摘要
好氧颗粒污泥是在好氧条件下微生物自凝聚形成的固定化颗粒，具有污泥沉降性能好、微生物浓度高、剩余污泥量少、抗冲击负荷能力强等特点，在污水处理方面具有很大的应用潜力。但存在启动慢和后期运行稳定性差的问题。如何加快颗粒污泥的形成并增加污泥的稳定性成为制约该技术发展和应用的瓶颈。有研究表明，添加活性炭可以缩短好氧颗粒污泥的形成时间，从而加速污泥的颗粒化进程，但也有研究认为活性炭对好氧颗粒污泥形成速率没有影响，因此活性炭对颗粒污泥的形成速率有何影响，目前尚无统一结论。此外，颗粒污泥的菌群结构对颗粒污泥的稳定性和脱氮除磷能力有很大影响，而添加活性炭对好氧颗粒污泥菌群结构有何影响，目前认识十分有限。 本文利用SBR反应器通过接种污水处理厂活性污泥进行好氧颗粒污泥的培养，并研究了添加活性炭对颗粒污泥形成过程及反应器出水水质的影响。利用高通量测序技术分析污泥菌群结构，研究了好氧颗粒污泥形成前后菌群结构变化，以及添加活性炭对颗粒污泥菌群结构的影响。具体研究内容及主要结果如下： （1）好氧颗粒污泥（Granule sludge，GS）和添加活性炭的好氧颗粒污泥（Granule sludge with carbon，GSC）反应器分别在培养70天和61天时污泥完成颗粒化，说明添加活性炭可以加速污泥颗粒化。颗粒污泥呈球形和椭球形，直径约为0.55mm。培养150天后，GS和GSC反应器污泥直径分别为0.76mm，0.65mm，湿密度分别为1.117g/cm3和1.204g/cm3。表明添加活性炭可以使颗粒污泥更为密实。 （2）好氧颗粒污泥培养前后，MLVSS，SVI和PN/PS分别从2752mg/L，188.24mL/g和1.31变化为5946mg/L，16.95mL/g和2.01（GS）；而添加活性炭后从2674mg/L，196.45mL/g和1.27变化为7232mg/L，16.13mL/g和2.64。系统稳定运行后，出水TN、NH4+-N和TP指标均满足一级A类排放标准，COD满足一级B类排放标准。在培养过程中，添加活性炭对颗粒污泥除磷有促进作用。 （3）在颗粒污泥形成过程中，污泥中优势菌在门水平上发生明显变化，从原来的以Proteobacteria（70.00%）和Bacteroidetes（15.80%）为主变为以Proteobacteria（74.26%）和Nitrospirae（11.83%）为主。而添加活性炭的颗粒污泥中优势菌为Proteobacteria（75.45%）和Nitrospirae（11.80%），与无活性炭颗粒的污泥没有明显区别，说明活性炭对颗粒污泥菌群结构在门水平上没有显著影响。 （4）原活性污泥（Activated sludge，AS）中占比最大的菌属为Dechloromonas（33.75%），但是形成颗粒污泥后其含量大幅降低到11.27%（GS）和10.61%（GSC）。该属细菌具有还原脱氯能力，其中部分菌株还具有硝酸盐还原能力，并且可以在胞内蓄积聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate，PHA)。 （5）原活性污泥中含有较高比例的聚磷菌Candidatus Accumulibacter（12.49%）和反硝化菌Zoogloea（7.17%），颗粒污泥形成后Candidatus Accumulibacter比例进一步增加至22.47-22.48%，而Zoogloea比例大幅减小到0.41-0.45%。由于部分Candidatus Accumulibacter菌同时具有除磷和反硝化能力，该菌的增加弥补Zoogloea减少对污泥反硝化能力的影响，因此污泥颗粒化后反硝化能力不降反增。 （6）原活性污泥中检测到的已知亚硝酸盐氧化细菌只有Nitrospira，且比例只有2.22%，而形成颗粒污泥后该菌比例大幅增加到51.83%（GS）和51.10%（GSC）。由于Nitrospira菌对亚硝酸盐非常敏感，该菌比例大幅增加可能是由于进水氨氮浓度较高，反应器运行条件有利于亚硝氮的形成，从而促进了Nitrospira的生长繁殖。此外，Nitrospira很可能具有分泌胞外聚合物的能力，这些胞外聚合物可以促进颗粒污泥快速形成。
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