專欄寄語：水是與人類活動關系最為密切的環境要素，水環境前沿科學研究也始終處于高度活躍的狀態。科學研究沒有終點，而發表、出版是研究社區、學術生態不可或缺的重要一環。作為水行業專業期刊，我們始終致力于期刊特色發展，希望為塑造生機勃勃的學術生態環境做出應有的貢獻�！吨袊o水排水》雜志與中信環境聯合推出“Top Water Research”微信專欄，旨在傳遞國內外水環境研究TOP文獻情報，進一步推動學術交流合作。歡迎國內外的優秀研究團隊踴躍參與，分享你們的前沿研究成果。本專欄將持續播出，敬請關注！
推薦理由：自英國曼徹斯特建成活性污泥處理廠以來，開創了活性污泥法處理城市污水經典工藝，彌久不衰。但隨著經濟快速發展，大量的C、N、P，以及含鹽、酚、納米材料、抗生素等有毒有害物質進入水環境。同時伴隨城市化進程的加快，城市土地資源開發利用受限，能耗高、占地較大的傳統活性污泥工藝面臨巨大挑戰。
具有生物量多、沉度速度快、抗沖擊負荷能力強、占地面積少等優點的好氧顆粒污泥技術應運而生。好氧顆粒污泥兼有厭氧顆粒污泥和活性污泥的優點，是一種新型且具有應用潛力的生物技術。自問世以來，該技術備受國內外廣大學者的關注。顆粒污泥的形成是一個復雜的物理、化學和生物過程。目前好氧顆粒污泥的培養和穩定運行是限制該技術工程化應用的兩個關鍵問題�；诖�，湖南大學何秋來博士和武漢大學王弘宇教授團隊綜合研究了序批式生物反應器中好氧顆粒污泥同步硝化( 內源)反硝化除磷的過程、優化運行及穩態調控以及其相關問題，并取得了一系列的重要研究成果。這些研究成果發表在環境領域Chemical Engineering Journal ，Journal of Hazardous Materials ，Science of the Total Environment和Bioresource Technology等國際知名期刊。
——同濟大學浙江學院、《中國給水排水》青年編委 劉俊 博士
研究背景
近年來隨著我國經濟社會的快速發展，越來越多的含氮、磷污水進入自然水體中，造成富營養化、黑臭水體等各種水環境問題，亟需進行水污染控制和治理。水環境質量面臨的壓力迫使政府制定和施行更為嚴格的污染控制策略和排放標準。因此尋求高效、低耗、無二次污染的氮磷去除技術是當今水處理領域的重要課題。好氧顆粒污泥是由微生物自凝聚形成的特殊結構的聚集體，相較于傳統活性污泥具有生物量多、沉降速度快、抗沖擊負荷能力好、運行費用省等優勢，是一種有潛力的新興污水生物處理技術。好氧顆粒污泥自20 世紀八九十年代被發現以來，雖然經歷了長期的理論研究和實踐驗證，但是由于其形成過程及機制較為復雜，長期穩定運行也有一些尚待解決的問題，該技術的應用始終受限。因此，研究好氧顆粒污泥的造粒及穩態對解決這兩大瓶頸問題至關重要。湖南大學何秋來博士和武漢大學王弘宇教授團隊近年來綜合研究了序批式生物反應器中好氧顆粒污泥同步硝化(內源)反硝化除磷的過程、優化運行及穩態調控，并根據顆粒污泥的特征為其賦能，探究了應用于低負荷生活污水，含鹽、酚等有毒有害物質、納米材料、抗生素等新興污染物的(污)廢水的處理，取得了系列研究成果。
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厭氧/好氧/缺氧模式同步脫氮除磷好氧污泥(快速)顆粒化
厭氧/ 好氧/缺氧(A/O/A)的運行方式對富集脫氮除磷相關的功能微生物提供了有利條件，這些微生物一方面提高了系統的運行效率，另一方面對顆粒污泥的形成和穩定具有重要的促進作用。研究表明，在0.3kgCOD/(m3•d) 的低負荷條件下，以A/O/A模式運行的SBR反應器從20min至2min逐步縮短沉降時間的過程中，在第31天時實現顆粒化，65天時顆粒污泥進一步成長和富集，得到成熟穩定的好氧顆粒污泥。在此過程中有機物、氨氮和總磷去除效果良好，但是硝酸鹽有少量殘留。高通量測序結果表明，污泥顆�；瘜е挛⑸锒鄻有院拓S度都有所增加，Xanthomonadales_norank菌屬逐漸富集并占據主要優勢地位，顆粒化過程的微生物群落結構演替說明好氧顆粒污泥的形成是在特定的理化條件下多種微生物共同作用的結果。投加黏土顆粒提供晶核的方式可以快速得到平均粒徑約1mm 的好氧顆粒污泥，該方法大幅縮短啟動周期至11天以內，啟動后的顆粒污泥反應器具有良好的有機物去除和脫氮效果。在此基礎上進行了200L擴大規模SBR反應器中好氧顆粒污泥的培養，成功在30天內得到結構致密的好氧顆粒污泥，為該技術的應用提供了一定的參考。
圖1 同步脫氮除磷顆粒污泥反應器(快速)啟動
詳情請參考以下論文：
[1]He, Qiulai; Zhou, Jun; Wang, Hongyu*; Zhang, Jing; Wei, Li (2016) Microbial population dynamics during sludge granulation in an A/O/A sequencing batch reactor. Bioresour Technol 214, 1-8.
[2]He, Qiulai; Zhang, Shilu; Zou, Zhuocheng; Wang, Hongyu* (2016) Enhanced formation of aerobic granular sludge with yellow earth as nucleating agent in a sequencing batch reactor. IOP Conf. Series: Earth Environ Sci 39, 012025.
0 2
同步硝化(內源)反硝化除磷顆粒污泥系統優化穩態運行
A/O/A 模式下的同步硝化反硝化除磷顆粒污泥對低負荷污水的高效處理具有巨大潛力，基于系統高效、穩態的優化運行及調控對該生物系統的處理效能和長期穩定具有重要的意義。研究表明，A/O/A模式下同步硝化反硝化、強化生物除磷和反硝化除磷是主要的脫氮除磷途徑，而且在厭氧時長為2h表現為明顯的內源碳脫氮除磷過程，富集了具有內源碳轉化功能的功能微生物，提高了碳源利用率、脫氮除磷效率和顆粒污泥的穩定性。水利剪切力(包括曝氣時長、表觀氣速)、進水水質(碳氮比、碳磷比、碳源種類)等對顆粒污泥的理化及生物特性具有重要的調控作用，通過選擇和優化合理參數可以控制脫氮除磷相關的功能菌等微生物菌群，從而強化顆粒污泥系統脫氮除磷效率和顆粒結構穩定性。但是，不恰當的調節方式導致顆粒結構發生失穩現象，污泥發生明顯膨脹，反應器內生物量由于顆粒沉降效果變差而大量排出；嘗試了非特異性投加雙氧水的方式可以短期抑制絲狀菌膨脹，提高顆粒污泥的沉降性能，但是停止投加一段時間后污泥最終膨脹解體；聚焦于絲狀菌的進一步分析發現影響顆粒污泥穩定性和恢復性能的微生物主要為Sphaerotilus和Thiothrix。采用優化后參數運行的SBR 反應器維持了長達5年多的高效率和穩定運行，出水水質穩定優于一級A標準。
圖2 同步硝化反硝化除磷顆粒污泥系統優化穩態運行
詳情請參考以下論文：
[1]He, Qiulai*; Song, Jianyang; Zhang, Wei; Gao, Shuxian; Wang, Hongyu*; Yu, Jian (2020) Enhanced simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal through mixed carbon source by aerobic granular sludge. J Hazard Mater 382, 121043.https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121043
[2]He, Qiulai*; Zhang, Jing; Gao, Shuxian; Chen, Li; Lyu, Wanlin; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Hu, Xiaoling; Chen, Rongfan; Wang, Hongyu; Yu, Jian (2019) A comprehensive comparison between non-bulking and bulking aerobic granular sludge in microbial communities. Bioresour Technol 294, 122151. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122151
[3]He, Qiulai; Chen, Li; Zhang, Shujia; Chen, Rongfan; Wang, Hongyu* (2019) Hydrodynamic shear force shaped the microbial community and function in the aerobic granular sequencing batch reactors for low carbon to nitrogen (C/N) municipal wastewater treatment. Bioresour Technol 271, 48-58. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.09.102
[4]He, Qiulai; Song, Qun; Zhang, Shilu; Zhang, Wei; Wang, Hongyu* (2018) Simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal in an aerobic granular sequencing batch reactor with mixed carbon sources: reactor performance, extracellular polymeric substances and microbial successions. Chem Eng J 331, 841-849. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.09.060
[5]He, Qiulai; Chen, Li; Zhang, Shujia; Wang, Li; Liang, Jiawen; Xia, Wenhao; Wang, Hongyu*; Zhou, Jinping (2018) Simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal in aerobic granular sequencing batch reactors with high aeration intensity: Impact of aeration time. Bioresour Technol 263, 214-222. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.05.007
[6]He, Qiulai; Zhang, Wei; Zhang, Shilu; Wang, Hongyu* (2017) Enhanced nitrogen removal in an aerobic granular sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, endogenous denitrification and phosphorus removal with low superficial gas velocity. Chem Eng J 326, 1223-1231. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.071
[7]He, Qiulai; Zhou, Jun; Song, Qun; Zhang, Wei; Wang, Hongyu*; Liu, Li (2017) Elucidation of microbial characterization of aerobic granules in a sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal at varying carbon to phosphorus ratios. Bioresour Technol 241, 127-133. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.093
[8]He, Qiulai; Zhang, Shilu; Zou, Zhuocheng; Zheng, Li-an; Wang, Hongyu* (2016) Unraveling characteristics of simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal (SNDPR) in an aerobic granular sequencing batch reactor. Bioresour Technol 220, 651-655. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.105
0 3
脅迫環境下同步硝化反硝化除磷顆粒污泥生態響應
長期厭氧靜置貯存、鹽和酚類等有毒有害物質、以及納米金屬材料和抗生素等新興污染物都可能對生物系統的正常運行造成威脅。研究表明，冬季室溫厭氧靜置58 天后的好氧顆粒污泥經歷約16天可以恢復到正常狀態，胞外聚合物調節的相對疏水性保護機制和其作為內碳源的補給能力在貯存和恢復中起了重要作用，耐受厭氧和饑餓環境的厭氧和兼性微生物是長期靜置和快速恢復的微生物機制。普通型好氧顆粒污泥經過逐步提高鹽度、苯酚濃度可以馴化成為處理含鹽、含酚廢水的功能性好氧顆粒污泥，生物脫氮和除磷微生物在此過程中的耐受能力和馴化效果不同，導致處理效果各異，胞外聚合物和微生物在此過程中為顆粒污泥抵御鹽度沖擊和維持顆粒結構穩定發揮了重要功能。納米ZnO的沖擊和長期作用對生物脫氮除磷的作用方式和效果也不一致，顆粒污泥具有耐受一定濃度納米材料短期和長期作用的能力，但是過高的濃度會對氨氧化菌等產生毒害作用而影響硝化作用效率。不同顆粒化程度的好氧顆粒污泥對土霉素的反應和去除表現有差異，低顆�；潭鹊暮醚躅w粒污泥在反硝化脫氮、土霉素去除容量等方面都有優勢；土霉素在顆粒污泥中的去除率因馴化可以提高到55%，快速吸附和隨后的緩慢生物降解是土霉素去除的主要機制。
圖3 脅迫因子與好氧顆粒污泥生物系統的相互作用
詳情請參考以下論文：
[1]He, Qiulai*; Xie, Zhiyi; Fu, Zhidong; Wang, Meng; Xu, Peng; Yu, Jian; Ma, Jingwei; Gao, Shuxian; Chen, Li; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Wang, Hongyu* (2021) Interaction and removal of oxytetracycline with aerobic granular sludge. Bioresour Technol 320, 124358.
[2]He, Qiulai*; Xie, Zhiyi; Fu, Zhidong; Wang, Hongyu; Chen, Li; Gao, Shuxian; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Xu, Peng; Yu, Jian; Ma, Jingwei (2021) Effects of phenol on extracellular polymeric substances and microbial communities from aerobic granular sludge treating low strength and salinity wastewater. Sci Total Environ 752, 141785.https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141785
[3]He, Qiulai*; Wang, Hongyu; Chen, Li; Shuxian, Gao; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Yu, Jian (2020) Robustness of an aerobic granular sludge sequencing batch reactor for low strength and salinity wastewater treatment at ambient to winter temperatures. J Hazard Mater 384,121454.
[4]He, Qiulai*; Wang, Hongyu; Chen, Li; Shuxian, Gao; Zhang, Wei; Song, Jianyang; Yu, Jian (2020) Elevated salinity deteriorated enhanced biological phosphorus removal in an aerobic granular sludge sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal. J Hazard Mater 390, 121782.
[5]He, Qiulai; Zhang, Wei; Zhang, Shilu; Zou, Zhuocheng; Wang, Hongyu* (2017) Performance and microbial population dynamics during stable operation and reactivation after extended idle conditions in an aerobic granular sequencing batch reactor. Bioresour Technol 238, 116-121. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.03.181
[6]He, Qiulai; Yuan, Zhe; Zhang, Jing; Zhang, Shilu; Zhang, Wei; Zou, Zhuocheng; Wang, Hongyu* (2017) Insight into the impact of ZnO nanoparticles on aerobic granular sludge under shock loading. Chemosphere 173, 411-416. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.085
[7]He, Qiulai; Gao, Shuxian; Zhang, Shilu; Zhang, Wei; Wang, Hongyu* (2017) Chronic responses of aerobic granules to zinc oxide nanoparticles in a sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal. Bioresour Technol 238, 95-101. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.04.010
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自然光誘導藻-菌共生污泥快速顆�；^程及機制
藻- 菌共生顆粒污泥結合了好氧顆粒污泥與微藻水處理技術的優勢，在污水處理節能降耗和能源物質回收方面具有良好的潛力，近年來引起越來越廣泛的關注。本課題組于2017年夏季以成熟好氧顆粒污泥作為接種污泥，使其暴露于自然光下，經歷7天運行后快速誘導得到藻-菌耦合顆粒污泥。該耦合顆粒污泥顏色由外及內從黃褐色轉變為深褐色，顆粒粒度略有減小，沉降性能降低，運行過程中有部分污泥排出反應器；細胞葉綠素含量明顯增加，表明自然光下誘導產生了藻類；耦合顆�；钚暂^接種顆粒污泥有大幅提高；細胞蛋白質類物質分泌減少，而多糖類物質分泌顯著增加；耦合顆粒形成減少了細菌微生物的豐度和多樣性，但是種群結構變化幅度不大；而其中的真核藻類發生了從硅藻到綠藻為主導的顛覆性演替。絲狀菌和胞外聚合物在自然光誘導藻-菌污泥顆�；^程中起著重要的作用，據此推測了其可能的形成過程及機理。本研究為藻-菌顆粒污泥的快速形成和好氧顆粒污泥的拓展應用提供了新的思路。
圖4 自然光誘導藻-菌污泥快速顆�；�
詳情請參考以下論文：
[1]He, Qiulai; Chen, Li; Zhang, Shujia; Chen, Rongfan; Wang, Hongyu*; Zhang, Wei; Song, Jianyang (2018) Natural sunlight induced rapid formation of water-born algal-bacterial granules in an aerobic bacterial granular photo-sequencing batch reactor. J Hazard Mater359, 222-230.https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.07.051
作者介紹
何秋來
何秋來，博士，湖南大學土木工程學院助理教授/ 碩士生導師/岳麓學者。研究方向為污(廢)水生物處理及資源化，主要聚焦于生物脫氮除磷新工藝的研發、資源和能源回收。EnvironmentalResearch青年編委。以第一/通訊作者發表TOP期刊論文20 余篇，3篇入選ESI Highly Cited Paper，1 篇入選ESI Hot Paper，1 篇被Eni Award 2019提名，授權發明專利1 篇；WOS累計他引500余次，h-index為16 ；長期擔任國內外環境領域主流學術期刊審稿人，2019年被評為Chemosphere雜志Outstanding Reviewer；主持湖南省自然科學基金項目、湖南大學青年教師成長計劃項目各1 項，參與湖南省重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目等多項。聯系方式:qiulaihe@hnu.edu.cn .
王弘宇，博士，教授，武漢大學土木建筑工程學院教授/ 博士生導師。主要從事污水處理與資源化及水環境生態修復方面的教學與科研工作�！�中國給水排水》雜志青年編委，Chinese Chemical Letters青年編委，湖北省環境應急專家組專家。研究方向包括顆粒污泥、污水生物脫氮除磷、垃圾滲濾液處理、河湖水環境生態修復、環境納米材料等。主持和完成科研項目20 余項，以第一作者或通訊作者發表SCI期刊論文70余篇，獲授權發明專利7項。
前排左三為王弘宇教授，前排左二為何秋來助理教授。
策劃編輯：衣春敏 劉俊
制作：文 凱
審核：李德強
