专栏寄语：水是与人类活动关系最为密切的环境要素，水环境前沿科学研究也始终处于高度活跃的状态。科学研究没有终点，而发表、出版是研究社区、学术生态不可或缺的重要一环。作为水行业专业期刊，我们始终致力于期刊特色发展，希望为塑造生机勃勃的学术生态环境做出应有的贡献。《中国给水排水》杂志与中信环境联合推出“Top Water Research”微信专栏，旨在传递国内外水环境研究TOP文献情报，进一步推动学术交流合作。欢迎国内外的优秀研究团队踊跃参与，分享你们的前沿研究成果。本专栏将持续播出，敬请关注！

推荐理由：自英国曼彻斯特建成活性污泥处理厂以来，开创了活性污泥法处理城市污水经典工艺，弥久不衰。但随着经济快速发展，大量的C、N、P，以及含盐、酚、纳米材料、抗生素等有毒有害物质进入水环境。同时伴随城市化进程的加快，城市土地资源开发利用受限，能耗高、占地较大的传统活性污泥工艺面临巨大挑战。

具有生物量多、沉度速度快、抗冲击负荷能力强、占地面积少等优点的好氧颗粒污泥技术应运而生。好氧颗粒污泥兼有厌氧颗粒污泥和活性污泥的优点，是一种新型且具有应用潜力的生物技术。自问世以来，该技术备受国内外广大学者的关注。颗粒污泥的形成是一个复杂的物理、化学和生物过程。目前好氧颗粒污泥的培养和稳定运行是限制该技术工程化应用的两个关键问题。基于此，湖南大学何秋来博士和武汉大学王弘宇教授团队综合研究了序批式生物反应器中好氧颗粒污泥同步硝化( 内源)反硝化除磷的过程、优化运行及稳态调控以及其相关问题，并取得了一系列的重要研究成果。这些研究成果发表在环境领域Chemical Engineering Journal ，Journal of Hazardous Materials ，Science of the Total Environment和Bioresource Technology等国际知名期刊。

——同济大学浙江学院、《中国给水排水》青年编委 刘俊 博士

研究背景

近年来随着我国经济社会的快速发展，越来越多的含氮、磷污水进入自然水体中，造成富营养化、黑臭水体等各种水环境问题，亟需进行水污染控制和治理。水环境质量面临的压力迫使政府制定和施行更为严格的污染控制策略和排放标准。因此寻求高效、低耗、无二次污染的氮磷去除技术是当今水处理领域的重要课题。好氧颗粒污泥是由微生物自凝聚形成的特殊结构的聚集体，相较于传统活性污泥具有生物量多、沉降速度快、抗冲击负荷能力好、运行费用省等优势，是一种有潜力的新兴污水生物处理技术。好氧颗粒污泥自20 世纪八九十年代被发现以来，虽然经历了长期的理论研究和实践验证，但是由于其形成过程及机制较为复杂，长期稳定运行也有一些尚待解决的问题，该技术的应用始终受限。因此，研究好氧颗粒污泥的造粒及稳态对解决这两大瓶颈问题至关重要。湖南大学何秋来博士和武汉大学王弘宇教授团队近年来综合研究了序批式生物反应器中好氧颗粒污泥同步硝化(内源)反硝化除磷的过程、优化运行及稳态调控，并根据颗粒污泥的特征为其赋能，探究了应用于低负荷生活污水，含盐、酚等有毒有害物质、纳米材料、抗生素等新兴污染物的(污)废水的处理，取得了系列研究成果。

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厌氧/好氧/缺氧模式同步脱氮除磷好氧污泥(快速)颗粒化

厌氧/ 好氧/缺氧(A/O/A)的运行方式对富集脱氮除磷相关的功能微生物提供了有利条件，这些微生物一方面提高了系统的运行效率，另一方面对颗粒污泥的形成和稳定具有重要的促进作用。研究表明，在0.3kgCOD/(m3•d) 的低负荷条件下，以A/O/A模式运行的SBR反应器从20min至2min逐步缩短沉降时间的过程中，在第31天时实现颗粒化，65天时颗粒污泥进一步成长和富集，得到成熟稳定的好氧颗粒污泥。在此过程中有机物、氨氮和总磷去除效果良好，但是硝酸盐有少量残留。高通量测序结果表明，污泥颗粒化导致微生物多样性和丰度都有所增加，Xanthomonadales_norank菌属逐渐富集并占据主要优势地位，颗粒化过程的微生物群落结构演替说明好氧颗粒污泥的形成是在特定的理化条件下多种微生物共同作用的结果。投加黏土颗粒提供晶核的方式可以快速得到平均粒径约1mm 的好氧颗粒污泥，该方法大幅缩短启动周期至11天以内，启动后的颗粒污泥反应器具有良好的有机物去除和脱氮效果。在此基础上进行了200L扩大规模SBR反应器中好氧颗粒污泥的培养，成功在30天内得到结构致密的好氧颗粒污泥，为该技术的应用提供了一定的参考。

图1 同步脱氮除磷颗粒污泥反应器(快速)启动

详情请参考以下论文：

[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.

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同步硝化(内源)反硝化除磷颗粒污泥系统优化稳态运行

A/O/A 模式下的同步硝化反硝化除磷颗粒污泥对低负荷污水的高效处理具有巨大潜力，基于系统高效、稳态的优化运行及调控对该生物系统的处理效能和长期稳定具有重要的意义。研究表明，A/O/A模式下同步硝化反硝化、强化生物除磷和反硝化除磷是主要的脱氮除磷途径，而且在厌氧时长为2h表现为明显的内源碳脱氮除磷过程，富集了具有内源碳转化功能的功能微生物，提高了碳源利用率、脱氮除磷效率和颗粒污泥的稳定性。水利剪切力(包括曝气时长、表观气速)、进水水质(碳氮比、碳磷比、碳源种类)等对颗粒污泥的理化及生物特性具有重要的调控作用，通过选择和优化合理参数可以控制脱氮除磷相关的功能菌等微生物菌群，从而强化颗粒污泥系统脱氮除磷效率和颗粒结构稳定性。但是，不恰当的调节方式导致颗粒结构发生失稳现象，污泥发生明显膨胀，反应器内生物量由于颗粒沉降效果变差而大量排出；尝试了非特异性投加双氧水的方式可以短期抑制丝状菌膨胀，提高颗粒污泥的沉降性能，但是停止投加一段时间后污泥最终膨胀解体；聚焦于丝状菌的进一步分析发现影响颗粒污泥稳定性和恢复性能的微生物主要为Sphaerotilus和Thiothrix。采用优化后参数运行的SBR 反应器维持了长达5年多的高效率和稳定运行，出水水质稳定优于一级A标准。

图2 同步硝化反硝化除磷颗粒污泥系统优化稳态运行

详情请参考以下论文：

[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

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胁迫环境下同步硝化反硝化除磷颗粒污泥生态响应

长期厌氧静置贮存、盐和酚类等有毒有害物质、以及纳米金属材料和抗生素等新兴污染物都可能对生物系统的正常运行造成威胁。研究表明，冬季室温厌氧静置58 天后的好氧颗粒污泥经历约16天可以恢复到正常状态，胞外聚合物调节的相对疏水性保护机制和其作为内碳源的补给能力在贮存和恢复中起了重要作用，耐受厌氧和饥饿环境的厌氧和兼性微生物是长期静置和快速恢复的微生物机制。普通型好氧颗粒污泥经过逐步提高盐度、苯酚浓度可以驯化成为处理含盐、含酚废水的功能性好氧颗粒污泥，生物脱氮和除磷微生物在此过程中的耐受能力和驯化效果不同，导致处理效果各异，胞外聚合物和微生物在此过程中为颗粒污泥抵御盐度冲击和维持颗粒结构稳定发挥了重要功能。纳米ZnO的冲击和长期作用对生物脱氮除磷的作用方式和效果也不一致，颗粒污泥具有耐受一定浓度纳米材料短期和长期作用的能力，但是过高的浓度会对氨氧化菌等产生毒害作用而影响硝化作用效率。不同颗粒化程度的好氧颗粒污泥对土霉素的反应和去除表现有差异，低颗粒化程度的好氧颗粒污泥在反硝化脱氮、土霉素去除容量等方面都有优势；土霉素在颗粒污泥中的去除率因驯化可以提高到55%，快速吸附和随后的缓慢生物降解是土霉素去除的主要机制。

图3 胁迫因子与好氧颗粒污泥生物系统的相互作用

详情请参考以下论文：

[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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自然光诱导藻-菌共生污泥快速颗粒化过程及机制

藻- 菌共生颗粒污泥结合了好氧颗粒污泥与微藻水处理技术的优势，在污水处理节能降耗和能源物质回收方面具有良好的潜力，近年来引起越来越广泛的关注。本课题组于2017年夏季以成熟好氧颗粒污泥作为接种污泥，使其暴露于自然光下，经历7天运行后快速诱导得到藻-菌耦合颗粒污泥。该耦合颗粒污泥颜色由外及内从黄褐色转变为深褐色，颗粒粒度略有减小，沉降性能降低，运行过程中有部分污泥排出反应器；细胞叶绿素含量明显增加，表明自然光下诱导产生了藻类；耦合颗粒活性较接种颗粒污泥有大幅提高；细胞蛋白质类物质分泌减少，而多糖类物质分泌显著增加；耦合颗粒形成减少了细菌微生物的丰度和多样性，但是种群结构变化幅度不大；而其中的真核藻类发生了从硅藻到绿藻为主导的颠覆性演替。丝状菌和胞外聚合物在自然光诱导藻-菌污泥颗粒化过程中起着重要的作用，据此推测了其可能的形成过程及机理。本研究为藻-菌颗粒污泥的快速形成和好氧颗粒污泥的拓展应用提供了新的思路。

图4 自然光诱导藻-菌污泥快速颗粒化

详情请参考以下论文：

[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

作者介绍

何秋来

何秋来，博士，湖南大学土木工程学院助理教授/ 硕士生导师/岳麓学者。研究方向为污(废)水生物处理及资源化，主要聚焦于生物脱氮除磷新工艺的研发、资源和能源回收。EnvironmentalResearch青年编委。以第一/通讯作者发表TOP期刊论文20 余篇，3篇入选ESI Highly Cited Paper，1 篇入选ESI Hot Paper，1 篇被Eni Award 2019提名，授权发明专利1 篇；WOS累计他引500余次，h-index为16 ；长期担任国内外环境领域主流学术期刊审稿人，2019年被评为Chemosphere杂志Outstanding Reviewer；主持湖南省自然科学基金项目、湖南大学青年教师成长计划项目各1 项，参与湖南省重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等多项。联系方式:qiulaihe@hnu.edu.cn .

王弘宇，博士，教授，武汉大学土木建筑工程学院教授/ 博士生导师。主要从事污水处理与资源化及水环境生态修复方面的教学与科研工作。《中国给水排水》杂志青年编委，Chinese Chemical Letters青年编委，湖北省环境应急专家组专家。研究方向包括颗粒污泥、污水生物脱氮除磷、垃圾渗滤液处理、河湖水环境生态修复、环境纳米材料等。主持和完成科研项目20 余项，以第一作者或通讯作者发表SCI期刊论文70余篇，获授权发明专利7项。

前排左三为王弘宇教授，前排左二为何秋来助理教授。

策划编辑：衣春敏 刘俊

制作：文 凯

审核：李德强