焦点提醒：TOP研究011｜湖南年夜学何秋来/武汉年夜学王弘宇：A/O/A同步硝化(内源)反硝化除磷颗粒污泥：进程、稳态和其机制 2021-01-21 09:17专栏寄语：水是与人类勾当关系最为紧密亲密的情况要素，水情况前沿科学研究也一直处在高度活跃的状况。科学研究没有起点，而颁发、出书是研究社区、学术生态不成或缺的主要一环。作为水行业专业期刊，我们一直努力在期刊特点成长，但愿为塑造生气勃勃的学术生态情况做出应有的进献。《中国给水排水》杂志与中信情况结合推出“Top Water Research”微信专栏，

TOP研究011｜湖南年夜学何秋来/武汉年夜学王弘宇：A/O/A同步硝化(内源)反硝化除磷颗粒污泥：进程、稳态和其机制2021-01-21 09:17

专栏寄语：水是与人类勾当关系最为紧密亲密的情况要素，水情况前沿科学研究也一直处在高度活跃的状况。科学研究没有起点，而颁发、出书是研究社区、学术生态不成或缺的主要一环。作为水行业专业期刊，我们一直努力在期刊特点成长，但愿为塑造生气勃勃的学术生态情况做出应有的进献。《中国给水排水》杂志与中信情况结合推出“Top Water Research”微信专栏，旨在传送国表里水情况研究TOP文献谍报，进一步鞭策学术交换合作。接待国表里的优异研究团队积极介入，分享你们的前沿研究功效。本专栏将延续播出，敬请存眷！

保举来由：自英国曼彻斯特建成活性污泥处置厂以来，首创了活性污泥法处置城市污水典范工艺，弥久不衰。但跟着经济快速成长，年夜量的C、N、P，和含盐、酚、纳米材料、抗生素等有毒无害物资进入水情况。同时陪伴城市化历程的加速，城市地盘资本开辟操纵受限，能耗高、占地较年夜的保守活性污泥工艺面对庞大挑战。

具有生物量多、沉度速度快、抗冲击负荷能力强、占地面积少等长处的好氧颗粒污泥手艺应运而生。好氧颗粒污泥兼有厌氧颗粒污泥和活性污泥的长处，是一种新型且具有利用潜力的生物手艺。自问世以来，该手艺备受国表里泛博学者的存眷。颗粒污泥的构成是一个复杂的物理、化学和生物进程。今朝好氧颗粒污泥的培育和不变运转是限制该手艺项目化利用的两个要害问题。基在此，湖南年夜学何秋来博士和武汉年夜学王弘宇传授团队分析研究了序批式生物反映器中好氧颗粒污泥同步硝化(内源)反硝化除磷的进程、优化运转和稳态调控和其相干问题，并获得了一系列的主要研究功效。这些研究功效颁发在情况范畴Chemical Engineering Journal，Journal of Hazardous Materials，Science of the Total Environment和Bioresource Technology等国际出名期刊。

——同济年夜学浙江学院、《中国给水排水》青年编委 刘俊 博士

研究布景

最近几年来跟着我国经济社会的快速成长，愈来愈多的含氮、磷污水进入天然水体中，形成富养分化、黑臭水体等各类水情况问题，亟需进行水污染节制和管理。水情况质量面对的压力迫使当局制订和实施更加严酷的污染节制策略和排放尺度。是以追求高效、低耗、无二次污染的氮磷去除手艺是现今水处置范畴的主要课题。好氧颗粒污泥是由微生物自凝集构成的非凡布局的堆积体，相较在保守活性污泥具有生物量多、沉降速度快、抗冲击负荷能力好、运转费用省等劣势，是一种有潜力的新兴污水生物处置手艺。好氧颗粒污泥自20世纪八九十年月被发觉以来，固然履历了持久的理论研究和实践验证，可是因为其构成进程和机制较为复杂，持久不变运转也有一些尚待处理的问题，该手艺的利用一直受限。是以，研究好氧颗粒污泥的造粒和稳态对处理这两年夜瓶颈问题相当主要。湖南年夜学何秋来博士和武汉年夜学王弘宇传授团队最近几年来分析研究了序批式生物反映器中好氧颗粒污泥同步硝化(内源)反硝化除磷的进程、优化运转和稳态调控，并按照颗粒污泥的特点为其赋能，探讨了利用在低负荷糊口污水，含盐、酚等有毒无害物资、纳米材料、抗生素等新兴污染物的(污)废水的处置，获得了系列研究功效。

01

厌氧/好氧/缺氧模式同步脱氮除磷好氧污泥(快速)颗粒化

厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)的运转体例对富集脱氮除磷相干的功能微生物供给了有益前提，这些微生物一方面提高了系统的运转效力，另外一方面临颗粒污泥的构成和不变具有主要的增进感化。研究注解，在0.3kgCOD/(m3•d)的低负荷前提下，以A/O/A模式运转的SBR反映器从20min至2min慢慢缩短沉降时候的进程中，在第31天时实现颗粒化，65天时颗粒污泥进一步成长和富集，获得成熟不变的好氧颗粒污泥。在此进程中无机物、氨氮和总磷去除结果杰出，可是硝酸盐有少许残留。高通量测序成果注解，污泥颗粒化致使微生物多样性和品貌都有所增添，Xanthomonadales_norank菌属逐步富集并占有首要劣势地位，颗粒化进程的微生物群落布局演替申明好氧颗粒污泥的构成是在特定的理化前提下多种微生物配合感化的成果。投加粘土颗粒供给晶核的体例能够快速获得平均粒径约1mm的好氧颗粒污泥，该方式年夜幅缩短启动周期至11天之内，启动后的颗粒污泥反映用具有杰出的无机物去除和脱氮结果。在此根本长进行了200L扩年夜范围SBR反映器中好氧颗粒污泥的培育，成功在30天内获得布局致密的好氧颗粒污泥，为该手艺的利用供给了必然的参考。

图1 同步脱氮除磷颗粒污泥反映器(快速)启动

详情请参考以下论文：

[1]He, Qiulai; Zhou, Jun; Wang, Hongyu*; Zhang, Jing; Wei, Li (2016) Microbial population dynamics during sludge granulation in an A/O/A sequencing batch reactor. Bioresour Technol 214, 1-8.

[2]He, Qiulai; Zhang, Shilu; Zou, Zhuocheng; Wang, Hongyu* (2016) Enhanced formation of aerobic granular sludge with yellow earth as nucleating agent in a sequencing batch reactor. IOP Conf. Series: Earth Environ Sci 39, 012025.

02

同步硝化(内源)反硝化除磷颗粒污泥系统优化稳态运转

A/O/A模式下的同步硝化反硝化除磷颗粒污泥对低负荷污水的高效处置具有庞大潜力，基在系统高效、稳态的优化运转和调控对该生物系统的处置效能和持久不变具有主要的意义。研究注解，A/O/A模式下同步硝化反硝化、强化生物除磷和反硝化除磷是首要的脱氮除磷路子，并且在厌氧时长为2h表示为较着的内源碳脱氮除磷进程，富集了具有内源碳转化功能的功能微生物，提高了碳源操纵率、脱氮除磷效力和颗粒污泥的不变性。水利剪切力(包罗曝气时长、表不雅气速)、进水水质(碳氮比、碳磷比、碳源品种)等对颗粒污泥的理化和生物特征具有主要的调控感化，经由过程选择和优化公道参数能够节制脱氮除磷相干的功能菌等微生物菌群，从而强化颗粒污泥系统脱氮除磷效力和颗粒布局不变性。可是，不得当的调理体例致使颗粒布局产生掉稳现象，污泥产生较着膨胀，反映器内生物量因为颗粒沉降结果变差而年夜量排出；测验考试了非特同性投加双氧水的体例能够短时间按捺丝状菌膨胀，提高颗粒污泥的沉降机能，可是住手投加一段时候后污泥终究膨胀解体；聚焦在丝状菌的进一步阐发发觉影响颗粒污泥不变性和恢复机能的微生物首要为Sphaerotilus和Thiothrix。采取优化后参数运转的SBR反映器保持了长达5年多的高效力和不变运转，出水水质不变优在一级A尺度。

图2同步硝化反硝化除磷颗粒污泥系统优化稳态运转

详情请参考以下论文：

[1]He, Qiulai*; Song, Jianyang; Zhang, Wei; Gao, Shuxian; Wang, Hongyu*; Yu, Jian (2020) Enhanced simultaneous nitrifica�����APPtion, denitrification and phosphorus removal through mixed carbon source by aerobic granular sludge. J Hazard Mater 382, 121043.https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121043

[2]He, Qiulai*; Zhang, Jing; Gao, Shuxian; Chen, Li; Lyu, Wanlin; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Hu, Xiaoling; Chen, Rongfan; Wang, Hongyu; Yu, Jian (2019) A comprehensive comparison between non-bulking and bulking aerobic granular sludge in microbial communities. Bioresour Technol 294, 122151.https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122151

[3]He, Qiulai; Chen, Li; Zhang, Shujia; Chen, Rongfan; Wang, Hongyu* (2019) Hydrodynamic shear force shaped the microbial community and function in the aerobic granular sequencing batch reactors for low carbon to nitrogen (C/N) municipal wastewater treatment. Bioresour Technol 271, 48-58.https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.09.102

[4]He, Qiulai; Song, Qun; Zhang, Shilu; Zhang, Wei; Wang, Hongyu* (2018) Simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal in an aerobic granular sequencing batch reactor with mixed carbon sources: reactor performance, extracellular polymeric substances and microbial successions. Chem Eng J 331, 841-849.http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.09.060

[5]He, Qiulai; Chen, Li; Zhang, Shujia; Wang, Li; Liang, Jiawen; Xia, Wenhao; Wang, Hongyu*; Zhou, Jinping (2018) Simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal in aerobic granular sequencing batch reactors with high aeration intensity: Impact of aeration time. Bioresour Technol 263, 214-222.https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.05.007

[6]He, Qiulai; Zhang, Wei; Zhang, Shilu; Wang, Hongyu* (2017) Enhanced nitrogen removal in an aerobic granular sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, endogenous denitrification and phosphorus removal with low superficial gas velocity. Chem Eng J 326, 1223-1231.http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.071

[7]He, Qiulai; Zhou, Jun; Song, Qun; Zhang, Wei; Wang, Hongyu*; Liu, Li (2017) Elucidation of microbial characterization of aerobic granules in a sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal at varying carbon to phosphorus ratios. Bioresour Technol 241, 127-133.http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.093

[8]He, Qiulai; Zhang, Shilu; Zou, Zhuocheng; Zheng, Li-an; Wang, Hongyu* (2016) Unraveling characteristics of simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal (SNDPR) in an aerobic granular sequencing batch reactor. Bioresour Technol 220, 651-655.http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.105

03

勒迫情况下同步硝化反硝化除磷颗粒污泥生态响应

持久厌氧静置储存、盐和酚类等有毒无害物资、和纳米金属材料和抗生素等新兴污染物都可能对生物系统的一般运转形成要挟。研究注解，冬季室温厌氧静置58天后的好氧颗粒污泥履历约16天能够恢复到一般状况，胞外聚合物调理的相对疏水性庇护机制和其作为内碳源的补给能力在储存和恢复中起了主要感化，耐受厌氧和饥饿情况的厌氧和兼性微生物是持久静置和快速恢复的微生物机制。通俗型好氧颗粒污泥颠末慢慢提高盐度、苯酚浓度能够驯化成为处置含盐、含酚废水的功能性好氧颗粒污泥，生物脱氮和除磷微生物在此进程中的耐受能力和驯化结果分歧，致使处置结果各别，胞外聚合物和微生物在此进程中为颗粒污泥抵抗盐度冲击和保持颗粒布局不变阐扬了主要功能。纳米ZnO的冲击和持久感化对生物脱氮除磷的感化体例和结果也纷歧致，颗粒污泥具有耐受必然浓度纳米材料短时间和持久感化的能力，可是太高的浓度会对氨氧化菌等发生迫害感化而影响硝化感化效力。分歧颗粒化水平的好氧颗粒污泥对土霉素的反映和去除表示有差别，低颗粒化水平的好氧颗粒污泥在反硝化脱氮、土霉素去除容量等方面都有劣势；土霉素在颗粒污泥中的去除率因驯化能够提高到55%，快速吸拥护随后的迟缓生物降解是土霉素去除的首要机制。

图3勒迫因子与好氧颗粒污泥生物系统的彼此感化

详情请参考以下论文：

[1]He, Qiulai*; Xie, Zhiyi; Fu, Zhidong; Wang, Meng; Xu, Peng; Yu, Jian; Ma, Jingwei; Gao, Shuxian; Chen, Li; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Wang, Hongyu* (2021) Interaction and removal of oxytetracycline with aerobic granular sludge. Bioresour Technol 320, 124358.

[2]He, Qiulai*; Xie, Zhiyi; Fu, Zhidong; Wang, Hongyu; Chen, Li; Gao, Shuxian; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Xu, Peng; Yu, Jian; Ma, Jingwei (2021) Effects of phenol on extracellular polymeric substances and microbial communities from aerobic granular sludge treating low strength and salinity wastewater. Sci Total Environ 752, 141785.https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141785

[3]He, Qiulai*; Wang, Hongyu; Chen, Li; Shuxian, Gao; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Yu, Jian (2020) Robustness of an aerobic granular sludge sequencing batch reactor for low strength and salinity wastewater treatment at ambient to winter temperatures. J Hazard Mater 384,121454.

[4]He, Qiulai*; Wang, Hongyu; Chen, Li; Shuxian, Gao; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Yu, Jian (2020) Elevated salinity deteriorated enhanced biological phosphorus removal in an aerobic granular sludge sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal. J Hazard Mater 390, 121782.

[5]He, Qiulai; Zhang, Wei; Zhang, Shilu; Zou, Zhuocheng; Wang, Hongyu* (2017) Performance and microbial population dynamics during stable operation and reactivation after extended idle conditions in an aerobic granular sequencing batch reactor. Bioresour Technol 238, 116-121.http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.03.181

[6]He, Qiulai; Yuan, Zhe; Zhang, Jing; Zhang, Shilu; Zhang, Wei; Zou, Zhuocheng; Wang, Hongyu* (2017) Insight into the impact of ZnO nanoparticles on aerobic granular sludge under shock loading. Chemosphere 173, 411-416.http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.085

[7]He, Qiulai; Gao, Shuxian; Zhang, Shilu; Zhang, Wei; Wang, Hongyu* (2017) Chronic responses of aerobic granules to zinc oxide nanoparticles in a sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal. Bioresour Technol 238, 95-101.http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.04.010

04

天然光引诱藻-菌共生污泥快速颗粒化进程和机制

藻-菌共生颗粒污泥连系了好氧颗粒污泥与微藻水处置手艺的劣势，在污水处置节能降耗和能源物资收受接管方面具有杰出的潜力，最近几年来引发愈来愈普遍的存眷。本课题组在2017年夏日以成熟好氧颗粒污泥作为接种污泥，使其表露在天然光下，履历7天运转后快速引诱获得藻-菌耦合颗粒污泥。该耦合颗粒污泥色彩由外和内从黄褐色改变为深褐色，颗粒粒度略有减小，沉降机能下降，运转进程中有部门污泥排出反映器；细胞叶绿素含量较着增添，注解天然光下引诱发生了藻类；耦合颗粒活性较接种颗粒污泥有年夜幅提高；细胞卵白质类物资排泄削减，而多糖类物资排泄显著增添；耦合颗粒构成削减了细菌微生物的品貌和多样性，可是种群布局转变幅度不年夜；而此中的真核藻类产生了从硅藻到绿藻为主导的倾覆性演替。丝状菌和胞外聚合物在天然光引诱藻-菌污泥颗粒化进程中起侧重要的感化，据此猜测了其可能的构成进程和机理。本研究为藻-菌颗粒污泥的快速构成和洽氧颗粒污泥的拓展利用供给了新的思绪。

图4 天然光引诱藻-菌污泥快速颗粒化

详情请参考以下论文：

[1]He, Qiulai; Chen, Li; Zhang, Shujia; Chen, Rongfan; Wang, Hongyu*; Zhang, Wei; Song, Jianyang (2018) Natural sunlight induced rapid formation of water-born algal-bacterial granules in an aerobic bacterial granular photo-sequencing batch reactor.J Hazard Mater359, 222-230.https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.07.051

作者引见

何秋来

何秋来，博士，湖南年夜学土木匠程学院助理传授/硕士生导师/岳麓学者。研究标的目的为污(废)水生物处置和资本化，首要聚焦在生物脱氮除磷新工艺的研发、资本和能源收受接管。EnvironmentalResearch青年编委。以第一/通信作者颁发TOP期刊论文20余篇，3篇入选ESI Highly Cited Paper，1篇入选ESI Hot Paper，1篇被Eni Award 2019提名，授权发现专利1篇；WOS累计他引500余次，h-index为16；持久担负国表里情况范畴支流学术期刊审稿人，2019年被评为Chemosphere杂志Outstanding Reviewer；掌管湖南省天然科学基金项目、湖南年夜学青年教师成长打算项目各1项，介入湖南省重点研发打算、国度天然科学基金面上项目等多项。联系体例:qiulaihe@hnu.edu.cn.

王弘宇，博士，传授，武汉年夜学土木建筑项目学院传授/博士生导师。首要处置污水处置与资本化和水情况生态修复方面的讲授与科研工作。《中国给水排水》杂志青年编委，Chinese Chemical Letters青年编委，湖北省情况应急专家组专家。研究标的目的包罗颗粒污泥、污水生物脱氮除磷、垃圾渗滤液处置、河湖水情况生态修复、情况纳米材料等。掌管和完成科研项目20余项，以第一作者或通信作者颁发SCI期刊论文70余篇，获授权发现专利7项。

前排左三为王弘宇传授，前排左二为什么秋来助理传授。

筹谋编纂：衣春敏 刘俊

建造：文 凯

审核：李德强

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