Distinct granulation pathways of aerobic granular sludge under poly aluminum chloride enhancement  

聚合氯化鋁強(qiáng)化下好氧顆粒污泥的差異化顆粒化途徑  

來源：Science of the Total Environment, 807 (2022) 150829

《總環(huán)境科學(xué)》，第807卷，2022年，文章編號(hào)150829  

 

摘要內(nèi)容  

論文研究了不同劑量聚合氯化鋁（PAC）對(duì)好氧顆粒污泥（AGS）形成的強(qiáng)化機(jī)制。通過四個(gè)序批式反應(yīng)器（SBR）對(duì)比實(shí)驗(yàn)（PAC有效Al3?劑量：0、50、100、400 mg/L），發(fā)現(xiàn)PAC加速了AGS形成（最快4天成粒），提升了顆粒機(jī)械強(qiáng)度與脫氮效率。低劑量PAC（50 mg/L）形成大尺寸顆粒（平均2.00 mm）和大規(guī)模厭氧區(qū)，反硝化速率最高（20.55 mgN/g-MLSS·h）；高劑量PAC（400 mg/L）則導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)和較小厭氧區(qū)。PAC通過電荷中和與吸附架橋作用調(diào)控微生物聚集，影響胞外聚合物（EPS）分泌（促進(jìn)蛋白質(zhì)/抑制多糖），最終決定顆粒結(jié)構(gòu)與功能。  

 

研究目的  

探究不同PAC劑量對(duì)AGS顆粒化進(jìn)程的加速效果及物理生化特性影響。  

 

揭示PAC劑量差異導(dǎo)致的顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)分化機(jī)制（尤其厭氧區(qū)尺寸）。  

 

建立PAC劑量-顆粒結(jié)構(gòu)-脫氮性能的關(guān)聯(lián)模型，優(yōu)化工程應(yīng)用參數(shù)。  

 

研究思路  

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

四組SBR反應(yīng)器（Rc: 0 mg/L；R1: 50 mg/L；R2: 100 mg/L；R3: 400 mg/L PAC有效Al3?）。  

 

70天運(yùn)行監(jiān)測(cè)，逐步縮短沉降時(shí)間（5 min→1 min）篩選顆粒。  

多參數(shù)監(jiān)測(cè)：  

 

物理特性：MLSS、SVI、Zeta電位、粒徑分布（圖2）。  

 

生化特性：EPS組分（蛋白質(zhì)PN/多糖PS）（圖3）、微生物活性（SOUR/SDNR）（圖6）。  

 

 

結(jié)構(gòu)解析：Unisense微電極測(cè)量顆粒內(nèi)部DO梯度（圖4）、SEM觀察表面形態(tài)（圖1）。  

 

 

機(jī)制驗(yàn)證：  

 

元素分析（XRF）（表1）、微生物群落（高通量測(cè)序）（圖7）。  

 

 

整合數(shù)據(jù)提出劑量依賴的顆粒化模型（圖8）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

物理特性數(shù)據(jù)（MLSS、SVI、Zeta電位、粒徑）：  

 

來源：常規(guī)監(jiān)測(cè)與粒度篩分（圖2a-d）。  

 

意義：揭示PAC提升生物量保留（R3最快恢復(fù)）、改善沉降性（R3的SVI?最低23.62 mL/g），但高劑量削弱粒徑（R3平均1.54 mm）。  

生化特性數(shù)據(jù)（PN、PS、PN/PS比）：  

 

來源：甲醛-NaOH法提取EPS，比色法測(cè)定（圖3）。  

 

意義：證實(shí)PAC抑制PS分泌、促進(jìn)PN分泌（R3的PN/PS比最高1.52），增強(qiáng)顆粒粘附性與強(qiáng)度。  

內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（DO梯度分布）：  

 

來源：Unisense微電極（50μm尖端）穿透顆粒測(cè)量（圖4）。  

 

意義：量化PAC劑量對(duì)厭氧區(qū)尺寸的影響（R1厭氧區(qū)最深600μm）。  

性能數(shù)據(jù)（COD、NH??-N、NO??去除率）：  

 

來源：標(biāo)準(zhǔn)方法監(jiān)測(cè)（圖5）。  

 

 

意義：驗(yàn)證PAC提升脫氮效率（R3的NH??-N去除率99.38%），但高劑量導(dǎo)致NO??積累（9.34 mg/L）（第3.3節(jié)）。  

微生物數(shù)據(jù)（群落組成）：  

 

來源：高通量測(cè)序（圖7）。  

 

意義：低劑量PAC（R1）富集反硝化菌Flavobacterium（19.43%），支撐其高SDNR。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義  

厭氧區(qū)可視化：  

 

通過DO梯度曲線（圖4）直接量化顆粒內(nèi)部氧擴(kuò)散深度（如R1：600μm），明確低劑量PAC（50 mg/L）形成最大厭氧區(qū)（DO<0.2 mg/L區(qū)域占比最高），為高反硝化速率（20.55 mgN/g-MLSS·h）提供空間證據(jù)。  

結(jié)構(gòu)缺陷診斷：  

 

R3顆粒在深度375–550μm處出現(xiàn)DO驟降區(qū)（斜率-1.33 mV/μm），反映多孔通道結(jié)構(gòu)（圖4d），解釋其較小厭氧區(qū)（僅850μm深度DO耗盡）和易碎特性。  

機(jī)制反推：  

 

DO剖面與SEM觀察（圖1）關(guān)聯(lián)，證實(shí)高劑量PAC導(dǎo)致"吸附架橋"形成的多孔結(jié)構(gòu)（圖8），為"劑量-結(jié)構(gòu)-功能"模型提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)支撐。  

 

結(jié)論  

劑量效應(yīng)：  

 

PAC加速成粒（R3最快4天），但高劑量（400 mg/L）導(dǎo)致顆粒多孔、粒徑小（1.54 mm）、厭氧區(qū)小。  

 

低劑量（50 mg/L）形成最優(yōu)結(jié)構(gòu)（粒徑2.00 mm、厭氧區(qū)600μm），反硝化速率最高（20.55 mgN/g-MLSS·h）。  

機(jī)制模型：  

 

低劑量PAC：Al3?部分中和表面電荷，促進(jìn)微生物聚集，形成致密大顆粒（圖8左）。  

 

高劑量PAC：過量Al3?吸附增加排斥力，產(chǎn)生孔道結(jié)構(gòu)（圖8右）。  

工程價(jià)值：  

 

50 mg/L PAC兼顧成本與性能（脫氮效率96.24%、最低藥劑成本），具工程推廣潛力。