《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Construction of Micro?/Nano?Composite Pore Size Phenolic Resin?Activated Carbon?Based Filter Membrane and Study on Its Adsorption?Separation Synergistic Mechanism.
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本研究利用 attapulgite 作为微载体，探究其对丝状菌污泥的影响。实验表明， attapulgite 能显著降低污泥体积指数（SVI30），改善沉降性能，促进微生物聚集体形成，有效抑制丝状菌过度生长，加速颗粒污泥生成，为污水处理提供新策略。
Kuan Pan|Wei Wang|Adi Li|Bingqi Liang|Huitao Shao|Zhekai Li|Zhou Qian|Fei Li|Jun Li
中国浙江省工业大学环境学院工业污染低碳控制技术重点实验室，杭州，310014
摘要
丝状细菌容易引发污泥膨胀，这对废水处理构成了重大挑战，因为污泥的沉淀性能直接影响处理效率，而好氧颗粒污泥（AGS）则具有优异的沉淀能力和处理效果。快速颗粒化一直是AGS应用中的瓶颈，研究表明使用粉状载体可以缩短颗粒化周期。在本研究中，使用了一种天然材料——凹凸棒土作为微粉载体，探讨其对丝状污泥的影响。40种不同的凹凸棒土/污泥用量比（0.125–5）使SVI30降低了0.1–82.6%，从而实现了对污泥沉淀速度的快速调控。亲水性的凹凸棒土减少了细胞外聚合物（EPS）上的水化层厚度，促进了较大微生物絮体的形成。微生物迁移到凹凸棒土表面并附着在其上，形成了“岛屿效应”。在序批反应器中，分别在一次高剂量添加、每日低剂量添加以及不添加凹凸棒土的情况下，25天、45天和55天后污泥的平均颗粒尺寸超过了200微米。使用凹凸棒土培养的颗粒污泥和絮体污泥均表现出优异的沉淀性能，丝状细菌被包裹在EPS内；而在对照组中，大量丝状细菌延伸出了EPS基质。凹凸棒土优化了微生物多样性并增强了营养代谢活性，保持了在实际废水处理中的高效和稳定性能。这些发现表明，凹凸棒土为快速缓解丝状污泥问题提供了一种有效策略。
引言
微生物有两种生长模式：浮游生长和聚集生长，并且可以在两者之间转换[1]。在浮游生长状态下，微生物以自由悬浮的细胞形式存在于液体中。为了适应生存环境，微生物可以聚集形成群落并嵌入自产生的基质中[2]。微生物的聚集生长为废水处理提供了一种方法，即活性污泥[3]。活性污泥由细菌和细胞外聚合物（EPS）组成，它们通过弱物理化学作用结合成三维结构[4]。这种空间结构包含不同的微生物种群，并使它们能够附着在惰性或生物表面上[5]。因此，活性污泥系统通过使微生物群落适应不同浓度的污染物和氧气，从而促进了高效的废水处理。
自发现以来，活性污泥一直是废水处理技术的核心[6]。活性污泥系统运行中的一个持续挑战是丝状细菌的存在，它们会导致污泥膨胀[7]。污泥膨胀会降低生物池中的生物量并恶化废水处理厂（WWTP）的出水质量，因此需要有效的快速控制策略。调整运行条件（如污泥回流比、污染物负荷和溶解氧浓度）可以缓解污泥膨胀，但这些方法往往响应缓慢[8]。直接添加添加剂来改变污泥性质更为高效，而添加惰性材料以减轻污泥膨胀也已被广泛研究[9]。其中一种方法是在填料上形成生物膜，如接触氧化过程中所示[10]，这消除了对污泥膨胀的考虑，但并未从根本上解决问题。最终，解决污泥膨胀的目标是获得具有优异沉淀性能和高代谢活性的污泥。粉状载体（PC）可以促进这一过程，并进一步促进好氧颗粒污泥（AGS）的形成[11]。
AGS是由微生物自聚集形成的致密颗粒污泥，因其优异的沉淀能力以及同时进行硝化和反硝化、氮和磷去除的功能而受到青睐[12]。然而，AGS形成所需的长启动时间限制了其应用和广泛采用[13]。成核假说是AGS形成的机制之一[14]，其中微生物通过在PC上生长逐渐形成颗粒。PC（如沸石、硅藻土、铁）可以缩短污泥颗粒化周期[15][16]。尽管这些材料提供了附着位点，但活性表面位点的数量、它们的界面调节能力以及对丝状细菌的具体影响仍不清楚。在本研究中，开发了一种快速颗粒化策略，使用凹凸棒土作为PC直接针对丝状污泥。凹凸棒土是一种天然链层状矿物，具有较大的比表面积和丰富的活性位点[17]。这些特性显著增强了微生物的附着和EPS的固定，从而与传统惰性材料相比促进了稳定的核形成。此外，据报道凹凸棒土还能促进生物膜的形成并改善氮和磷的去除[18]。
传统的快速颗粒化策略主要依赖于增加剪切力、缩短沉淀时间或增强选择压力[19]。这些方法在以丝状污泥为主的系统中适应性有限，可能会引入操作不稳定。目前大多数关于AGS培养的研究都是使用普通活性污泥进行的，而针对丝状污泥的研究较少。在许多WWTP中，通常只有在系统故障后才会考虑工艺改进，因为改造需要较大的成本，而且只要出水标准得到满足，工厂往往会维持现有工艺[20]。因此，一旦发生污泥膨胀，就需要紧急响应。本研究应用凹凸棒土来快速调节膨胀污泥的沉淀性能。在颗粒化过程中，凹凸棒土在抑制丝状细菌过度生长以及其在颗粒形成中的作用仍不清楚。
在本研究中，通过凹凸棒土的界面调节和结构重塑效应，实现了沉淀性能的快速改善和向颗粒污泥的转化，而无需施加额外的选择压力。分析了在不同膨胀条件下添加凹凸棒土对沉淀模式调节的效果及其潜在机制。研究了凹凸棒土对EPS和微生物行为的影响。构建了三个反应器，探讨了一次性高剂量添加和每日低剂量添加凹凸棒土在控制丝状污泥方面的有效性。阐明了凹凸棒土抑制丝状细菌和促进颗粒化的机制。这些见解有助于更好地理解PC在持续优化污泥沉淀性能和微生物功能中的作用，为WWTP故障后生物系统的快速恢复和稳定提供了宝贵知识。
部分摘要
凹凸棒土粉末
本研究中使用的凹凸棒土来自中国甘肃省，使用前仅经过研磨和筛分制成微粉（图1a），表明其供应充足且成本低廉。凹凸棒土粉末的比表面积为109.4 m2/g，平均粒径为1.5 ± 0.3 μm（图1b）。凹凸棒土的主要元素成分是硅、铝、铁和镁（图1c），这些元素分布均匀。
凹凸棒土对污泥沉淀模式的调节
根据以往的经验，当WWTP中的污泥具有良好的沉淀性能和较低的污泥排放量时，生物反应器中可以维持较高的污泥浓度。相反，污泥膨胀会导致大量生物量流失。因此，在污泥浓度为1000至8000 mg/L的范围内，向污泥中添加了100–5000 mg/L的凹凸棒土，共得到了40种不同的凹凸棒土/污泥用量比。在常规和极端条件下，凹凸棒土的快速调节效果均明显。
结论
本研究使用凹凸棒土快速调节了丝状污泥的沉淀性能，并研究了协同沉淀的机制。在反应器中快速培养了AGS，并将其应用于实际废水的有效处理。主要结论如下：
· 嵌入微生物絮体中的凹凸棒土提高了整体密度，并在沉淀过程中将丝状细菌向下拉扯。40种不同的凹凸棒土/污泥用量比（0.125–5）使SVI30降低了0.1–82.6%
作者贡献声明
Kuan Pan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，研究，数据管理。Adi Li：研究，数据管理。Wei Wang：研究，数据管理。Huitao Shao：研究，数据管理。Bingqi Liang：研究，数据管理。Zhou Qian：研究。Zhekai Li：研究，数据管理。Fei Li：研究。Jun Li：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52570055）、浙江省重点研发计划（编号2023C03151）和浙江省大学生科技创新计划（新苗人才计划）（编号2025R403B067）的支持。
