好氧颗粒污泥处理养猪废水性能及Cu2+、Zn2+去除机制研究

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Performance of aerobic granular sludge for piggery wastewater treatment and its Cu2+ and Zn2+ removal mechanism

　　本研究针对养猪废水重金属污染难题，探讨了好氧颗粒污泥（AGS）对Cu2+和Zn2+的协同去除机制。通过吸附实验和高通量测序技术，揭示了胞外聚合物（EPS）组分和优势菌群在重金属去除中的关键作用，为AGS技术在实际废水处理中的推广应用提供了理论依据。

　　

随着畜牧业快速发展，养猪废水排放量持续增加，其中含有的重金属离子Cu²⁺和Zn²⁺对生态环境构成严重威胁。传统生物处理技术存在污泥沉降性能差、重金属耐受性低等瓶颈，亟需开发高效稳定的废水处理新方法。好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）作为一种自固定化微生物聚集体，具有致密结构、优良沉降性能和抗冲击负荷能力，在重金属废水处理中展现出独特优势。

本研究采用实际养猪废水培养AGS，系统探究其对常规污染物和重金属的去除效能。通过序批式反应器（SBR）连续运行实验，监测污泥颗粒化过程中污染物去除效率的变化规律；利用批次吸附实验分析AGS对Cu²⁺和Zn²⁺的吸附特性；结合高通量测序技术解析微生物群落结构演变，从微观层面揭示重金属去除机制。

关键技术方法包括：1）采用实际养猪废水在SBR中培养AGS，监测污泥形态和污染物去除效率变化；2）设计静态/动态吸附实验，比较活性与灭活AGS对重金属的吸附差异；3）运用16S rDNA高通量测序分析微生物群落结构；4）通过胞外聚合物（EPS）组分分析探讨重金属分布规律。

污染物去除性能分析

AGS对COD和NH₄⁺-N的去除效率随颗粒成熟度显著提升，最终分别稳定在95%和96%以上。然而对总氮（TN）和总磷（TP）的去除效果相对有限，分别为72.7%和69.1%。这种差异与AGS中微生物种群竞争密切相关：好氧/缺氧分层结构为硝化反硝化菌提供了理想环境，但聚磷菌（PAOs）活性受重金属抑制，导致除磷效率受限。

Cu²⁺和Zn²⁺去除特性

AGS对两种重金属的去除效率随颗粒化进程逐步提高，Cu²⁺和Zn²⁺最终平均去除率分别达79.8%和81.0%。EPS组分分析显示，蛋白质对Cu²⁺的吸附量显著高于多糖，这与蛋白质富含O、N、P等配位原子密切相关。Zn²⁺在EPS中的浓度普遍高于Cu²⁺，与其较大的离子半径和较弱金属键特性有关。

吸附机制解析

活性与灭活AGS对Cu²⁺吸附差异微小（最大差值为0.003 mg/g），而对Zn²⁺吸附呈现浓度依赖性差异。在15 mg/L Zn²⁺浓度下，活性AGS吸附量显著高于灭活污泥（差值为0.063 mg/g），这归因于活性微生物的ATP依赖性转运系统和Zoogloea菌主导的胞外螯合作用。动态吸附实验中，Zn²⁺在24小时内呈现动态吸附优势，而Cu²⁺在不同条件下吸附曲线基本重合，反映了两者不同的结合机制：Cu²⁺优先与羧基形成内层配合物，Zn²⁺则主要通过外层作用与羟基结合。

微生物群落响应

振动与非振动条件显著影响微生物丰度分布。Zoogloea在空白样品中相对丰度仅为5.65%，在20 g/L AGS浓度下升至45.44%，表明其对重金属胁迫具有强耐受性。Thauera与unclassified_Betaproteobacteria等菌属呈现显著正相关（相关系数>0.9），形成协同抗逆网络。重金属浓度梯度实验显示，Pseudoxanthomonas等菌属丰度随金属浓度增加而下降，而Pelomonas和Sediminibacterium等耐受菌丰度持续上升，体现了微生物群落的适应性演替。

讨论与结论

本研究通过多角度实验证实，AGS对养猪废水中重金属的去除是物理化学吸附与生物转化协同作用的结果。EPS组分（特别是蛋白质）为重金属提供了主要结合位点，而微生物群落结构演变则通过竞争-协作网络调节吸附效能。Zoogloea、Thauera等优势菌属的富集增强了系统抗逆性，而振动条件通过促进传质提高了Zn²⁺吸附效率。研究首次揭示了实际养猪废水体系中Cu²⁺和Zn²⁺的差异化去除机制，为AGS技术在重金属废水处理领域的优化应用提供了重要理论支撑。

该研究的创新性在于将AGS技术从模拟废水拓展至实际养猪废水场景，通过整合宏观吸附动力学与微观微生物生态学，系统解析了重金属去除的多层次机制。研究成果对推动AGS技术在畜牧业废水处理中的标准化应用具有重要实践价值，也为开发新型重金属生物吸附剂提供了菌种资源与理论依据。