英文原题：Performance and Mechanism of Improved Soluble Organic Carbon Recovery from Municipal Wastewater through the Coagulation-Enhanced High-Rate Contact Stabilization Process
通讯作者：黄宝成, 杭州师范大学
作者：Hao Wang, Shi-Xu Wang, Zhi-Qi Ren, Sang-Ni Chen, Mei Liu, Bao-Cheng Huang, and Ren-Cun Jin
近日，杭州师范大学工学院研究团队评估了混凝强化高效接触稳定工艺捕集城市污水中溶解态有机碳的效能和稳定性，结果表明即使进水中溶解态有机物含量高达90%，该耦合工艺的总碳捕集率也可达60%以上。
城市污水处理转向能源自给模式在很大程度上取决于进水有机碳的控制和管理。基于强曝气的传统活性污泥法需要消耗大量能源，是实现能量自给运行的主要障碍。高效接触稳定工艺可改变碳源流向，将污水中的大部分有机物富集转移到污泥中，是一种有效的有机碳捕获技术。生物絮凝对胶体或颗粒碳捕集行之有效，但对溶解性组分的去除性能有限，污水中的溶解性有机物是限制其碳回收效率的关键因素之一。由于城市污水通常表现出高度的时空异质性特征，这给上述技术的应用带来了潜在的不确定性。
为了解决上述问题，杭州师范大学研究团队在前期研究基础上，构建了化学混凝-生物絮凝耦合碳捕集工艺来强化溶解态有机物的去除。实验平行设置三组装置（R1、R2、R3），分别处理含不同比例溶解COD（30%、50%、90%）的模拟废水。总体而言，随着进水溶解性有机物占比升高，反应器出水COD升高。向反应器中投加混凝剂后，其处理性能得到了显著增强。运行稳定后三个反应器出水的化学需氧量和总磷浓度均分别低于50 mg/L和0.5 mg/L，在单个处理装置中同步实现了碳捕集和磷去除（图1）。
图1：不同进水组分下反应器对COD和TP。
不同运行条件下污泥代谢差异分析（图2）表明，处于不溶性有机物占比较高环境下的污泥可能具有更强的生物絮凝能力、更低的氧代谢速率，进而具有更强的碳捕获能力。此外，混凝剂的使用可进一步提升反应器碳捕获能力，抑制污泥对有机碳的氧化分解，但同时也会引起轻微的氧化损伤。
图2：不同进水组分下污泥理化特征。
为了探究进水组分差异与混凝剂的使用对反应器微生物群落的影响，团队对不同变量下的污泥群落结构进行了分析（图3），并使用中性模型对群落变化的随机过程进行了模拟（图4）。冗余分析结果表明，改变进水中溶解性有机物比例或添加混凝剂均会导致微生物群落结构变化，对于具有强生物絮凝能力的菌属而言，进水组分差异影响更为重要。中性模型的拟合结果表明，仅存在进水组分差异时，随机性过程在群落演替中作用更小，为此，我们或许更应当关注进水组分差异对该工艺的影响。
图3. 属水平微生物相对丰度变化和冗余分析结果。
图4：基于群落OUT的中性模型拟合结果。
传统观点认为生物絮凝和化学混凝都不能有效去除溶解性有机物，因此，耦合工艺对于溶解性有机物具有良好的去除性能是出乎意料的。在排除不同进水条件下物质组成差异与分子量大小后，对于不同处理后（生物絮凝、化学混凝+生物絮凝）反应器污泥粒径分布进行了测定（图5）。结果表明，投加混凝剂后小粒径物质占比显著上升，推测其可能是金属盐水解产物通过捕集或吸附作用去除有机组分，从而形成比污泥更小的沉积物颗粒导致。考虑到混凝主要有助于不溶性污染物去除，藉此推断溶解性组分可能先被混凝剂的水解产物吸附，形成难以通过重力沉降去除的胶体或亚胶体颗粒，进而被污泥通过生物絮凝作用捕集沉降，提高了反应器的总有机碳回收效率。即，溶解性有机组分去除率的提升是由化学混凝和生物絮凝协同作用导致，后续的混凝-高效接触稳定分段实验佐证了这一猜想。
图5：不同处理后反应器污泥粒径分布。
综上所述，高效接触稳定工艺在处理溶解性有机物含量高的城市污水时表现出较差的碳捕获效率，微生物更倾向于矿化溶解性有机物，而非同化为污泥。投加混凝剂有利于有机碳捕获，即使在90%溶剂态有机物含量下，其回收率也可达到60%。不仅如此，该系统可同步实现磷的有效去除，出水中总磷浓度稳定在0.5 mg/L以下。混凝剂水解产物会吸附或捕获溶解性有机物，进而被污泥捕获，这是溶解性有机物去除率提升的原因。
相关论文发表在ACS EST Eng.上，杭州师范大学硕士研究生王皓为文章的第一作者，杭州师范大学黄宝成副教授为通讯作者。
第一作者简介：
王皓 硕士研究生
王皓，杭州师范大学2020级生态学硕士研究生，研究方向为城市污水资源化处理，生物质环境功能材料的制备与应用等。以第一作者身份在ACS ES&T Eng.、Bioresource Technol.、Sep. Purif. Technol.上发表论文3篇。曾获2022年研究生国家奖学金，以第一完成人身份多次获得国家与省级科创竞赛奖励。
通讯作者简介：
黄宝成 副教授
黄宝成，杭州师范大学工学院副教授，硕士生导师，首批浙江省高校领军人才-青年优秀人才。研究兴趣包括城市污水能源资源回收技术构建，环境功能材料的制备与应用，废弃物处理过程的环境经济效益评估等。作为项目负责人主持了多项国家及省市科学基金项目的研发工作。过去5年里，在Sci. Adv.、Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Renew. Sust. Energ. Rev.、J. Mater. Chem. A等SCI刊物上发表第一/通讯作者论文30余篇，H因子25（Web of Science）。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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