藻-菌颗粒污泥工艺在自然光昼夜交替条件下处理含复杂有机物生活污水的效能及机理研究

石钰婷， 季 斌， 王初初， 苗璟仁， 孙 冲， 杜志宇

武汉科技大学城市建设学院, 湖北 武汉 430065

传统活性污泥法(CAS)工艺广泛应用于城市污水处理[1-3]. 然而随着环境可持续要求的不断提高，其能耗高、温室气体排放量大等问题逐渐凸显[4-5]，显然CAS工艺很难满足未来污水处理技术对能源消耗、碳排放和排放水质不断提高的要求[5]. 目前，人们致力于探索新的生物处理方法，以提高城市污水回用效率和成本效益，如藻-菌颗粒污泥(MBGS)工艺.

藻-菌协同工艺因其能量消耗少、处理成本低和资源回收价值高等优势，逐渐引起了污水处理领域的广泛关注[6-8]. 与传统活性污泥法工艺不同，藻-菌协同工艺依靠自然光驱动的微藻光合作用和细菌呼吸作用间的耦合机制. 在该体系中，一方面藻类能够在光照条件下吸收细菌产生的CO2生成O2；另一方面，细菌又可利用这些O2氧化污水中的有机物生成CO2[4,9-10]. 该过程可降低能耗，同时减少温室气体排放，而藻-菌生物质还可用于生产能源和高价值产品[7,11]. 因此，MBGS工艺是一种节能环保的新型污水处理工艺.

已有研究[5,12]表明，MBGS工艺可应用于模拟污水和实际污水的高效处理，同时可大大减少温室气体的排放. 当前关于该工艺的研究主要基于连续光照、间歇式反应器及含简单有机物的模拟污水[13-18]，当模拟市政污水中的碳源为简单有机物时，在连续光照条件下MBGS工艺可在6 h内分别去除92.7%、96.8%和87.2%的COD、NH4+-N和PO43--P[4]. 然而，工程实际却需要污泥在自然条件下对含有复杂碳源的实际污水进行处理，但是关于其在昼夜交替条件下处理含复杂有机物污水的研究鲜有报道，从而极大地限制了MBGS工艺的进一步工程应用. 该研究旨在初步探索在昼夜交替条件下的连续流管式光生物反应器中MBGS工艺对复杂有机物的去除效能及机制，以期为MBGS工艺进一步的工程应用提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 模拟市政污水

该试验采用模拟市政污水[19]，主要成分为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). 进水pH约为7.4，初始的ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和ρ(PO43--P)分别约为250.0、20.0、45.0和3.0 mg/L.

1.2 试验装置

管式光生物反应器通过蠕动泵驱动以连续流方式运行〔见图1(a)〕，其中反应器内MBGS浓度保持在6.0 g/L左右，污泥体积指数(SVI5)约为40.0 mL/g，平均粒径约为2.0 mm. 反应器的尺寸参数为直径2.3 cm、长度50 cm、体积200 mL、短支架高5 cm、长支架高9.5 cm. 光照强度通过照度计测量装置表面接受光照部分所得，水温和DO浓度分别使用温度计和溶解氧仪在装置中部留口位置〔见图1(a)〕测量记录. 该试验所用的藻-菌颗粒〔见图1(b)〕来自笔者所在课题组前期的研究[20]. 试验在自然条件下昼夜交替运行(光照周期∶黑暗周期为10 h∶14 h)，水力停留时间(HRT)为12 h. 收集到的水样通过0.45 μm 滤膜过滤后进行进一步分析.

图1 管式光生物反应器装置和藻-菌颗粒表观图

1.3 分析指标和方法

采用标准方法[21]测定COD、NH4+-N、PO43--P、NO3--N、NO2--N、TN、混合液悬浮固体(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)的浓度和污泥体积指数(SVI5). MBGS中叶绿素含量通过丙酮提取法[22]测定，并计算试验开始和结束时MBGS中叶绿素a和叶绿素b含量[23]. 采用溶解氧仪(Yellow Springs, OH, USA)和pH计(STARTER3100, Ohaus, USA)测定DO浓度和pH. 每天测量和记录当天09:00—15:00的光照强度、水温和DO浓度，测量间隔时间为1 h. 通过SPSS软件对试验数据进行ANOVA分析，P<0.05表示存在显著性差异.

1.4 DNA 提取和Miseq测序

试验开始和结束时取1 mL MBGS，使用Mag-Bind土壤DNA试剂盒(Omega YM Biotech Co., Ltd.)提取总DNA，随后通过NanoDrop NC-2000分光光度计和1.2%琼脂糖凝胶电泳进行验证. 采用Illumina Miseq平台对试验开始和结束时MBGS样本的微生物群落结构进行分析，其中16S rRNA和18S rRNA基因分别采用原核生物通用引物338F-806R和真核生物通用引物528F-706R进行扩增[24]，Miseq测序数据分析参考文献[25]进行.

2 结果与讨论

2.1 反应条件及污染物去除性能

试验期间09:00—15:00反应装置内的光照强度、水温和DO浓度变化如表1所示. 试验第1、4、5、7天为晴天，其余3天均为阴天，除第3天降温外，其余时间没有明显的温度变化. 由表1可知，试验期间12:00—13:00光照强度最大，其中最大光照强度为 69 000～130 000 lx，最小光照强度为900～1 300 lx；反应器内水温随光照强度的变化而变化，正午最高水温可达40.1 ℃，最低水温为19.6 ℃；DO浓度与光照强度、水温均相关，当光照强度越高，微藻通过光合作用产生的O2也越多，反应器中DO浓度也越高，其中12:00—13:00 DO浓度最高为48.3 mg/L，最低为8.6 mg/L. 试验期间15:00的光照强度除第一天外均低于 5 000 lx. 有研究[26]显示，当光照强度低于 5 000 lx时，小球藻的光合作用将会受到影响，MBGS便会消耗装置内的DO以维持生命活动. 试验期间15:00的DO浓度平均值为18.2 mg/L，最高值为35.2 mg/L，氧气在装置内过饱和. 试验第5、6、7天09:00时DO浓度最低值为8.2 mg/L，最高值为10.3 mg/L，说明晚上装置内也可能处于好氧状态.

表1 光照强度、水温及DO浓度的变化

如图2所示，白天平均进水ρ(COD)为219.4 mg/L，晚上平均进水ρ(COD)为237.0mg/L，其在白天和晚上的平均去除率分别为77.1%和88.0%，平均去除速率分别为0.34和0.42 kg/(m3·d)，该工艺对COD的去除率高于MBGS在糖蜜废水中的去除率[27]. 由试验结果可知，MBGS工艺在自然光照条件下对COD具有较好的去除效果，且晚上的处理效果优于白天. 白天、晚上平均进水ρ(PO43--P)为3.0 mg/L，其在白天和晚上的平均去除率分别为87.2%和42.7%，平均去除速率分别为0.005 2和0.002 6 kg/(m3·d). 白天平均进水ρ(TN)为41.4 mg/L，晚上平均进水ρ(TN)为43.7 mg/L，其在白天和晚上的平均去除率分别为30.8%和12.6%，平均去除速率分别为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. 在整个试验期间未检测到NO2--N和NO3--N，说明MBGS工艺不是通过硝化、反硝化作用脱氮，而是通过同化作用去除NH4+-N，这与已有的研究[4,20]结果一致. 同时，由于蛋白胨、酵母提取物和尿素中含有大量有机氮，从而导致试验期间NH4+-N浓度在白天晚上均会升高.

图2 试验期间COD、PO43--P和TN的去除效能

2.2 MBGS的基本参数

试验前后MBGS的基本参数如表2所示. 试验结束时，MBGS量增加，叶绿素a含量略微增加，而叶绿素b的含量大幅增加，表明试验期间绿藻数量增加.

表2 试验前后藻-菌颗粒污泥(MBGS)的基本参数

2.3 微生物群落结构分析

试验前后原核生物在纲、属水平的群落结构如图3 所示. 试验前后产氧光细菌纲(Oxyphotobacteria)Leptolyngbya_PCC-6306属是最丰富的蓝藻，丰度高达77%，其可吸收CO2和营养物质，同时通过光合作用产生O2. 在除磷方面，Leptolyngbya是主要的除磷藻类，其次是绿藻. 据报道，Leptolyngbya有合成聚磷酸盐(poly-P)的能力[28]，同时在MBGS工艺中poly-P的储存是除磷的主要途径[29]. 试验结束时，拟杆菌纲(Bacteroidia)和热带单胞菌属(Tropicimonas)的丰度较试验前分别增加了3.46%和1.61%. 有研究表明，拟杆菌纲能够分解蛋白胨和葡萄糖[30]，热带单胞菌属可以分解支链烷烃[31]，说明二者均有利于复杂有机物的降解. 试验结束时α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的丰度均达到13.75%，这些细菌多为异养细菌，可以将有机污染物氧化并产生CO2供微藻光合作用. MGBS中未检测出与硝化反应有关的细菌，同时陶厄氏菌属(Thauera)的丰度也由开始的4.99%降至0.19%. 研究[32]显示，陶厄氏菌属具有反硝化能力，其丰度降低说明了在该条件下不发生反硝化反应. 因此，进一步证明NH4+-N的去除主要是由于微生物的同化作用.

图3 试验开始和结束时原核生物在纲水平和属水平的群落结构

试验前后真核生物在纲、属水平的群落结构如图4 所示. 试验结束时共球藻纲(Trebouxiophyceae)小球藻属(Chlorella)的丰度由64.26%增至75.62%，小球藻作为真核生物优势藻的地位没有改变. 同时，试验结束时发现了一种新的真核生物，即寡膜纲(Oligohymenophorea)四膜虫属(Tetrahymena)，且其丰度达到了19.21%. 有研究[33]显示，四膜虫对乳清具有潜在的生物降解作用，因此其可能对复杂有机物有一定的降解作用，从而为异养细菌提供小分子有机物.

图4 试验开始和结束时真核生物在纲水平和属水平的群落结构

2.4 MBGS工艺中COD、N、P的去除机理

该试验模拟市政污水，其进水中包含大量复杂有机物. 由上述微生物群落分析可知：试验结束时具有降解复杂有机物能力的拟杆菌纲(Bacteroidia)、热带单胞菌属(Tropicimonas)、四膜虫属(Tetrahymena)的丰度较试验前都有所增加，其中拟杆菌纲(Bacteroidia)和四膜虫属(Tetrahymena)均为试验结束时新增微生物. 由此推测，大分子有机物先经过以上微生物分解成小分子有机物，再被异养细菌利用合成自身物质. 通过试验发现晚上COD的去除效果优于白天，且二者具有显著性差异 (ANOVA,P<0.05)，说明较低浓度的溶解氧可能更有利于有机物的去除，这与Rossi等[34]的研究结论一致.

试验期间进水ρ(PO43--P)维持在3.0 mg/L左右. 白天PO43--P的平均去除率为87.2%，而夜晚仅为42.7%，二者具有显著性差异(ANOVA,P<0.05). MBGS工艺中P通过同化作用和poly-P储存去除[31]，Leptolyngbya_PCC-6306主要通过poly-P储存除磷，小球藻(Chlorella)则主要通过同化作用除磷. 在黑暗条件下，Leptolyngbya_PCC-6306可水解细胞内储存的poly-P以获得所需能量[29]，且生成的PO43--P释放到液相中，导致PO43--P白天的去除效果明显优于晚上.

试验期间进水ρ(NH4+-N)、ρ(TN)分别维持在20.0和45.0 mg/L左右. 白天TN的平均去除率为30.8%，晚上为12.6%，二者具有显著性差异(ANOVA,P<0.05). 基于水质指标检测结果和微生物群落分析可知，MBGS工艺的N主要通过同化作用去除. MBGS同化吸收C、N、P后，其分子式可写为C100H158O38N17P[4]，由此可知MBGS同化去除C、N、P具有一定的比例关系，其中，C/N=(100×12)/(17×14)=5. 试验期间COD的进水浓度理论值为250.0 mg/L，乙酸钠的含碳量为29.3%，转换成C含量则为93.8 mg/L，故MBGS通过同化作用所能吸收的最大N含量为18.8 mg/L(<45.0 mg/L). 因此，理论上即便MBGS同化了进水中所有的C，也只能去除进水中42%的N. 该试验中TN包括由蛋白胨、酵母提取物和尿素引入的有机氮和NH4+-N，反应过程中有机氮转换成NH4+-N. 但由于N不能完全被同化吸收，导致了TN的平均去除率低于30%.

3 结论

a) MBGS连续流工艺在自然光昼夜交替条件下，对含复杂有机物模拟市政污水的COD、PO43--P均有较好的去除效果，表明MBGS工艺具有处理实际污水的潜力.

b) 试验结束后拟杆菌纲(Bacteroidia)、热带单胞菌属(Tropicimonas)、四膜虫属(Tetrahymena)的丰度均增高，促进了复杂有机物的降解.

c) 试验结果表明，MBGS工艺中C、N、P通过微生物同化作用去除，Leptolyngbya_PCC-6306的聚磷作用进一步促进了磷的去除.

d) MBGS工艺适用于处理C/N约为5的市政污水，同时暗条件有可能比光条件下COD的去除效能更高.