50％。 每个循环持续4.8小时，包括1分钟的合成废水进料，99分钟的厌氧搅拌（110转/分钟），150-175分钟的好氧反应，30-5分钟的沉淀，1分钟的废水排放，其余的时间闲置。在厌氧和好氧反应期间，搅拌器速度保持在110rpm。 用水浴将反应器的温度保持在25℃。 通过时间控制器自动操作反应器。
2.2.合成废水
合成废水的组成如下（mg L-1）：CH3COONa，513，对应的载荷率为1.0kg COD /（m 3·d）; NH4Cl，153; KH2PO4,40.6; K2HPO4,46.3;蛋白胨，26; Na2EDTA，38.2; CaCl2,100;另外，加入由下列组分组成的微量元素溶液（mg L-1的合成废水中）：H3BO3,0.45; MgSO4·2H2O，138。 FeCl3,4.5; ZnSO4·7H2O，0.36; CuSO4·5H2O，0.09; MnCl2·4H2O，0.44; KI，0.54; Na2MoO4·2H2O，0.18和CoCl2·6H2O，0.45。
2.3. 分析方法
参数包括TN，NH4 -N，TP，PO43--P，化学需氧量（COD），污泥体积指数（SVI30），混合液悬浮固体（MLSS），混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）和污泥比重按照标准方法（APHA，1998）进行分析。使用数码相机（Nikon Eclipse Ci）以定期的时间间隔拍摄污泥图像，并使用如Beun等人，2002，Su和Yu，2005所描述的ImageJ处理Feret直径和圆度分析。成熟颗粒污泥的平均粒径在第150天通过激光粒度分析系统（Mastersizer 2000）测量。
2.4.微生物群落组成
为了研究颗粒化过程中细菌群落结构的动态和GAC效应，使用新一代测序（NGS）研究了接种污泥和成熟颗粒污泥（第150天）中的细菌群落组成。分别从接种污泥（AS）和成熟颗粒污泥RA（GS）和RB（GSC）中取出三个平行污泥样品。根据制造商的说明，用PowerSoil DNA分离试剂盒（MO-BIO，USA）提取细菌DNA。使用通用引物341F（5#39;-CCTAYGGGRBGCASCAG-3#39;）和806R（5#39;-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3#39;）扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4区域，并对每个样品混合PCR产物。在纯化和定量后，通过Novogene（诺禾致源） 生物信息学技术Co.，Ltd。（中国北京）在HiSeq 2500（Illumina，USA）上对扩增子进行测序。
从原始序列数据中去除引物后，使用FLASH合并来自每个样品的配对末端读数。为了获得有效的标签，使用QIIME软件包过滤原始标签。 然后通过UCHIME（http://drive5.com/usearch/manual/uchime_algo.html）鉴定嵌合体序列并从有效标签中除去。UPARSE（二代高通量测序数据分析流程）管道用于分析读数和以97％序列同一性聚类操作分类单位（OTUs）。通过选择该OTU中最丰富的序列为每个OTU挑选代表性序列，并且使用RDP分类器将分类学数据分配给每个具有80％置信度阈值的代表性序列。然后将所有样品标准化以确保每个样品中相同数量的序列。 使用QIIME软件包计算标准化数据集的丰富度估计值和多样性指数。
3.结果与讨论
3.1. SBR的表现
两个反应器的性能如图1所示。除了第20天和第29天之间的明显波动外，实验期间COD去除率高于80
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