摘要

在一個(gè)新型微藻集成固定化活性污泥（MAIFAS）序批式反應(yīng)器（SBR）中研究了從合成廢水中去除氮（N）和磷（P），以更好地理解廢水處理中的微藻/細(xì)菌生物膜。MAIFAS系統(tǒng)在不需要機(jī)械曝氣的情況下去除了>99%的氨氮和51%的磷，這明顯優(yōu)于懸浮微藻污泥對(duì)照，后者僅從合成廢水中去除了57%的氨氮和49%的磷。

使用微電極進(jìn)行的微觀研究表明，MAIFAS生物膜具有明確的光氧合作用，表面DO濃度達(dá)到6.7 mg O?/L，而體相溶液中為1.2 mg O?/L。這種局部氧合似乎有助于生物膜內(nèi)氨氮去除的增加。氨氮微剖面顯示生物膜的藻類部分沒有顯著的氨氮去除，表明MAIFAS反應(yīng)器中藻類生物膜的作用主要是輔助光氧合。基因測(cè)序顯示，在IFAS系統(tǒng)中添加微藻促進(jìn)了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的顯著變化，并改變了幾種細(xì)菌群體的代謝活性。特別是，與IFAS對(duì)照相比，MAIFAS生物膜顯示出大量的Candidatus Accumulibacter種群（55% vs. <1%）。

總體而言，這項(xiàng)研究代表了一種使用混合共生微藻基IFAS技術(shù)降低能耗同時(shí)滿足嚴(yán)格出水標(biāo)準(zhǔn)的新策略。

引言

隨著人口的增長(zhǎng)和環(huán)境要求變得更加嚴(yán)格，需要滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)并降低能耗的可持續(xù)水處理已成為水行業(yè)的首要任務(wù)。為了解決這些問題，微藻處理系統(tǒng)已被研究作為一種低成本、環(huán)境友好的廢水處理替代方案，以替代傳統(tǒng)的廢水處理工藝。藻類的營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)需求為高級(jí)生物修復(fù)和生物燃料生產(chǎn)提供了機(jī)會(huì)，通過將工業(yè)和市政設(shè)施與藻類系統(tǒng)整合，以實(shí)現(xiàn)城市資源的整體管理。

例如，微藻（如普通小球藻）已被用于處理廢水，因?yàn)樗鼈兙哂形諣I(yíng)養(yǎng)物（氮[N]和磷[P]）的潛力，而不必依賴有機(jī)碳源。此外，微藻作為一種可再生能源引起了關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂懈呱锪亢椭|(zhì)生產(chǎn)力的潛力（比傳統(tǒng)作物生產(chǎn)生物柴油高15-300倍）。

近年來，幾項(xiàng)研究將藻類光合作用與傳統(tǒng)的生物營(yíng)養(yǎng)物去除工藝相結(jié)合。在這些系統(tǒng)中，藻類光合作用通過減少與機(jī)械曝氣相關(guān)的能源成本（即，工廠能源成本的45-75%）來顯著降低能耗。例如，Karya等人實(shí)現(xiàn)了在沒有機(jī)械曝氣的情況下從廢水中完全去除氨氮（50 mg NH??-N L?1），并發(fā)現(xiàn)85%的去除是由于硝化作用。同樣，Wang等人使用微藻-細(xì)菌群落從消化的豬糞中去除超過90%的總氮，并將80%的去除歸因于短程硝化/反硝化。

然而，這些系統(tǒng)依賴于快速生長(zhǎng)的微藻來提供氧氣和緩慢生長(zhǎng)的硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化/反硝化；從而限制了可以用于支持兩種生物體的固體停留時(shí)間。理想情況下，藻類和硝化細(xì)菌的SRT應(yīng)解耦以提高營(yíng)養(yǎng)物去除效率。

在過去的二十年中，美國(guó)許多污水處理廠發(fā)現(xiàn)固定膜技術(shù)（即，移動(dòng)床生物反應(yīng)器[MBBR]和集成固定膜活性污泥[IFAS]）為擴(kuò)展或改進(jìn)現(xiàn)有污水處理設(shè)施提供了有效的替代方案，特別是在硝化方面，因?yàn)槠湔嫉孛娣e相對(duì)較小。這是因?yàn)橄趸?xì)菌傾向于在生物膜載體上定殖，因此即使懸浮硝化菌被沖出系統(tǒng)（例如，在低溫或短固體停留時(shí)間下），也可以被保留。雖然MBBR和IFAS系統(tǒng)都適用于通過硝化進(jìn)行生物脫氮，但I(xiàn)FAS系統(tǒng)可以優(yōu)化用于生物脫氮和除磷，因?yàn)橄趸途哿拙腟RT是解耦的。先前的研究表明，硝化菌在IFAS介質(zhì)上定殖，而聚磷菌主要存在于懸浮液中。通過將此概念應(yīng)用于藻類-細(xì)菌廢水工藝，假設(shè)藻類生物膜可以在IFAS介質(zhì)上形成，并為硝化生物膜提供足夠的氧氣，同時(shí)保持適合懸浮藻類-細(xì)菌群落除磷的SRT。

本研究提出了一種新型共生微藻基IFAS（MAIFAS）技術(shù)，作為降低能耗同時(shí)滿足嚴(yán)格出水標(biāo)準(zhǔn)的策略。這項(xiàng)研究的總體目標(biāo)是確定開發(fā)的MAIFAS工藝是否可以通過解耦懸浮固體（用于除磷）和生物膜（用于硝化）之間的光曝氣來改進(jìn)現(xiàn)有的IFAS工藝。為此，運(yùn)行了三個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的序批式反應(yīng)器（即，MAIFAS、IFAS[對(duì)照]、懸浮微藻[陰性對(duì)照]），并評(píng)估了150天的營(yíng)養(yǎng)物去除和光曝氣情況。使用多尺度研究闡明了MAIFAS系統(tǒng)中微藻和細(xì)菌之間的相互作用以及N和P的去除機(jī)制，這些研究包括微電極、下一代分子方法和一系列批次研究。

材料與方法

微藻培養(yǎng)、細(xì)菌接種和合成廢水制備

普通小球藻通常用于研究微藻廢水處理，因此被選為本研究的模型微藻。將小球藻菌株在含有500 mL Bold基礎(chǔ)培養(yǎng)基的1L玻璃瓶中培養(yǎng)。將瓶子在室溫下，在20μmol m?2 s?1光合有效輻射的連續(xù)冷白色熒光燈光照下孵育，并以50 rpm攪拌。最初，使用魚缸氣泵對(duì)培養(yǎng)物進(jìn)行曝氣，以向藻類供應(yīng)CO?。達(dá)到穩(wěn)定期后，將培養(yǎng)物用于接種SBR實(shí)驗(yàn)。從當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S收集活性污泥用于接種SBR。使用具有以下組成的合成廢水作為生長(zhǎng)培養(yǎng)基：240 mg L?1乙酸鈉，57.5 mg L?1 NH?Cl, 51 mg L?1 K?HPO?, 83 mg L?1 MgSO?, 13 mg L?1 CaCl?, 65 mg L?1酵母提取物和65 mg L?1牛肉提取物，相當(dāng)于總化學(xué)需氧量300 mg L?1，總氮30 mg TN L?1和總磷10 mg P L?1。還添加了500 mg L?1 NaHCO?以提供足夠的堿度用于硝化。