好氧顆粒污泥自發現以來，一直是學術研究的熱點，從實驗室小試、現場中試到工程規模，好氧顆粒污泥被認為是具有廣闊應用前景的污水處理新技術之一，然而在實際污水處理工程的應用中存在顆粒化時間較長、顆粒結構穩定性差等問題，尤其處理低濃度生活污水時，較低的底物濃度及波動變化的水質條件都限制了其應用范圍。

通過調控運行條件促進好氧污泥顆粒化、縮短顆粒形成時間、提高顆粒結構穩定性是非常有效的策略。已有研究表明，選擇壓力、有機負荷、添加金屬陽離子、添加混凝劑或惰性載體等都是非常有效的強化措施。其中，投加惰性載體被諸多研究證實可大幅度縮短好氧污泥顆粒化時間，并且在提高生物量、保留硝化菌等世代時間較長的微生物方面具有顯著作用。然而惰性載體的投加方式多為一次性投加或者分批投加，投加后不可避免地會出現載體流失的現象，并且較難回收利用。

鐵碳微電解技術以廢水為電解質，以微電解填料中的鐵屑為陽極、活性炭為陰極形成原電池反應，對廢水進行電解氧化和還原處理，基于電化學、氧化-還原以及絮凝沉淀的共同作用來達到去除有機污染物的目的，在電鍍廢水、制藥廢水、化工廢水等諸多典型難降解廢水的處理中具有廣泛應用，但是一般作為改善廢水可生化性的預處理單元。近年來，鐵碳微電解技術的優越性逐漸得到更多的重視，Guo等采用鐵碳微電解/好氧顆粒污泥耦合工藝處理難降解制膜工業廢水，發現鐵碳微電解預處理不但能提高廢水的可生化性，而且能促進生化處理段顆粒污泥的形成，有利于難降解工業廢水的處理。鐵碳微電解填料直接投加到活性污泥系統，對污泥沉降性和好氧顆粒化過程的影響如何尚未見報道。基于鐵碳微電解的反應原理，筆者提出了一種通過投加鐵碳微電解填料，利用其原電池反應將惰性微粉緩釋投加到活性污泥系統中，以促進好氧污泥顆粒化的策略，并通過對比實驗探究了鐵碳微電解填料對好氧污泥顆粒化的強化作用。

1、材料和方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置采用兩個平行運行的序批式反應器（SBR），如圖1所示，分別記作R1（投加鐵碳微電解填料）和R2（不投加鐵碳微電解填料）。反應器高為120cm、直徑為10cm，總體積為9.42L，有效容積為7.85L，由有機玻璃制成。采用鼓風曝氣，由轉子流量計控制曝氣量恒定在30L/s，壓縮空氣通過砂盤曝氣頭均勻進入反應器內。鐵碳微電解填料放置在R1反應器底部，填料層高度為20cm，排水口在填料層上方20cm處（同R2反應器排水口與反應器底部的距離一致）。曝氣過程中鐵碳微電解填料一直處于反應器底部。通過定時控制器對SBR的運行過程進行程序控制，每天運行3個周期，每個周期包含10min進水、7.5h好氧曝氣、沉淀（時間階梯式降低，1~5d為15min，5~15d為10min，15d后為5min）、5~15min排水和閑置。排水比為75%。

1.2 實驗材料

實驗用生活污水取自棗莊學院校園污水處理廠進水口，COD、TN、NH4+-N和PO43--P濃度分別為（213.25±34.75）、（98.47±10.71）、（90.47±7.72）、（6.17±2.84）mg/L，pH為7.4±0.3，具有低有機物濃度、低C/N值的特點。

接種污泥取自棗莊市惠營污水處理廠三溝式氧化溝，污泥濃度為3120mg/L，SVI30為116mL/g。

實驗采用直徑為14~18mm的球形燒結鐵碳微電解填料，鐵碳質量比為1∶1。

1.3 檢測項目與方法

常規指標如COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、MLSS、MLVSS、SVI等均采用國家標準方法測定。污泥形態采用生物顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察。顆粒污泥表面元素組成采用SEM-EDX進行分析，主要分析C、O、N、S、P、Mg、Al、Ca、Fe等元素，元素相對含量以該元素占所測元素含量總和的百分比表示。顆粒污泥粒徑分布采用激光粒度儀測定，粒度儀檢測范圍為0.2~2000μm。

高通量測序：分別取接種污泥和運行60d后的污泥樣品，離心預處理后，送往上海美吉生物醫藥科技有限公司進行高通量測序分析，主要流程包括污泥DNA提取、設計合成引物接頭、PCR擴增與產物純化、PCR產物定量與均一化、構建PE文庫、Illumina測序。16SrRNA測序的引物為V4-V5區的515F（5'-GTGCCAGCMGCCGCGG-3'）和907R（5'-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3'）。

2、結果與討論

2.1 好氧污泥顆粒化過程

污泥形態變化如圖2所示。

接種污泥為黃褐色絮體，結構松散、形態不規則，平均粒徑為107.8μm。反應器以較短沉淀時間運行時，短沉淀時間形成的選擇壓力會促進活性污泥顆粒化。運行20d后兩反應器內的污泥均趨于聚集，顏色加深變黑，部分結構逐漸密實，主體仍為絮體活性污泥。對R1反應器中的污泥進行鏡檢發現，污泥絮體中黏附黑色碳粒，表明鐵碳微電解填料反應后釋放的碳粒成為了污泥絮體黏附的惰性載體。運行40d后，兩個反應器內均觀察到邊界清晰、結構密實的球狀顆粒污泥出現，R1反應器內的顆粒污泥表面及內部均觀察到較多黑色碳粒。

2.2 污泥濃度及粒徑變化

反應器內污泥濃度的變化如圖3所示，沉淀時間階梯式降低的運行方式能夠使好氧污泥顆粒化階段保持一定量的MLSS。污泥接種后（第1~5天，沉淀時間為15min），由于沉淀時間較短，反應器內的污泥隨出水流失，污泥濃度下降較快。5d后（第5~15天），隨著沉降性差的污泥排出，留存下來的活性污泥沉降性得到改善，污泥濃度逐漸穩定。15d后，沉淀時間縮短至5min，污泥流失嚴重，R1中MLSS最低降至500mg/L左右，R2中MLSS最低降至250mg/L左右。33d后，R1中的MLSS逐漸升高，而R2中的MLSS一直較低，直至實驗末期才略微升高至490mg/L左右。第40天，R1和R2中污泥的SVI30/SVI5分別為0.93和0.91。以上表明鐵碳微電解填料的投加有效保留了反應器中的微生物量，從而保證了好氧污泥顆粒化階段的污水處理效能。

接種污泥以及實驗末期R1和R2中的污泥粒徑分布如圖4所示。

接種污泥平均粒徑為206.19μm，實驗末期R1、R2中污泥的平均粒徑分別為616.72和450.93μm，其中粒徑>200μm的污泥占比分別為95.3%和93.2%。可以看出，鐵碳微電解填料的投加提高了好氧顆粒污泥的平均粒徑。

2.3 污泥中元素的相對含量

好氧污泥顆粒化過程中不同元素相對含量的變化如圖5所示。C、O、N三種元素占所測元素總量的80%以上，是顆粒污泥的主要成分。與接種的絮體活性污泥相比，R1的污泥中Ca和Fe的相對含量明顯增加，R2的污泥中Ca的相對含量明顯增加。Qin等研究指出，選擇性積累鈣元素是微生物種群用來改善沉降性能對抗較短沉淀時間以避免被淘洗出反應器的保護策略。Ca、Mg是較常見的積累元素。R1中由于投加了鐵碳微電解填料，鐵碳原電池反應生成的Fe2+和Fe3+具有絮凝作用，與活性污泥結合后提高了污泥沉降性，因而R1的污泥中Fe的相對含量明顯增加。

2.4 污泥微生物菌群特性

接種污泥以及R1、R2反應器中污泥總菌和氨氧化菌（AOB）的DGGE譜圖分析結果如表1所示。對于總菌，接種污泥的條帶數最多，Shannon多樣性指數和Pielou均勻性指數最高，R1、R2反應器中污泥的條帶數、Shannon多樣性指數及Pielou均勻性指數接近。對于AOB，3種污泥的條帶數、Shannon多樣性指數及Pielou均勻性指數都較為接近。

R1、R2反應器中顆粒污泥總菌的Shannon多樣性指數、Pielou均勻性指數均低于接種污泥，表明活性污泥顆粒化過程會降低其微生物種群的多樣性；R1反應器中顆粒污泥總菌的Shannon多樣性指數和Pielou均勻性指數高于R2反應器，表明投加的鐵碳微電解填料適于微生物附著生長。R1、R2污泥中AOB的Shannon多樣性指數和Pielou均勻性指數與接種污泥相差不大，表明AOB能夠在好氧污泥顆粒化過程中得以保留。

接種污泥與第60天R1、R2反應器中污泥的微生物菌群結構如圖6所示（綱水平上）。

從圖6可以看出，Bacteroidia的相對豐度由接種污泥中的21.86%分別減少到R1污泥中的12.62%和R2污泥中的14.11%，Bacteroidia是糞便中的主要微生物種類。Acidimicrobiia的相對豐度由接種污泥中的5.14%分別減少到R1污泥中的3.82%和R2污泥中的4.82%，Acidimicrobiia在酸性、中性和弱堿性環境中均有分布，有些種屬嗜酸、中度嗜熱、可進行Fe2+氧化和Fe3+還原反應，具有氧化礦石和合成新型活性物質的能力，在生物浸礦與化學合成中有潛在的應用價值；另外一些種屬存在于中性或弱堿性的土壤、沙漠和水體中，是該類環境中放線菌的優勢種類。Bacteroidia和Acidimicrobiia被認為具有破壞好氧顆粒污泥穩定性的作用，因此在好氧污泥顆粒化過程中逐漸被淘汰。

Thermoleophilia的相對豐度由接種污泥中的0.97%分別增加到R1污泥中的2.27%和R2污泥中的2.37%，Thermoleophilia菌株大部分分離自熱泉環境，耐高溫。Anaerolineae的相對豐度由接種污泥中的11.12%分別增加到R1污泥中的15.43%和R2污泥中的14.33%，Anaerolineae是典型的厭氧菌，常見于河流湖泊底泥、濕地、厭氧發酵消化系統中。Nitrospiria的相對豐度由接種污泥中的0.63%增加到R1污泥中的3.23%和R2污泥中的2.29%，2015年Daims等和vanKessel等分別發現和報道了3種屬于Nitrospira的細菌：CandidatusNitrospirainopinata、CandidatusNitrospiranitrosa和CandidatusNitrospiranitrificans，并證實了它們都具有全程氨氧化的能力。由Nitrospiria驅動的全程及半程硝化過程在全球氮循環中的作用成為近年來生物脫氮領域的研究熱點。Nitrospiria相對豐度的大幅增加表明顆粒污泥結構有助于硝化菌等世代時間較長細菌的保留。鐵碳微電解填料在廢水介質中會發生Fe-C原電池反應，具有豐富的氧化還原環境，另外獨特的三維顆粒狀結構及其形成的溶解氧濃度梯度，這些都有利于富集世代時間較長的細菌。

3、結論

①投加鐵碳微電解填料可強化好氧污泥顆粒化過程：顆粒污泥形成時間縮短，系統能保留更高的生物量，污泥粒徑更大。鐵碳原電池反應生成的Fe2+和Fe3+具有絮凝作用，提高了污泥沉降性，投加鐵碳微電解填料的反應器中污泥的Fe相對含量明顯增加。

②投加鐵碳微電解填料的反應器中顆粒污泥總菌的多樣性指數和均勻性指數均高于未投加鐵碳微電解填料的反應器，表明鐵碳微電解填料適于微生物附著生長。

③好氧活性污泥顆粒化以后，Bacteroidia和Acidimicrobiia的相對豐度降低，Thermoleophilia、Anaerolineae和Nitrospiria的相對豐度增加，說明好氧污泥顆粒化過程會淘汰具有破壞顆粒污泥穩定性作用的微生物，保留和富集世代時間較長的微生物。（來源：棗莊學院城市與建筑工程學院棗莊市城鄉水環境污染控制與生態修復重點實驗室，棗莊學院數學與統計學院，山東省環境保護科學研究設計院有限公司）