微藻生物強化對藻-菌顆粒污泥的形成影響及污染物去除研究

肖亞兵，張雪純，季 斌，樊 杰，郭紹東

武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065

目前，在工程實踐中需要實現(xiàn)生態(tài)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展目標. 藻-菌顆粒污泥(microalgal-bacterial granular sludge, MBGS)由于具有較低的能耗需求、較少的碳排放和潛在的資源回收價值而受到污水處理領(lǐng)域越來越多的關(guān)注[1-3]. 由于微藻光合作用產(chǎn)生的氧氣可被細菌用于有機物的氧化，而細菌產(chǎn)生的二氧化碳可被微藻利用而產(chǎn)生氧氣[4-5]，而易沉降的藻-菌生物質(zhì)可被進一步用作能源/資源的原材料[1,6].因此，MBGS有望同步實現(xiàn)水-資源-能源的回收，符合環(huán)境可持續(xù)的理念.

MBGS的培養(yǎng)是MBGS工藝應用的重要前提.研究[7]表明，MBGS可通過好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge, AGS)培養(yǎng)形成，其藻種來源于顆粒污泥本身，具有不確定性，因此也很難確定MBGS中的優(yōu)勢微生物尤其是關(guān)鍵藻種. 如Zhang等[8-9]通過AGS培養(yǎng)得到MBGS的關(guān)鍵藻種屬于藍藻，而Zhang等[10]培養(yǎng)得到的MBGS關(guān)鍵藻種為綠藻.

生物強化可作為MBGS的培養(yǎng)方式之一. 已有研究通過培養(yǎng)小球藻接種活性污泥的方式得到MBGS[11-12]，也有研究通過接種小球藻和柵藻強化AGS的方式獲得MBGS[13]. 然而，關(guān)于不同微藻的生物強化過程及關(guān)鍵藻種的作用還有待進一步研究. 因此，本研究通過微藻生物強化AGS的方式培養(yǎng)MBGS，分別向序批式光生物反應器中投加小球藻(R1反應器)、小球藻和斜生柵藻(R2反應器)以及小球藻、斜生柵藻和鮑氏細鞘絲藻(R3反應器)，并對形成的MBGS理化特性、污染物去除以及微生物群落結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)研究，以期進一步理解通過AGS培養(yǎng)MBGS的過程及關(guān)鍵藻種的作用機理.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置和操作

試驗裝置采用圓筒狀序批式反應器，內(nèi)徑約為10 cm，高徑比為8，有效容積約為6.0 L. 該研究使用的AGS通過He等[14]的方法進行培養(yǎng). 序批式反應器(sequencing batch reactor, SBR)在厭氧/有氧/缺氧(A/O/A)模式下運行，周期為8 h，其中進水時間3 min，厭氧階段120 min，好氧階段210 min，缺氧階段142 min，沉淀2 min，排水3 min，體積交換率為50%(每個循環(huán)3.0 L). 研究開始時，R1、R2和R3反應器的混合液懸浮固體(MLSS)濃度約為5 g/L，5 min污泥體積指數(shù)(SVI5)約為40 mL/g. 光源為圓筒中部的LED燈(4 000 lx)，反應器在(25±3) ℃條件下運行.該試驗開始前15 d為常規(guī)AGS穩(wěn)定運行階段，之后向反應器中分別加入小球藻(Chlorella pyrenoidosa)，小球藻和斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)，小球藻、斜生柵藻和鮑氏細鞘絲藻(Leptolyngbya boryana)，微藻接種質(zhì)量比均為1.0% (以干質(zhì)量計).

1.2 合成市政廢水成分

該研究使用以下組成的合成廢水：COD (化學需氧量，CH3COONa)濃度約為320 mg/L，NH4+-N (氨氮，NH4Cl)濃度約為35 mg/L，PO43--P (磷酸鹽，KH2PO4)濃度約為9 mg/L，10 mg/L CaCl2和1 mL/L微量元素溶液(10 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和0.15 mg/L CoCl2·6H2O). 使 用0.1 mmol/L HCl和NaOH將合成廢水的pH調(diào)至6.5±0.1.

1.3 分析方法

COD、TN、NH4+-N和TP濃度按照標準方法測定[15]；酸堿度(pH)和溶解氧(DO)濃度分別采用pH計〔ST3100，奧豪斯儀器(常州)有限公司〕和溶解氧儀(JPB-607A，上海儀電科學儀器公司)測定；從試驗開始，以10 d為一周期，通過標準方法測定SVI以及葉綠素a、葉綠素b、MLSS和MLVSS的濃度；采用激光粒度儀〔Hydro 2000SM，微平科技(廣州)有限公司〕測定MBGS粒徑分布；胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)采用改進的熱提取方法[16]提取，且其組成成分采用熒光分光光度計(F-7100型，日本日立公司)測定；蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)分別通過改良的Lowry法[17]和硫酸-蒽酮比色法[18]測定.

1.4 微生物群落分析

通過Illumina Miseq測序和顯微鏡檢查研究了微生物群落. 為進行真核、原核生物群落分析，在第20、40、60天分別收集R1、R2和R3反應器的污泥樣 本. 使 用OMEGA試 劑 盒(OMEGA Biotek Inc.,Norcross, GA, USA)提取DNA，并采用Nanodrop和1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質(zhì)量. 原核、真核生物16S rRNA的擴增引物組分別為338F-806R和528F-706R[19]. 16S rRNA基因序列可在NCBI(http://www.NCBI.nlm.nih.gov/sra)上獲得，登錄號為PRJNA631461.

1.5 統(tǒng)計分析

使用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析(one way ANOVN)，分析污染物去除率與理化特性的統(tǒng)計差異，如果P＜0.05，則表明存在統(tǒng)計學顯著性差異，反之P＞0.05，則表示無顯著性差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒特性

2.1.1顆粒沉降性能及粒徑分布

R1、R2和R3反應器初始MLSS濃度分別為(4.9±0.1)(4.9±0.1)和(5.2±0.1) g/L. 在該研究過程中3個反應器MLVSS濃度維持在(3.5±0.4) g/L. 接種微藻后，3個反應器SVI值都有所增加，這可能是由于微藻生長和細菌之間營養(yǎng)競爭，導致EPS分泌量在一定程度上有所增加引起的[8]. 經(jīng)過30 d的培養(yǎng)，R1、R2和R3反應器中的MBGS均表現(xiàn)出了良好的沉降性能〔見圖1(a)〕，其穩(wěn)定時的SVI5/SVI2分別為0.985、0.994、0.994，表明MBGS沉降性能較好. 另外，穩(wěn)定期R2和R3反應器形成的MBGS粒徑較R1反應器略大〔見圖1(b)〕，表明斜生柵藻的接種有可能利于MBGS粒徑增長.

圖 1 3個反應器中藻-菌顆粒污泥的沉降性與粒徑分布Fig.1 Sludge settling property and granular size distribution of microalgal-bacterial granular sludge in 3 reactors

2.1.2胞外聚合物

EPS在維持MBGS穩(wěn)定性和藻菌共生結(jié)構(gòu)中有著至關(guān)重要的作用[4,20-27]. 3D-EEM光譜圖顯示了EPS成分(見圖2). 如Chen等[28]的報道，峰B1、B2、B3與酪氨酸等簡單芳香蛋白有關(guān)，峰A1、A2、A3與可溶性微生物副產(chǎn)物；峰C1、C2與腐殖酸有機物有關(guān)，而峰B2、B3也與類富里酸物質(zhì)有關(guān). 由圖2可明顯觀察到，R1反應器與R2、R3反應器 EPS成分(酪氨酸等簡單芳香蛋白、可溶性微生物副產(chǎn)物、腐殖酸、類富里酸)[28]存在顯著性差異，而R2反應器與R3反應器在EPS組成上相似.

圖 2 3個反應器中藻-菌顆粒污泥EPS的3D-EEM光譜Fig.2 3D-EEM spectra of the EPS of microalgal-bacterial granular sludge of 3 reactors

2.2 污染物去除

R1、R2和R3反應器對COD去除率如圖3(a)所示. AGS系統(tǒng)第一階段COD平均去除率分別為92.3%、93.1%、93.2%. 經(jīng)過第二階段適應期，3個反應器在第三階段穩(wěn)定期COD平均去除率分別達到98.3%，98.0%，99.3%〔見圖3(a)〕. 該結(jié)果表明，相比AGS系統(tǒng)，穩(wěn)定后的MBGS系統(tǒng)具有更高的有機物去除率. 而由于3個反應器表現(xiàn)出相似的COD去除率(P＞0.05). 因此，在R1反應器中接種小球藻的基礎上再接種一至兩種微藻(斜生柵藻、鮑氏細鞘絲藻)不會顯著影響COD的去除率，這與Fan等[11,29-30]的研究結(jié)果類似.

圖 3 COD、NH4+-N、TN、TP進出水濃度及去除率Fig.3 Variations of concentrations of COD, NH4+-N, TN, TP of influent and effluent and the removal efficiency

第一階段，R1、R2和R3反應器NH4+-N平均去除率分別為97.8%、98.7%、98.7%〔見圖3(b)〕. 接種微藻后的適應期，NH4+-N去除率快速下降. 穩(wěn)定后的MBGS系統(tǒng)，NH4+-N平均去除率分別為98.9%、99.5%、99.5%〔見圖3(b)〕. 由此可得，MBGS系統(tǒng)去除NH4+-N的效能優(yōu)于AGS系統(tǒng). 另外，穩(wěn)定后的MBGS系統(tǒng)和第一階段AGS系統(tǒng)對TN去除率均高于70%〔見圖3(c)〕，但無顯著差異(P＞0.05).

如圖3(d)所示，R1、R2和R3反應器在第三階段TP平均去除率達到93.2%、96.5%、98.2%，相較第一階段TP的去除率，說明小球藻的接種可顯著提高磷的去除率[31]. R2、R3反應器與R1反應器相比，磷去除率分別增加3.3%、5.0%(P＜0.05)，另外R2與R3反應器在磷的去除方面也具有顯著性差異(P＜0.05).以上結(jié)果表明，微藻強化對反應器生物除磷有顯著提高作用.

2.3 微生物群落

2.3.1原核生物群落

Illumina Miseq測序分析了3個反應器第20、40、60天的9個樣品，每個樣品有效序列量在90 000~130 000之間，OTU數(shù)量在2 100以上，香農(nóng)威納指數(shù)和辛普森指數(shù)分別在6.7、0.94以上. 如圖4所示， 變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)和浮霉菌門(Planctomycetes)這4個菌群的豐度總和占90%左右(見圖4). 這些細菌多為異養(yǎng)菌，可為有機物的高效去除提供保障. 另外，硝化螺旋菌門(Nitrospirae)可實現(xiàn)亞硝酸鹽的氧化[32-33].β-變形菌的紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae)為除磷的主要貢獻者[34]，其在R1、R2和R3反應器的相對豐度分別為18.6%、26.8%和39.6%. 微纖毛蟲科(Microscillaceae)具有分泌多糖的功能[35]，有利于MBGS顆粒的結(jié)構(gòu)維持. 伯克氏菌科(Burkholderiaceae)具有降解有機物的潛能[36]，對COD的去除可能有重要貢獻.

圖 4 3個反應器原核生物在門分類水平上的組成Fig.4 The compositions of prokaryotes in 3 reactors at the phylum level

2.3.2真核生物群落

由圖5可以看出，R1、R2、R3反應器真核微生物主要包括輪蟲門(Rotifera)、綠藻門(Chlorophyta)、子囊菌門(Ascomycota)、隱霉菌門(Cryptomycota). 輪蟲的出現(xiàn)反映了MBGS良好的沉降性. 接種微藻后，R3反應器未檢測出藍藻，表明鮑氏細鞘絲藻在藻類競爭中被淘汰，而綠藻門有明顯增加，最終R3反應器形成了與R2反應器功能微生物類似的MBGS系統(tǒng).

圖 5 3個反應器真核生物在門分類水平上的組成Fig.5 The compositions of eukaryotes in 3 reactors at the phylum level

3 結(jié)論

a) 相比AGS系統(tǒng)，MBGS系統(tǒng)具有更優(yōu)的沉降性和更高的污染物去除率.

b) 相比加入小球藻的R1反應器，投加小球藻與斜生柵藻的R2、R3反應器具有更高的污染物去除率，說明斜生柵藻的投加有利于MBGS的污染物去除.

c) 斜生柵藻的投加有利于促進微生物EPS的分泌，從而維持MBGS的結(jié)構(gòu)和功能.