藻-菌顆粒污泥工藝在自然光晝夜交替條件下處理含復(fù)雜有機(jī)物生活污水的效能及機(jī)理研究

石鈺婷， 季 斌， 王初初， 苗璟仁， 孫 沖， 杜志宇

武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 湖北 武漢 430065

傳統(tǒng)活性污泥法(CAS)工藝廣泛應(yīng)用于城市污水處理[1-3]. 然而隨著環(huán)境可持續(xù)要求的不斷提高，其能耗高、溫室氣體排放量大等問(wèn)題逐漸凸顯[4-5]，顯然CAS工藝很難滿足未來(lái)污水處理技術(shù)對(duì)能源消耗、碳排放和排放水質(zhì)不斷提高的要求[5]. 目前，人們致力于探索新的生物處理方法，以提高城市污水回用效率和成本效益，如藻-菌顆粒污泥(MBGS)工藝.

藻-菌協(xié)同工藝因其能量消耗少、處理成本低和資源回收價(jià)值高等優(yōu)勢(shì)，逐漸引起了污水處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[6-8]. 與傳統(tǒng)活性污泥法工藝不同，藻-菌協(xié)同工藝依靠自然光驅(qū)動(dòng)的微藻光合作用和細(xì)菌呼吸作用間的耦合機(jī)制. 在該體系中，一方面藻類能夠在光照條件下吸收細(xì)菌產(chǎn)生的CO2生成O2；另一方面，細(xì)菌又可利用這些O2氧化污水中的有機(jī)物生成CO2[4,9-10]. 該過(guò)程可降低能耗，同時(shí)減少溫室氣體排放，而藻-菌生物質(zhì)還可用于生產(chǎn)能源和高價(jià)值產(chǎn)品[7,11]. 因此，MBGS工藝是一種節(jié)能環(huán)保的新型污水處理工藝.

已有研究[5,12]表明，MBGS工藝可應(yīng)用于模擬污水和實(shí)際污水的高效處理，同時(shí)可大大減少溫室氣體的排放. 當(dāng)前關(guān)于該工藝的研究主要基于連續(xù)光照、間歇式反應(yīng)器及含簡(jiǎn)單有機(jī)物的模擬污水[13-18]，當(dāng)模擬市政污水中的碳源為簡(jiǎn)單有機(jī)物時(shí)，在連續(xù)光照條件下MBGS工藝可在6 h內(nèi)分別去除92.7%、96.8%和87.2%的COD、NH4+-N和PO43--P[4]. 然而，工程實(shí)際卻需要污泥在自然條件下對(duì)含有復(fù)雜碳源的實(shí)際污水進(jìn)行處理，但是關(guān)于其在晝夜交替條件下處理含復(fù)雜有機(jī)物污水的研究鮮有報(bào)道，從而極大地限制了MBGS工藝的進(jìn)一步工程應(yīng)用. 該研究旨在初步探索在晝夜交替條件下的連續(xù)流管式光生物反應(yīng)器中MBGS工藝對(duì)復(fù)雜有機(jī)物的去除效能及機(jī)制，以期為MBGS工藝進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 模擬市政污水

該試驗(yàn)采用模擬市政污水[19]，主要成分為128.2 mg/L NaAc、93.7 mg/L C6H12O6、8.7 mg/L 蛋白胨、26.1 mg/L 酵母提取物、61.0 mg/L 淀粉、45.9 mg/L 尿素、76.4 mg/L NH4Cl、13.2 mg/L KH2PO4、104.2 mg/L MgSO4·7H2O、27.7 mg/L CaCl2、2.9 mg/L FeSO4·7H2O、40.0 mg/L NaHCO3、微量元素(10.0 mg/L EDTA、0.15 mg/L H3BO3、0.10 mg/L MnSO4·H2O、0.03 mg/L CuSO4·5H2O、0.12 mg/L ZnSO4·7H2O、0.06 mg/L Na2MoO4·2H2O、0.18 mg/L KI、0.15 mg/L CoCl2·6H2O). 進(jìn)水pH約為7.4，初始的ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和ρ(PO43--P)分別約為250.0、20.0、45.0和3.0 mg/L.

1.2 試驗(yàn)裝置

管式光生物反應(yīng)器通過(guò)蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)以連續(xù)流方式運(yùn)行〔見(jiàn)圖1(a)〕，其中反應(yīng)器內(nèi)MBGS濃度保持在6.0 g/L左右，污泥體積指數(shù)(SVI5)約為40.0 mL/g，平均粒徑約為2.0 mm. 反應(yīng)器的尺寸參數(shù)為直徑2.3 cm、長(zhǎng)度50 cm、體積200 mL、短支架高5 cm、長(zhǎng)支架高9.5 cm. 光照強(qiáng)度通過(guò)照度計(jì)測(cè)量裝置表面接受光照部分所得，水溫和DO濃度分別使用溫度計(jì)和溶解氧儀在裝置中部留口位置〔見(jiàn)圖1(a)〕測(cè)量記錄. 該試驗(yàn)所用的藻-菌顆?！惨?jiàn)圖1(b)〕來(lái)自筆者所在課題組前期的研究[20]. 試驗(yàn)在自然條件下晝夜交替運(yùn)行(光照周期∶黑暗周期為10 h∶14 h)，水力停留時(shí)間(HRT)為12 h. 收集到的水樣通過(guò)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后進(jìn)行進(jìn)一步分析.

圖1 管式光生物反應(yīng)器裝置和藻-菌顆粒表觀圖

1.3 分析指標(biāo)和方法

采用標(biāo)準(zhǔn)方法[21]測(cè)定COD、NH4+-N、PO43--P、NO3--N、NO2--N、TN、混合液懸浮固體(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)的濃度和污泥體積指數(shù)(SVI5). MBGS中葉綠素含量通過(guò)丙酮提取法[22]測(cè)定，并計(jì)算試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)MBGS中葉綠素a和葉綠素b含量[23]. 采用溶解氧儀(Yellow Springs, OH, USA)和pH計(jì)(STARTER3100, Ohaus, USA)測(cè)定DO濃度和pH. 每天測(cè)量和記錄當(dāng)天09:00—15:00的光照強(qiáng)度、水溫和DO濃度，測(cè)量間隔時(shí)間為1 h. 通過(guò)SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA分析，P<0.05表示存在顯著性差異.

1.4 DNA 提取和Miseq測(cè)序

試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)取1 mL MBGS，使用Mag-Bind土壤DNA試劑盒(Omega YM Biotech Co., Ltd.)提取總DNA，隨后通過(guò)NanoDrop NC-2000分光光度計(jì)和1.2%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行驗(yàn)證. 采用Illumina Miseq平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)MBGS樣本的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其中16S rRNA和18S rRNA基因分別采用原核生物通用引物338F-806R和真核生物通用引物528F-706R進(jìn)行擴(kuò)增[24]，Miseq測(cè)序數(shù)據(jù)分析參考文獻(xiàn)[25]進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件及污染物去除性能

試驗(yàn)期間09:00—15:00反應(yīng)裝置內(nèi)的光照強(qiáng)度、水溫和DO濃度變化如表1所示. 試驗(yàn)第1、4、5、7天為晴天，其余3天均為陰天，除第3天降溫外，其余時(shí)間沒(méi)有明顯的溫度變化. 由表1可知，試驗(yàn)期間12:00—13:00光照強(qiáng)度最大，其中最大光照強(qiáng)度為 69 000～130 000 lx，最小光照強(qiáng)度為900～1 300 lx；反應(yīng)器內(nèi)水溫隨光照強(qiáng)度的變化而變化，正午最高水溫可達(dá)40.1 ℃，最低水溫為19.6 ℃；DO濃度與光照強(qiáng)度、水溫均相關(guān)，當(dāng)光照強(qiáng)度越高，微藻通過(guò)光合作用產(chǎn)生的O2也越多，反應(yīng)器中DO濃度也越高，其中12:00—13:00 DO濃度最高為48.3 mg/L，最低為8.6 mg/L. 試驗(yàn)期間15:00的光照強(qiáng)度除第一天外均低于 5 000 lx. 有研究[26]顯示，當(dāng)光照強(qiáng)度低于 5 000 lx時(shí)，小球藻的光合作用將會(huì)受到影響，MBGS便會(huì)消耗裝置內(nèi)的DO以維持生命活動(dòng). 試驗(yàn)期間15:00的DO濃度平均值為18.2 mg/L，最高值為35.2 mg/L，氧氣在裝置內(nèi)過(guò)飽和. 試驗(yàn)第5、6、7天09:00時(shí)DO濃度最低值為8.2 mg/L，最高值為10.3 mg/L，說(shuō)明晚上裝置內(nèi)也可能處于好氧狀態(tài).

表1 光照強(qiáng)度、水溫及DO濃度的變化

如圖2所示，白天平均進(jìn)水ρ(COD)為219.4 mg/L，晚上平均進(jìn)水ρ(COD)為237.0mg/L，其在白天和晚上的平均去除率分別為77.1%和88.0%，平均去除速率分別為0.34和0.42 kg/(m3·d)，該工藝對(duì)COD的去除率高于MBGS在糖蜜廢水中的去除率[27]. 由試驗(yàn)結(jié)果可知，MBGS工藝在自然光照條件下對(duì)COD具有較好的去除效果，且晚上的處理效果優(yōu)于白天. 白天、晚上平均進(jìn)水ρ(PO43--P)為3.0 mg/L，其在白天和晚上的平均去除率分別為87.2%和42.7%，平均去除速率分別為0.005 2和0.002 6 kg/(m3·d). 白天平均進(jìn)水ρ(TN)為41.4 mg/L，晚上平均進(jìn)水ρ(TN)為43.7 mg/L，其在白天和晚上的平均去除率分別為30.8%和12.6%，平均去除速率分別為0.026和0.011 kg/(m3·d). 白天PO43--P和TN的去除率均高于晚上，且白天是晚上的2倍多. 在整個(gè)試驗(yàn)期間未檢測(cè)到NO2--N和NO3--N，說(shuō)明MBGS工藝不是通過(guò)硝化、反硝化作用脫氮，而是通過(guò)同化作用去除NH4+-N，這與已有的研究[4,20]結(jié)果一致. 同時(shí)，由于蛋白胨、酵母提取物和尿素中含有大量有機(jī)氮，從而導(dǎo)致試驗(yàn)期間NH4+-N濃度在白天晚上均會(huì)升高.

圖2 試驗(yàn)期間COD、PO43--P和TN的去除效能

2.2 MBGS的基本參數(shù)

試驗(yàn)前后MBGS的基本參數(shù)如表2所示. 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，MBGS量增加，葉綠素a含量略微增加，而葉綠素b的含量大幅增加，表明試驗(yàn)期間綠藻數(shù)量增加.

表2 試驗(yàn)前后藻-菌顆粒污泥(MBGS)的基本參數(shù)

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)前后原核生物在綱、屬水平的群落結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 試驗(yàn)前后產(chǎn)氧光細(xì)菌綱(Oxyphotobacteria)Leptolyngbya_PCC-6306屬是最豐富的藍(lán)藻，豐度高達(dá)77%，其可吸收CO2和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)通過(guò)光合作用產(chǎn)生O2. 在除磷方面，Leptolyngbya是主要的除磷藻類，其次是綠藻. 據(jù)報(bào)道，Leptolyngbya有合成聚磷酸鹽(poly-P)的能力[28]，同時(shí)在MBGS工藝中poly-P的儲(chǔ)存是除磷的主要途徑[29]. 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，擬桿菌綱(Bacteroidia)和熱帶單胞菌屬(Tropicimonas)的豐度較試驗(yàn)前分別增加了3.46%和1.61%. 有研究表明，擬桿菌綱能夠分解蛋白胨和葡萄糖[30]，熱帶單胞菌屬可以分解支鏈烷烴[31]，說(shuō)明二者均有利于復(fù)雜有機(jī)物的降解. 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)和γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)的豐度均達(dá)到13.75%，這些細(xì)菌多為異養(yǎng)細(xì)菌，可以將有機(jī)污染物氧化并產(chǎn)生CO2供微藻光合作用. MGBS中未檢測(cè)出與硝化反應(yīng)有關(guān)的細(xì)菌，同時(shí)陶厄氏菌屬(Thauera)的豐度也由開(kāi)始的4.99%降至0.19%. 研究[32]顯示，陶厄氏菌屬具有反硝化能力，其豐度降低說(shuō)明了在該條件下不發(fā)生反硝化反應(yīng). 因此，進(jìn)一步證明NH4+-N的去除主要是由于微生物的同化作用.

圖3 試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)原核生物在綱水平和屬水平的群落結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)前后真核生物在綱、屬水平的群落結(jié)構(gòu)如圖4 所示. 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)共球藻綱(Trebouxiophyceae)小球藻屬(Chlorella)的豐度由64.26%增至75.62%，小球藻作為真核生物優(yōu)勢(shì)藻的地位沒(méi)有改變. 同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新的真核生物，即寡膜綱(Oligohymenophorea)四膜蟲(chóng)屬(Tetrahymena)，且其豐度達(dá)到了19.21%. 有研究[33]顯示，四膜蟲(chóng)對(duì)乳清具有潛在的生物降解作用，因此其可能對(duì)復(fù)雜有機(jī)物有一定的降解作用，從而為異養(yǎng)細(xì)菌提供小分子有機(jī)物.

圖4 試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)真核生物在綱水平和屬水平的群落結(jié)構(gòu)

2.4 MBGS工藝中COD、N、P的去除機(jī)理

該試驗(yàn)?zāi)M市政污水，其進(jìn)水中包含大量復(fù)雜有機(jī)物. 由上述微生物群落分析可知：試驗(yàn)結(jié)束時(shí)具有降解復(fù)雜有機(jī)物能力的擬桿菌綱(Bacteroidia)、熱帶單胞菌屬(Tropicimonas)、四膜蟲(chóng)屬(Tetrahymena)的豐度較試驗(yàn)前都有所增加，其中擬桿菌綱(Bacteroidia)和四膜蟲(chóng)屬(Tetrahymena)均為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)新增微生物. 由此推測(cè)，大分子有機(jī)物先經(jīng)過(guò)以上微生物分解成小分子有機(jī)物，再被異養(yǎng)細(xì)菌利用合成自身物質(zhì). 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晚上COD的去除效果優(yōu)于白天，且二者具有顯著性差異 (ANOVA,P<0.05)，說(shuō)明較低濃度的溶解氧可能更有利于有機(jī)物的去除，這與Rossi等[34]的研究結(jié)論一致.

試驗(yàn)期間進(jìn)水ρ(PO43--P)維持在3.0 mg/L左右. 白天PO43--P的平均去除率為87.2%，而夜晚僅為42.7%，二者具有顯著性差異(ANOVA,P<0.05). MBGS工藝中P通過(guò)同化作用和poly-P儲(chǔ)存去除[31]，Leptolyngbya_PCC-6306主要通過(guò)poly-P儲(chǔ)存除磷，小球藻(Chlorella)則主要通過(guò)同化作用除磷. 在黑暗條件下，Leptolyngbya_PCC-6306可水解細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的poly-P以獲得所需能量[29]，且生成的PO43--P釋放到液相中，導(dǎo)致PO43--P白天的去除效果明顯優(yōu)于晚上.

試驗(yàn)期間進(jìn)水ρ(NH4+-N)、ρ(TN)分別維持在20.0和45.0 mg/L左右. 白天TN的平均去除率為30.8%，晚上為12.6%，二者具有顯著性差異(ANOVA,P<0.05). 基于水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果和微生物群落分析可知，MBGS工藝的N主要通過(guò)同化作用去除. MBGS同化吸收C、N、P后，其分子式可寫(xiě)為C100H158O38N17P[4]，由此可知MBGS同化去除C、N、P具有一定的比例關(guān)系，其中，C/N=(100×12)/(17×14)=5. 試驗(yàn)期間COD的進(jìn)水濃度理論值為250.0 mg/L，乙酸鈉的含碳量為29.3%，轉(zhuǎn)換成C含量則為93.8 mg/L，故MBGS通過(guò)同化作用所能吸收的最大N含量為18.8 mg/L(<45.0 mg/L). 因此，理論上即便MBGS同化了進(jìn)水中所有的C，也只能去除進(jìn)水中42%的N. 該試驗(yàn)中TN包括由蛋白胨、酵母提取物和尿素引入的有機(jī)氮和NH4+-N，反應(yīng)過(guò)程中有機(jī)氮轉(zhuǎn)換成NH4+-N. 但由于N不能完全被同化吸收，導(dǎo)致了TN的平均去除率低于30%.

3 結(jié)論

a) MBGS連續(xù)流工藝在自然光晝夜交替條件下，對(duì)含復(fù)雜有機(jī)物模擬市政污水的COD、PO43--P均有較好的去除效果，表明MBGS工藝具有處理實(shí)際污水的潛力.

b) 試驗(yàn)結(jié)束后擬桿菌綱(Bacteroidia)、熱帶單胞菌屬(Tropicimonas)、四膜蟲(chóng)屬(Tetrahymena)的豐度均增高，促進(jìn)了復(fù)雜有機(jī)物的降解.

c) 試驗(yàn)結(jié)果表明，MBGS工藝中C、N、P通過(guò)微生物同化作用去除，Leptolyngbya_PCC-6306的聚磷作用進(jìn)一步促進(jìn)了磷的去除.

d) MBGS工藝適用于處理C/N約為5的市政污水，同時(shí)暗條件有可能比光條件下COD的去除效能更高.