【JWPE】尿素水解型巴氏芽孢杆菌微生物诱导方解石沉淀技术用于高钙废水脱Ca2+、延缓厌氧颗粒污泥钙化及提高污泥活性的研究-Zhiwei Wang

高钙废水进入厌氧反应器后会使厌氧颗粒污泥出现钙化问题，严重影响颗粒污泥活性，甚至造成处理系统的崩溃。以造纸行业为例，在废纸造纸过程中，由于填料涂层溶解及氯化钙等大量脱墨药品加入，导致造纸废水呈现Ca2+浓度高（> 800 mg/L）、化学需氧量大、成分复杂等特点。在厌氧消化过程中，钙离子会逐渐累积到颗粒污泥的内部和表面，造成颗粒污泥灰分增加、活性下降，使其废水处理能力下降。尿素水解型微生物诱导方解石沉淀技术（MICP，Microbially-induced calcite precipitation）具有钙离子沉淀率高、过程可控、副产物安全的特点，在实际应用中具有一定优势，被广泛应用于环境治理研究中。

02文章概述

近日，广西大学王双飞院士团队尝试利用巴氏芽孢杆菌MICP技术预处理高钙废水脱钙、缓解厌氧颗粒污泥钙化并提高污泥活性进行可行性探究。基于对巴氏芽孢杆菌MICP反应过程中各单一因素对钙离子沉淀率影响进行探究，并对其MICP动态形成过程进行分析，最后验证了对造纸模拟高钙废水进行预处理脱钙，探究其对厌氧消化性能的影响。研究结果为解决高钙废水脱钙、缓解厌氧颗粒污泥钙化问题提供了新的思路。该成果以题为“Urea-hydrolyzing Bacillus pasteurii microbially induced calcite precipitation for Ca2+ removal and enhanced anaerobic granular sludge activity in high-calcium wastewater” 发表在《Journal of Water Process Engineering》上， 2022级硕士生冯金虎为本文第一作者，王志伟副教授为本文通讯作者，研究生党文豪、高倩、江柯漾、朱思嘉、倪俊霞等参与研究。

图文摘要

03图文导读

1. 巴氏芽孢杆菌MICP预处理高钙废水的多因素研究根据单因素对MICP的影响，设定了多因素正交实验方案，通过实验得到正交实验指标值，然后对其结果进行极差分析、方差分析。探究巴氏芽孢杆菌MICP过程中的主要影响因素和次要因素，优化巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀预处理高钙废水方案。由正交实验结果进行极差分析，得到影响因素直观分析结果如下：以钙离子去除率作为结果来看，可以得出四种因素影响比重大小为：钙离子浓度>pH>尿素浓度>细菌添加量。因此，通过实验得到正交实验结果进行极差分析、方差分析，可以得出最佳条件：当pH=8，Ca2+浓度为1200 mg/L，尿素浓度为5 g/L，细菌添加量20%时，钙离子去除率最高。根据钙离子沉淀率综合平均值-ki趋势图，对后续实验选择前三个主要影响因素条件不变，选择细菌添加量为5%、20%为两个对比组（记为P5、P20组），通过后续厌氧消化实验进行验证和比较。

图1单因素对钙离子去除率的影响（pH（a）；钙离子浓度（b）；尿素浓度（c）；细菌添加量（d））

2. 巴氏芽孢杆菌MICP产物动态形成过程和机理分析图2是在巴氏芽孢杆菌与高钙废水混合1 min后生成的无机晶体可以看到细菌周围生成的沉淀，部分无机晶体与细菌团聚成较大的沉积物。图3（b）看到巴氏芽孢杆菌之间发生交联，图3（c、d）可以清晰看到以巴氏芽孢杆菌为核心的菌—碳酸钙结合体，由较小结合体团聚形成较大的沉积物。当巴氏芽孢杆菌MICP反应进行时，细菌表面带有负电荷对环境中的Ca2+进行吸附，细菌分泌的脲酶分解环境中的尿素，生成氨和二氧化碳，在水解作用下，氨变成铵根离子，生成碱性微环境，二氧化碳生成碳酸根，结合细菌表面的钙离子生成菌—碳酸钙结合体。

图2巴氏芽孢杆菌MICP产物：显微镜观察（a）；扫描电镜图（b、c、d）图3也证实了巴氏芽孢杆菌MICP处理后出现无定形、球霰石、方解石三种碳酸钙晶体形态共存的情况。出现的原因可能是在巴氏芽孢杆菌MICP反应过程中，当细菌数量过多时，竞相吸附钙离子，为碳酸钙结晶提供成核位点，在多方面因素共同作用下，形成了三种晶体共存的状态。碳酸钙在没有动力学控制的情况下，会先从无定形钙逐渐变成文石/球霰石，最后才成为热力学稳定的方解石晶体。而实验组反应1 h后，如图3（c、d），碳酸钙快速而且已经完全形成了更稳定的方解石。对比两组产物晶型可以看出：巴氏芽孢杆菌对碳酸钙沉淀过程有明显的促进作用。在整个反应过程中，可以发现巴氏芽孢杆菌在诱导碳酸钙沉淀过程中起着两个重要作用：（1）分泌脲酶并水解尿素生成二氧化碳，为钙离子提供碳酸根，从而形成沉淀；（2）为碳酸钙晶体的形成提供晶核，发挥成核位点作用，加速钙离子的沉淀效率。图3钙离子沉淀实验扫描电镜图：对照组反应1h（a）和2h（b）沉淀、实验组反应1h（c）和2h（d）沉淀晶型；巴氏芽孢杆菌MICP产物XRD（e）3. 造纸高钙废水MICP预处理后对厌氧颗粒污泥消化性能的影响从图4中可以发现，经过巴氏芽孢杆菌MICP预处理的P20组（去除率为80.95%）、P5组（去除率为75.89%）COD去除率均高于高钙组（去除率提高20.25%），所以能够有效缓解高钙废水对厌氧消化COD去除率的不利影响。从图4（b）看出巴氏芽孢杆菌MICP预处理能够有效延缓厌氧颗粒污泥钙化。经巴氏芽孢杆菌MICP预处理的P20组和P5组的比产甲烷活性1.431、1.099 m L CH4/(g VSS·h)，比高钙组分别高出60.79%和19.00%，说明经过巴氏芽孢杆菌MICP预处理能够有效降低高钙废水对厌氧颗粒污泥活性的危害，从而保持较好的生化性能。

图4厌氧颗粒污泥生化性能（a）COD去除率；（b）VSS/TSS；（c）累积产甲烷速率；（d）比产甲烷活性反应器运行30天后，在细菌门水平如图5（a），可以发现P20组与高钙组相比，进一步提高了厚壁菌门的相对丰度，增加了18.71%。值得注意的是，在P20组中，相较于高钙组，Bacteroidota的菌群占比明显增加。Bacteroidota可以改善钙化颗粒污泥性质，是缓解钙离子抑制作用的功能微生物结合图4对厌氧颗粒污泥生化性质分析可以发现，厌氧颗粒污泥长时间处理高钙废水会导致颗粒污泥改变自身微生物群落结构，这可能会降低微生物群落的均匀度，减少微生物之间的协同消化能力，也是高钙组COD去除率衰退的原因之一。而经过巴氏芽孢杆菌MICP预处理后，不仅对厌氧颗粒污泥微生物群落的均匀度不会产生较大影响而且还能提高其丰富度，保持其微生物组成和较好的生化性能，有利于厌氧消化过程。

图5微生物群落分析：细菌在门（a）和属（b）上的菌群分布

04 结论本研究对巴氏芽孢杆菌MICP预处理造纸模拟高钙废水并进行厌氧消化实验验证，实验结果证明了巴氏芽孢杆菌MICP预处理高钙废水的可行性：当pH=8，钙离子浓度1200 mg/L，尿素添加量5 g/L，细菌添加量（V菌/V废）20%时，此方案能够高效去除废水中的钙离子，Ca2+去除率达98.40%，有效缓解了高浓度Ca2+对厌氧颗粒污泥的危害，改善了颗粒污泥的生化性能，并保持了与厌氧消化相关的功能微生物菌群的均匀度，延缓厌氧颗粒污泥钙化进程。除此之外，巴氏芽孢杆菌MICP反应能够为后续厌氧消化处理提供氮源促进厌氧消化的进行。本实验为纯菌发酵液进行高钙废水脱钙、延缓厌氧颗粒污泥钙化改善污泥活性的实际应用提供了新的解决思路和理论基础。原文链接https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106545