影响微藻-细菌颗粒污泥形成的操作参数：接种物类型与碳源组成的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Operational Parameters Driving Microalgal-Bacterial Granular Sludge Formation: Inoculum Type and Carbon Source Composition Effects

MBGS形成受低H/D比PSBR中污泥类型和碳源显著影响，FS/AGS对比及葡萄糖/丙酸钠组合实验表明接种污泥类型主导颗粒化进程，影响MLSS、叶绿素a及EPS分泌，绿藻主导的微生物群落形成同步硝化-反硝化-磷去除机制，其中油藻Tetradesmus贡献率达39.79%。

　　

崔帅|李松月|熊晓颖|曾慧萍|李东|张杰

北京工业大学水科学与水环境修复工程重点实验室，中国北京100123

摘要

在废水处理过程中，微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）的形成具有挑战性。本研究旨在探讨接种污泥类型和碳源组成对低剪切条件下低高径比（H/D）光序批式反应器（PSBR）中MBGS形成的影响。MBGS在45-65天内形成。接种污泥类型对MLSS、叶绿素a（Chl a）和胞外聚合物物质（EPS）的影响大于碳源组成。使用葡萄糖时，絮凝污泥（FS）/好氧颗粒污泥（AGS）反应器中的MLSS分别为4549/5941 mg/L；使用丙酸钠时，MLSS分别为5268/8703 mg/L。与丙酸钠相比，葡萄糖使Chl a增加了18.82%，而接种污泥类型的差异为42.66%。总EPS在葡萄糖+FS组合中最高（PN 55.70 mg/g MLSS，PS 31.05 mg/g MLSS，HA 152.82 mg/g MLSS）。基于原核生物的高通量测序显示，在低曝气条件下，MBGS中形成了同时具有硝化-反硝化和磷去除（SNDPR）功能的细菌群落，包括硝化细菌（DNB）和反硝化聚磷酸盐生物（DPAOs）。高通量真核生物测序表明，MBGS系统中唯一存在的真核生物门类是绿藻门，微藻来源于自来水。产油微藻（39.79%）、（17.38%）和（18.59%）在FS颗粒化形成MBGS过程中起关键作用。MBGS内部为不透光区域，颗粒内存在怕光线的小蠕虫，抑制了微藻的生长。本研究揭示了MBGS中一种新的细菌-微藻SNDPR机制，其中接种污泥类型对性能的影响大于碳源，为基于MBGS的废水处理提供了优化策略。

引言

近年来，微藻-细菌系统已成为废水处理的一种有前景的技术。微藻利用废水中的氮、磷等营养物质以及CO₂通过光合作用合成自身细胞物质并释放O₂。同时，好氧细菌分解有机物并产生微藻所需的营养物质，同时释放CO₂。这种协同作用有望高效去除营养物质并降低能耗，使其成为废水处理厂实现碳中和绿色转型的理想选择[1]、[2]。

好氧颗粒污泥（AGS）具有多种优势，包括高生物量产率、良好的沉淀性能、占地面积小以及同时去除氮和磷[3]。然而，高曝气要求限制了能源效率的提升潜力。使用反硝化聚磷酸盐积累生物（DPAOs）可实现碳、氮和磷的同时去除，且资源消耗显著降低，COD需求可减少50%，曝气能耗减少30%，污泥产量减少50%[4]、[5]。因此，将微藻与基于DPAOs的微好氧同步硝化-反硝化磷去除（SNDPR）颗粒结合形成新型微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）已成为当前的研究焦点[6]、[7]。

关于MBGS的启动，张等人[8]将絮凝污泥（FS）接种到高径比（H/D）为10的光合序批式反应器（PSBR）中以启动MBGS。20天后，形成了成熟的MBGS，其叶绿素a（Chl a）含量为2.17 mg/L。FS中的绝对优势真核微藻最初是金藻门，随后在MBGS中被绿藻门取代。何等人[9]将AGS接种到H/D为5的PSBR中，在0.064 cm/s的低曝气速率下，观察到丝状细菌与微藻之间的早期关联，这促进了胞外聚合物物质（EPS）的分泌，并在7天内加速了MBGS的快速形成。最新研究表明，接种污泥类型显著影响MBGS的启动速率和微生物群落组成[10]、[11]。然而，关于接种污泥类型对颗粒化动态、微藻定殖和群落演替影响的系统比较研究较少，阻碍了对微藻-细菌颗粒化协同机制的全面理解。

碳源组成类型也调节颗粒化过程。任等人[12]证明，添加葡萄糖可促进微藻生物量积累和脂质合成，优化脂肪酸组成，并促进生物柴油转化。Houtmeyers等人[13]和Verachtert等人[14]的先前研究发现，FS系统中存在葡萄糖可能导致丝状细菌大量繁殖，从而降低污泥沉淀性能。因此，在比较不同碳源对AGS形成的影响后，Rollemberg等人[15]发现，与葡萄糖相比，挥发性脂肪酸（VFAs）可更快形成颗粒，提高氮和磷的去除效率，增强颗粒稳定性，并增加细菌群落多样性。最新研究表明，混合碳源（如葡萄糖和乙酸）可调节EPS的组成和微生物代谢途径，从而影响颗粒稳定性[16]、[17]。大多数前述研究集中在单一碳源对纯细菌颗粒或纯微藻培养的影响上。然而，混合碳源对MBGS系统中微藻-细菌协同颗粒化、群落组成和功能稳定性的调节机制仍需进一步探索。

总之，MBGS研究仍存在关键研究空白：接种污泥类型如何影响颗粒化启动、微藻定殖和EPS分泌缺乏系统比较；混合碳源类型如何调节细菌和真核微藻群落的协同演替机制尚不清楚。本研究探讨了接种污泥类型（FS vs. AGS，分别代表传统和预颗粒化启动方式）和碳源组成（葡萄糖和丙酸钠，易生物降解碳源和复杂碳源）对低H/D PSBR在低曝气和机械搅拌条件下的颗粒化、营养物质去除和微生物群落的影响，旨在填补这些研究空白，并为MBGS工程应用提供理论和技术基础。

实验设置与操作

实验装置

实验使用了四个相同的有机玻璃PSBR，每个PSBR由上部圆柱形部分（高度50 cm，有效高度40 cm，内径19 cm）和下部圆锥形部分（高度16.5 cm，内径19 cm）组成。圆锥底部装有曝气装置。每个PSBR的有效工作体积为12.7 L，体积交换率为67%。本研究使用的PSBR具有2.10的低H/D比。设计上，低H/D比可减少生物选择压力

PSBR的运行状态

在低曝气和低机械搅拌条件下，四个低H/D PSBR可在45-65天内形成MBGS。此时，大于0.2 mm的颗粒比例超过80%，Chl a含量和EPS分泌稳定，出水质量一致。这些结果表明MBGS系统成功颗粒化且运行稳定[3]、[26]。图1显示了四个PSBR单元在120天运行期间的COD、氮和磷去除性能

讨论

研究表明，在低H/D和低剪切条件下，接种污泥类型对MBGS形成的影响大于碳源组成。FS接种在颗粒化速率、微藻定殖和EPS分泌方面优于AGS；而葡萄糖作为碳源促进了微藻生长和脂质积累。

首先，需要解释不同接种类型之间的差异。FS具有疏松多孔的结构，提供了更多的附着位点

结论

接种污泥类型在MBGS的快速形成中起更关键的作用。使用絮凝污泥并结合葡萄糖作为主要碳源显著增强了细菌和微藻的耦合，从而加速了MBGS的形成。此外，微藻在MBGS中均匀分布，表现出较高的Chl a和总脂质含量。相比之下，当使用好氧颗粒污泥并接种丙酸钠时

作者贡献声明

李东：监督、资金获取、概念构思。张杰：监督、概念构思。崔帅：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资金获取。曾慧萍：监督、数据分析、概念构思。李松月：撰写 – 初稿撰写、方法学设计、数据管理。熊晓颖：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：崔帅报告获得了北京博士后基金会项目（2022-ZZ-131）的财政支持；李东报告获得了北京市教育委员会科技专项项目（KM202310005020）的财政支持；董东报告获得了北京市杰出青年科学家计划的财政支持

致谢

本工作得到了北京博士后基金会项目（2022-ZZ-131）、北京市教育委员会科技专项项目（KM202310005020）和北京市杰出青年科学家计划（BJJWZYJH01201910005019）的支持。