01研究背景
高鈣廢水進入厭氧反應器后會使厭氧顆粒污泥出現鈣化問題，嚴重影響顆粒污泥活性，甚至造成處理系統的崩潰。以造紙行業為例，在廢紙造紙過程中，由于填料涂層溶解及氯化鈣等大量脫墨藥品加入，導致造紙廢水呈現Ca2+濃度高（> 800 mg/L）、化學需氧量大、成分復雜等特點。 在厭氧消化過程中，鈣離子會逐漸累積到顆粒污泥的內部和表面，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方解石沉淀技術（MICP，Microbially-induced calcite precipitation）具有鈣離子沉淀率高、過程可控、副產物安全的特點，在實際應用中具有一定優勢，被廣泛應用于環境治理研究中。
02文章概述
近日，廣西大學王雙飛院士團隊嘗試利用巴氏芽孢桿菌MICP技術預處理高鈣廢水脫鈣、緩解厭氧顆粒污泥鈣化并提高污泥活性進行可行性探究。基于對巴氏芽孢桿菌MICP反應過程中各單一因素對鈣離子沉淀率影響進行探究，并對其MICP動態形成過程進行分析，最后驗證了對造紙模擬高鈣廢水進行預處理脫鈣，探究其對厭氧消化性能的影響。研究結果為解決高鈣廢水脫鈣、緩解厭氧顆粒污泥鈣化問題提供了新的思路。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” 發表在《Journal of Water Process Engineering》上， 2022級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圖文導讀
1. 巴氏芽孢桿菌MICP預處理高鈣廢水的多因素研究根據單因素對MICP的影響，設定了多因素正交實驗方案，通過實驗得到正交實驗指標值，然后對其結果進行極差分析、方差分析。探究巴氏芽孢桿菌MICP過程中的主要影響因素和次要因素，優化巴氏芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉淀預處理高鈣廢水方案。由正交實驗結果進行極差分析，得到影響因素直觀分析結果如下：以鈣離子去除率作為結果來看，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>細菌添加量。因此，通過實驗得到正交實驗結果進行極差分析、方差分析，可以得出最佳條件：當pH=8，Ca2+濃度為1200 mg/L，尿素濃度為5 g/L，細菌添加量20%時，鈣離子去除率最高。根據鈣離子沉淀率綜合平均值-ki趨勢圖，對后續實驗選擇前三個主要影響因素條件不變，選擇細菌添加量為5%、20%為兩個對比組（記為P5、P20組），通過后續厭氧消化實驗進行驗證和比較。
圖1單因素對鈣離子去除率的影響（pH（a）；鈣離子濃度（b）；尿素濃度（c）；細菌添加量（d））
2. 巴氏芽孢桿菌MICP產物動態形成過程和機理分析圖2是在巴氏芽孢桿菌與高鈣廢水混合1 min后生成的無機晶體可以看到細菌周圍生成的沉淀，部分無機晶體與細菌團聚成較大的沉積物。圖3（b）看到巴氏芽孢桿菌之間發生交聯，圖3（c、d）可以清晰看到以巴氏芽孢桿菌為核心的菌—碳酸鈣結合體，由較小結合體團聚形成較大的沉積物。當巴氏芽孢桿菌MICP反應進行時，細菌表面帶有負電荷對環境中的Ca2+進行吸附，細菌分泌的脲酶分解環境中的尿素，生成氨和二氧化碳，在水解作用下，氨變成銨根離子，生成堿性微環境，二氧化碳生成碳酸根，結合細菌表面的鈣離子生成菌—碳酸鈣結合體。
圖2巴氏芽孢桿菌MICP產物：顯微鏡觀察（a）；掃描電鏡圖（b、c、d）圖3也證實了巴氏芽孢桿菌MICP處理后出現無定形、球霰石、方解石三種碳酸鈣晶體形態共存的情況。出現的原因可能是在巴氏芽孢桿菌MICP反應過程中，當細菌數量過多時，競相吸附鈣離子，為碳酸鈣結晶提供成核位點，在多方面因素共同作用下，形成了三種晶體共存的狀態。碳酸鈣在沒有動力學控制的情況下，會先從無定形鈣逐漸變成文石/球霰石，最后才成為熱力學穩定的方解石晶體。而實驗組反應1 h后，如圖3（c、d），碳酸鈣快速而且已經完全形成了更穩定的方解石。對比兩組產物晶型可以看出：巴氏芽孢桿菌對碳酸鈣沉淀過程有明顯的促進作用。在整個反應過程中，可以發現巴氏芽孢桿菌在誘導碳酸鈣沉淀過程中起著兩個重要作用：（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，發揮成核位點作用，加速鈣離子的沉淀效率。圖3鈣離子沉淀實驗掃描電鏡圖：對照組反應1h（a）和2h（b）沉淀、實驗組反應1h（c）和2h（d）沉淀晶型；巴氏芽孢桿菌MICP產物XRD（e）3. 造紙高鈣廢水MICP預處理后對厭氧顆粒污泥消化性能的影響從圖4中可以發現，經過巴氏芽孢桿菌MICP預處理的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預處理能夠有效延緩厭氧顆粒污泥鈣化。經巴氏芽孢桿菌MICP預處理的P20組和P5組的比產甲烷活性1.431、1.099 m L CH4/(g VSS·h)，比高鈣組分別高出60.79%和19.00%，說明經過巴氏芽孢桿菌MICP預處理能夠有效降低高鈣廢水對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）累積產甲烷速率；（d）比產甲烷活性反應器運行30天后，在細菌門水平如圖5（a），可以發現P20組與高鈣組相比，進一步提高了厚壁菌門的相對豐度，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，是緩解鈣離子抑制作用的功能微生物結合圖4對厭氧顆粒污泥生化性質分析可以發現，厭氧顆粒污泥長時間處理高鈣廢水會導致顆粒污泥改變自身微生物群落結構，這可能會降低微生物群落的均勻度，減少微生物之間的協同消化能力，也是高鈣組COD去除率衰退的原因之一。而經過巴氏芽孢桿菌MICP預處理后，不僅對厭氧顆粒污泥微生物群落的均勻度不會產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，有利于厭氧消化過程。
圖5微生物群落分析：細菌在門（a）和屬（b）上的菌群分布
04 結論本研究對巴氏芽孢桿菌MICP預處理造紙模擬高鈣廢水并進行厭氧消化實驗驗證，實驗結果證明了巴氏芽孢桿菌MICP預處理高鈣廢水的可行性：當pH=8，鈣離子濃度1200 mg/L，尿素添加量5 g/L，細菌添加量（V菌/V廢）20%時，此方案能夠高效去除廢水中的鈣離子，Ca2+去除率達98.40%，有效緩解了高濃度Ca2+對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的功能微生物菌群的均勻度，延緩厭氧顆粒污泥鈣化進程。除此之外，巴氏芽孢桿菌MICP反應能夠為后續厭氧消化處理提供氮源促進厭氧消化的進行。本實驗為純菌發酵液進行高鈣廢水脫鈣、延緩厭氧顆粒污泥鈣化改善污泥活性的實際應用提供了新的解決思路和理論基礎。原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106545