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從微觀發(fā)現(xiàn)到環(huán)保價(jià)值：好氧顆粒污泥吸附機(jī)制研究的突破

2025-09-09閱讀量：92

TU Delft和鄭州大學(xué)彭趙旭團(tuán)隊(duì)

Water Research：微米顆粒與不同粒徑好氧顆粒污泥的吸附表現(xiàn)——從外部到內(nèi)部

第一作者/通訊作者：彭趙旭

通訊單位：TU Delft

成果簡(jiǎn)介

近日，TU Delft和鄭州大學(xué)彭趙旭團(tuán)隊(duì)在環(huán)境領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊Water Research上發(fā)表了題為“Attachment performance between micro particles and different sized aerobic granular sludge - from outside to inside”的學(xué)術(shù)論文。該論文用熒光微米顆粒模擬實(shí)際污水中難生物降解顆粒性有機(jī)物，創(chuàng)新地切開(kāi)了實(shí)際Nereda水廠的好氧顆粒污泥（AGS），系統(tǒng)考察了微米顆粒與不同粒徑AGS的吸附表現(xiàn)，以及切開(kāi)的AGS碎片與相似粒徑完整AGS吸附微米顆粒的表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)粒徑在3.1-4.0 mm的AGS吸附性能最好，其次是2.5-3.1 mm 的AGS。AGS對(duì)微米顆粒的吸附表現(xiàn)并不由比表面積決定，而與其表面amyloid-glucan結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的粗糙程度有關(guān)，且這種結(jié)果的分布密度從外到內(nèi)逐漸降低。如果AGS在曝氣中破碎，微米顆粒很容易吸附在初始AGS外層產(chǎn)生的碎片中。微米顆粒的吸附與AGS的內(nèi)外表面的疏水性關(guān)系不大。本研究發(fā)現(xiàn)了AGS外層在吸附微米顆粒中的重要作用，尤其是來(lái)自初始外層AGS的碎片，很容易吸附微米顆粒并進(jìn)一步形成新的AGS。

引言

AGS工藝在過(guò)去20年發(fā)展很快，其相比傳統(tǒng)活性污泥法具有占地小、能耗低等優(yōu)勢(shì)。馴化AGS的主要原則之一就是確保有機(jī)物最大化被生長(zhǎng)緩慢微生物利用。但是實(shí)際污水中的有機(jī)物多數(shù)以顆粒（pCOD）的形式存在。其被利用需要吸附、水解兩步。已有研究考察了不同粒徑AGS的水解性能，發(fā)現(xiàn)其與比表面積關(guān)系密切。但是有關(guān)不同粒徑AGS對(duì)pCOD吸附表現(xiàn)方面的研究還很少。鑒于此，本文系統(tǒng)地考察了不同粒徑AGS對(duì)pCOD的吸附表現(xiàn)，并比較了破碎AGS與相似大小完整AGS對(duì)pCOD的吸附表現(xiàn)，最后考察了AGS從外到表面官能團(tuán)和amyloid-glucan結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。希望本研究成果對(duì)理解pCOD在Nereda工藝中的轉(zhuǎn)移過(guò)程提供借鑒。

各粒徑AGS對(duì)微米顆粒的吸附表現(xiàn)

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)3.1-4.0 mm粒徑AGS對(duì)微米粒徑的吸附表現(xiàn)最好（Fig.2），無(wú)論是溶液I（通過(guò)溶液中剩余微米顆粒評(píng)估）還是溶液II（通過(guò)被吸附微米顆粒評(píng)估），且粒徑小形狀不規(guī)則的微米顆粒更容易被吸附。對(duì)比破碎AGS與當(dāng)量粒徑相等的完整AGS，發(fā)現(xiàn)完整AGS對(duì)微米顆粒的吸附效果更好(Fig.3)，無(wú)論在溶液I中還是溶液II中。但是當(dāng)1個(gè)AGS被切成8份時(shí)，碎片吸附微米顆粒的能力會(huì)顯著增加。其原因是此時(shí)碎片并不穩(wěn)定，其內(nèi)外層分離會(huì)形成新的吸附微米顆粒的表面。

AGS從外表面到內(nèi)表面的官能團(tuán)分布

發(fā)現(xiàn)3.1-4.0 mm的AGS之間的表面官能團(tuán)各向同性，而其它粒徑AGS的表面官能團(tuán)則各向異性（Fig.4）。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了AGS外部好氧層的外表面官能團(tuán)有時(shí)跟好氧層的內(nèi)表面官能團(tuán)相似，有時(shí)跟內(nèi)部厭氧核的外表面官能團(tuán)相似。發(fā)現(xiàn)AGS表面的凹凸結(jié)構(gòu)會(huì)在FTIR曲線上顯示出微小的吸收峰，且4.0-5.0 mm，3.1-4.0 mm和2.5-3.1 mm的AGS的微小吸收峰之間的平均波數(shù)差值分別為5.21±2.36 cm^-1, 5.19±2.26 cm^-1 和 5.58±2.82 cm^-1, 與AGS表面凹凸結(jié)構(gòu)的分布密度成反比。

AGS從外表面到內(nèi)表面的Amyloid-glucan 分布

通過(guò)Ebba680染色（亮紅）考察各粒徑AGS，以及4.0-5.0 mm的AGS從外到內(nèi)表面的Amyloid-glucan的分布，發(fā)現(xiàn)3.1-4.0 mm的AGS表面的亮紅色最多，且4.0-5.0 mm從外到內(nèi)其表面亮紅色逐漸減少，Amyloid-glucan結(jié)構(gòu)的分布正好與其微米顆粒的吸附性正相關(guān)。由此判斷類Amyloid-glucan結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的AGS表現(xiàn)的凹凸結(jié)構(gòu)是影響微米顆粒吸附的主要因素。

討論

AGS對(duì)微米顆粒的吸附與表面積關(guān)系不大，當(dāng)其粒徑小于3.1-4.0 mm時(shí)，其吸附性能隨著粒徑增加而增大。曝氣中產(chǎn)生的AGS碎片是吸附微米顆粒的理想場(chǎng)所，尤其是源自外層的碎片。當(dāng)AGS的厭氧內(nèi)核與好氧外層分離時(shí)，其產(chǎn)生的新表面會(huì)顯著提高對(duì)微米顆粒的吸附效果（Fig.6）。在實(shí)際Nereda工藝中，通過(guò)飽食饑餓、沉降選擇、優(yōu)化排泥，產(chǎn)生的小AGS很容易長(zhǎng)大到3.1-4.0 mm。但是實(shí)際好氧層的厚度一般都在0.20-0.35 mm，因此有時(shí)會(huì)選擇性地排放大AGS。

小結(jié)

微顆粒在AGS上的附著與表面積無(wú)關(guān)，而與其表面類Amyloid-glucan結(jié)構(gòu)引起的粗糙度密切相關(guān)。粒徑為3.1–4.0 mm的AGS吸附性能最優(yōu)，其表面含有最多比例的類Amyloid-glucan結(jié)構(gòu)，并且分布最均勻。從顆粒的外層到內(nèi)部，類Amyloid-glucan結(jié)構(gòu)的分布逐漸減少。曝氣時(shí)脆弱的部分從AGS上脫落時(shí)，微米顆粒會(huì)優(yōu)先附著在外層碎片上，成為形成新AGS的種子。

TU Delft 與鄭州大學(xué)彭趙旭團(tuán)隊(duì)在《Water Research》發(fā)表的這項(xiàng)研究，為污水處理領(lǐng)域帶來(lái)了兼具理論突破與應(yīng)用價(jià)值的重要發(fā)現(xiàn)。其意義不僅體現(xiàn)在揭示了好氧顆粒污泥（AGS）吸附污染物的微觀機(jī)制，更為準(zhǔn)化化污水處理工藝優(yōu)化、推動(dòng)環(huán)保技術(shù)升級(jí)提供了關(guān)鍵支撐。

在技術(shù)應(yīng)用層面，研究成果為污水處理工藝優(yōu)化提供了精準(zhǔn)的調(diào)控依據(jù)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) 3.1-4.0 mm 粒徑的 AGS 吸附性能最優(yōu)，這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)可直接指導(dǎo)污水處理廠通過(guò)優(yōu)化曝氣強(qiáng)度、沉降時(shí)間等參數(shù)，將 AGS 粒徑控制在最佳范圍，從而提升難降解顆粒污染物的去除效率。更具創(chuàng)新價(jià)值的是，研究揭示了曝氣過(guò)程中產(chǎn)生的 AGS 外層碎片具有超強(qiáng)吸附能力，且可作為新顆粒形成的 "種子"，這一發(fā)現(xiàn)為解決傳統(tǒng)工藝中顆粒污泥穩(wěn)定性不足的問(wèn)題提供了新思路 —— 通過(guò)調(diào)控水力剪切條件促進(jìn)功能性碎片生成，既能強(qiáng)化污染物去除，又能加速 AGS 更新迭代。

綜上，這項(xiàng)研究的意義早已超越單一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的范疇：它在微觀層面闡明了生物聚集體的界面作用機(jī)制，在技術(shù)層面提供了可直接落地的工藝優(yōu)化方案，在產(chǎn)業(yè)層面推動(dòng)了污水處理的綠色低碳轉(zhuǎn)型，最終將通過(guò)更高效的污染物去除技術(shù)，為守護(hù)水環(huán)境質(zhì)量和公眾健康發(fā)揮深遠(yuǎn)作用。正如研究揭示的 AGS"外層保護(hù)" 機(jī)制那樣，這種從微觀到宏觀的價(jià)值傳遞，正是環(huán)境科學(xué)研究服務(wù)于可持續(xù)發(fā)展的生動(dòng)體現(xiàn)。