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

聚合氯化鋁強化下好氧顆粒污泥的差異化顆?；緩? 

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

《總環境科學》，第807卷，2022年，文章編號150829  

 

摘要內容  

論文研究了不同劑量聚合氯化鋁（PAC）對好氧顆粒污泥（AGS）形成的強化機制。通過四個序批式反應器（SBR）對比實驗（PAC有效Al3?劑量：0、50、100、400 mg/L），發現PAC加速了AGS形成（最快4天成粒），提升了顆粒機械強度與脫氮效率。低劑量PAC（50 mg/L）形成大尺寸顆粒（平均2.00 mm）和大規模厭氧區，反硝化速率最高（20.55 mgN/g-MLSS·h）；高劑量PAC（400 mg/L）則導致多孔結構和較小厭氧區。PAC通過電荷中和與吸附架橋作用調控微生物聚集，影響胞外聚合物（EPS）分泌（促進蛋白質/抑制多糖），最終決定顆粒結構與功能。  

 

研究目的  

探究不同PAC劑量對AGS顆粒化進程的加速效果及物理生化特性影響。  

 

揭示PAC劑量差異導致的顆粒內部結構分化機制（尤其厭氧區尺寸）。  

 

建立PAC劑量-顆粒結構-脫氮性能的關聯模型，優化工程應用參數。  

 

研究思路  

實驗設計：  

 

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

 

70天運行監測，逐步縮短沉降時間（5 min→1 min）篩選顆粒。  

多參數監測：  

 

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PN/多糖PS）（圖3）、微生物活性（SOUR/SDNR）（圖6）。  

 

 

結構解析：Unisense微電極測量顆粒內部DO梯度（圖4）、SEM觀察表面形態（圖1）。  

 

 

機制驗證：  

 

元素分析（XRF）（表1）、微生物群落（高通量測序）（圖7）。  

 

 

整合數據提出劑量依賴的顆?；Ｐ停▓D8）。  

 

測量數據及研究意義  

物理特性數據（MLSS、SVI、Zeta電位、粒徑）：  

 

來源：常規監測與粒度篩分（圖2a-d）。  

 

意義：揭示PAC提升生物量保留（R3最快恢復）、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）。  

生化特性數據（PN、PS、PN/PS比）：  

 

來源：甲醛-NaOH法提取EPS，比色法測定（圖3）。  

 

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

內部結構數據（DO梯度分布）：  

 

來源：Unisense微電極（50μm尖端）穿透顆粒測量（圖4）。  

 

意義：量化PAC劑量對厭氧區尺寸的影響（R1厭氧區最深600μm）。  

性能數據（COD、NH??-N、NO??去除率）：  

 

來源：標準方法監測（圖5）。  

 

 

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

微生物數據（群落組成）：  

 

來源：高通量測序（圖7）。  

 

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

 

Unisense電極數據的研究意義  

厭氧區可視化：  

 

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

結構缺陷診斷：  

 

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

機制反推：  

 

DO剖面與SEM觀察（圖1）關聯，證實高劑量PAC導致"吸附架橋"形成的多孔結構（圖8），為"劑量-結構-功能"模型提供關鍵實驗支撐。  

 

結論  

劑量效應：  

 

PAC加速成粒（R3最快4天），但高劑量（400 mg/L）導致顆粒多孔、粒徑?。?.54 mm）、厭氧區小。  

 

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

機制模型：  

 

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

 

高劑量PAC：過量Al3?吸附增加排斥力，產生孔道結構（圖8右）。  

工程價值：  

 

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。