01研究背景
高鈣廢水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器后會(huì)使厭氧顆粒污泥出現(xiàn)鈣化問(wèn)題，嚴(yán)重影響顆粒污泥活性，甚至造成處理系統(tǒng)的崩潰。以造紙行業(yè)為例，在廢紙?jiān)旒堖^(guò)程中，由于填料涂層溶解及氯化鈣等大量脫墨藥品加入，導(dǎo)致造紙廢水呈現(xiàn)Ca2+濃度高（> 800 mg/L）、化學(xué)需氧量大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)。 在厭氧消化過(guò)程中，鈣離子會(huì)逐漸累積到顆粒污泥的內(nèi)部和表面，造成顆粒污泥灰分增加、活性下降，使其廢水處理能力下降。尿素水解型微生物誘導(dǎo)方解石沉淀技術(shù)（MICP，Microbially-induced calcite precipitation）具有鈣離子沉淀率高、過(guò)程可控、副產(chǎn)物安全的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理研究中。
02文章概述
近日，廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊(duì)嘗試?yán)冒褪涎挎邨U菌MICP技術(shù)預(yù)處理高鈣廢水脫鈣、緩解厭氧顆粒污泥鈣化并提高污泥活性進(jìn)行可行性探究?；趯?duì)巴氏芽孢桿菌MICP反應(yīng)過(guò)程中各單一因素對(duì)鈣離子沉淀率影響進(jìn)行探究，并對(duì)其MICP動(dòng)態(tài)形成過(guò)程進(jìn)行分析，最后驗(yàn)證了對(duì)造紙模擬高鈣廢水進(jìn)行預(yù)處理脫鈣，探究其對(duì)厭氧消化性能的影響。研究結(jié)果為解決高鈣廢水脫鈣、緩解厭氧顆粒污泥鈣化問(wèn)題提供了新的思路。該成果以題為“Urea-hydrolyzing Bacillus pasteurii microbially induced calcite precipitation for Ca2+ removal and enhanced anaerobic granular sludge activity in high-calcium wastewater” 發(fā)表在《Journal of Water Process Engineering》上， 2022級(jí)碩士生馮金虎為本文第一作者，王志偉副教授為本文通訊作者，研究生黨文豪、高倩、江柯漾、朱思嘉、倪俊霞等參與研究。
圖文摘要
03圖文導(dǎo)讀
1. 巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理高鈣廢水的多因素研究根據(jù)單因素對(duì)MICP的影響，設(shè)定了多因素正交實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到正交實(shí)驗(yàn)指標(biāo)值，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差分析。探究巴氏芽孢桿菌MICP過(guò)程中的主要影響因素和次要因素，優(yōu)化巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀預(yù)處理高鈣廢水方案。由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到影響因素直觀分析結(jié)果如下：以鈣離子去除率作為結(jié)果來(lái)看，可以得出四種因素影響比重大小為：鈣離子濃度>pH>尿素濃度>細(xì)菌添加量。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差分析，可以得出最佳條件：當(dāng)pH=8，Ca2+濃度為1200 mg/L，尿素濃度為5 g/L，細(xì)菌添加量20%時(shí)，鈣離子去除率最高。根據(jù)鈣離子沉淀率綜合平均值-ki趨勢(shì)圖，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇前三個(gè)主要影響因素條件不變，選擇細(xì)菌添加量為5%、20%為兩個(gè)對(duì)比組（記為P5、P20組），通過(guò)后續(xù)厭氧消化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和比較。
圖1單因素對(duì)鈣離子去除率的影響（pH（a）；鈣離子濃度（b）；尿素濃度（c）；細(xì)菌添加量（d））
2. 巴氏芽孢桿菌MICP產(chǎn)物動(dòng)態(tài)形成過(guò)程和機(jī)理分析圖2是在巴氏芽孢桿菌與高鈣廢水混合1 min后生成的無(wú)機(jī)晶體可以看到細(xì)菌周圍生成的沉淀，部分無(wú)機(jī)晶體與細(xì)菌團(tuán)聚成較大的沉積物。圖3（b）看到巴氏芽孢桿菌之間發(fā)生交聯(lián)，圖3（c、d）可以清晰看到以巴氏芽孢桿菌為核心的菌—碳酸鈣結(jié)合體，由較小結(jié)合體團(tuán)聚形成較大的沉積物。當(dāng)巴氏芽孢桿菌MICP反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，細(xì)菌表面帶有負(fù)電荷對(duì)環(huán)境中的Ca2+進(jìn)行吸附，細(xì)菌分泌的脲酶分解環(huán)境中的尿素，生成氨和二氧化碳，在水解作用下，氨變成銨根離子，生成堿性微環(huán)境，二氧化碳生成碳酸根，結(jié)合細(xì)菌表面的鈣離子生成菌—碳酸鈣結(jié)合體。
圖2巴氏芽孢桿菌MICP產(chǎn)物：顯微鏡觀察（a）；掃描電鏡圖（b、c、d）圖3也證實(shí)了巴氏芽孢桿菌MICP處理后出現(xiàn)無(wú)定形、球霰石、方解石三種碳酸鈣晶體形態(tài)共存的情況。出現(xiàn)的原因可能是在巴氏芽孢桿菌MICP反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)細(xì)菌數(shù)量過(guò)多時(shí)，競(jìng)相吸附鈣離子，為碳酸鈣結(jié)晶提供成核位點(diǎn)，在多方面因素共同作用下，形成了三種晶體共存的狀態(tài)。碳酸鈣在沒有動(dòng)力學(xué)控制的情況下，會(huì)先從無(wú)定形鈣逐漸變成文石/球霰石，最后才成為熱力學(xué)穩(wěn)定的方解石晶體。而實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)1 h后，如圖3（c、d），碳酸鈣快速而且已經(jīng)完全形成了更穩(wěn)定的方解石。對(duì)比兩組產(chǎn)物晶型可以看出：巴氏芽孢桿菌對(duì)碳酸鈣沉淀過(guò)程有明顯的促進(jìn)作用。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌在誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過(guò)程中起著兩個(gè)重要作用：（1）分泌脲酶并水解尿素生成二氧化碳，為鈣離子提供碳酸根，從而形成沉淀；（2）為碳酸鈣晶體的形成提供晶核，發(fā)揮成核位點(diǎn)作用，加速鈣離子的沉淀效率。圖3鈣離子沉淀實(shí)驗(yàn)掃描電鏡圖：對(duì)照組反應(yīng)1h（a）和2h（b）沉淀、實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)1h（c）和2h（d）沉淀晶型；巴氏芽孢桿菌MICP產(chǎn)物XRD（e）3. 造紙高鈣廢水MICP預(yù)處理后對(duì)厭氧顆粒污泥消化性能的影響從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理的P20組（去除率為80.95%）、P5組（去除率為75.89%）COD去除率均高于高鈣組（去除率提高20.25%），所以能夠有效緩解高鈣廢水對(duì)厭氧消化COD去除率的不利影響。從圖4（b）看出巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理能夠有效延緩厭氧顆粒污泥鈣化。經(jīng)巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理的P20組和P5組的比產(chǎn)甲烷活性1.431、1.099 m L CH4/(g VSS·h)，比高鈣組分別高出60.79%和19.00%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理能夠有效降低高鈣廢水對(duì)厭氧顆粒污泥活性的危害，從而保持較好的生化性能。
圖4厭氧顆粒污泥生化性能（a）COD去除率；（b）VSS/TSS；（c）累積產(chǎn)甲烷速率；（d）比產(chǎn)甲烷活性反應(yīng)器運(yùn)行30天后，在細(xì)菌門水平如圖5（a），可以發(fā)現(xiàn)P20組與高鈣組相比，進(jìn)一步提高了厚壁菌門的相對(duì)豐度，增加了18.71%。值得注意的是，在P20組中，相較于高鈣組，Bacteroidota的菌群占比明顯增加。Bacteroidota可以改善鈣化顆粒污泥性質(zhì)，是緩解鈣離子抑制作用的功能微生物結(jié)合圖4對(duì)厭氧顆粒污泥生化性質(zhì)分析可以發(fā)現(xiàn)，厭氧顆粒污泥長(zhǎng)時(shí)間處理高鈣廢水會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥改變自身微生物群落結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)降低微生物群落的均勻度，減少微生物之間的協(xié)同消化能力，也是高鈣組COD去除率衰退的原因之一。而經(jīng)過(guò)巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理后，不僅對(duì)厭氧顆粒污泥微生物群落的均勻度不會(huì)產(chǎn)生較大影響而且還能提高其豐富度，保持其微生物組成和較好的生化性能，有利于厭氧消化過(guò)程。
圖5微生物群落分析：細(xì)菌在門（a）和屬（b）上的菌群分布
04 結(jié)論本研究對(duì)巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理造紙模擬高鈣廢水并進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了巴氏芽孢桿菌MICP預(yù)處理高鈣廢水的可行性：當(dāng)pH=8，鈣離子濃度1200 mg/L，尿素添加量5 g/L，細(xì)菌添加量（V菌/V廢）20%時(shí)，此方案能夠高效去除廢水中的鈣離子，Ca2+去除率達(dá)98.40%，有效緩解了高濃度Ca2+對(duì)厭氧顆粒污泥的危害，改善了顆粒污泥的生化性能，并保持了與厭氧消化相關(guān)的功能微生物菌群的均勻度，延緩厭氧顆粒污泥鈣化進(jìn)程。除此之外，巴氏芽孢桿菌MICP反應(yīng)能夠?yàn)楹罄m(xù)厭氧消化處理提供氮源促進(jìn)厭氧消化的進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)為純菌發(fā)酵液進(jìn)行高鈣廢水脫鈣、延緩厭氧顆粒污泥鈣化改善污泥活性的實(shí)際應(yīng)用提供了新的解決思路和理論基礎(chǔ)。原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106545