用于廢水處理的藻類-細菌群落的遺傳多樣性

為了確定MAIFAS和IFAS系統(tǒng)中細菌群落的結(jié)構(gòu)和活性，對生物膜樣品進行了16S rRNA基因（rDNA）和轉(zhuǎn)錄本（rRNA）測序。基于rDNA的測序結(jié)果（代表群落結(jié)構(gòu)）顯示，MAIFAS和IFAS系統(tǒng)在門水平上具有相似的細菌群落組成（圖3-8a）。兩個系統(tǒng)中最豐富的門是Proteobacteria（MAIFAS: 64%；IFAS: 62%）、Bacteroidetes（MAIFAS: 18%；IFAS: 16%）和Chloroflexi（MAIFAS: 8%；IFAS: 9%）。然而，在屬水平上觀察到了顯著差異（圖3-8b）。MAIFAS生物膜中Candidatus Accumulibacter的相對豐度（55%）顯著高于IFAS生物膜（<1%）。Candidatus Accumulibacter是已知的聚磷菌，這可能解釋了MAIFAS系統(tǒng)中觀察到的增強的磷去除能力。此外，MAIFAS生物膜中硝化螺菌屬（Nitrospira）的相對豐度（12%）高于IFAS生物膜（5%）。

圖3-8 葉綠素a與生物量比值對機械曝氣（階段I）中a)氨去除率及b)磷去除率，以及光曝氣（階段II）中c)氨去除率和d)磷去除率的影響。

基于rRNA的測序結(jié)果（代表群落活性）顯示，MAIFAS生物膜中Candidatus Accumulibacter和硝化螺菌屬的活性均高于IFAS生物膜（表3-1）。這些結(jié)果表明，在MAIFAS系統(tǒng)中添加微藻可能通過提供氧氣和可能的有機基質(zhì)，促進了聚磷菌和硝化菌的生長和活性。

表3-1. MAIFAS與IFAS系統(tǒng)中微生物群落組成對比 (基于16S rRNA/rDNA測序)

Class (綱)	Genus (屬)	MAIFAS-Mean		IFAS-Mean
		RNA (n=8584)	DNA (n=8570)	RNA (n=8714)	DNA (n=9234)
Alpha-Proteobacteria (α-變形菌綱)	Rhodobacteraceae*	-	18	33	145 (1.6%)
	Woodsholea	14	127 (1.5%)	93 (1.1%)	97 (1.1%)
Beta-Proteobacteria (β-變形菌綱)	Candidatus Accumulibacter	4719 (55%)	754 (8.8%)	64	44
	Comamonadaceae*	603 (7.0%)	192 (2.2%)	904 (10%)	377 (4.1%)
	Nitrosomonadaceae*	126 (1.5%)	29	208 (2.4%)	30
	Nitrosomonas	62	16	70	14
	Dechloromonas	34	36	477 (5.5%)	565 (6.1%)
	Zoogloea	39	113 (1.3%)	220 (2.5%)	399 (4.3%)
	Unclassified (未分類)	701 (8.2%)	620 (7.2%)	3576 (41%)	2368 (26%)
	Acinetobacter	20	26	806 (9.3%)	379 (4.1%)
Gamma-Proteobacteria (γ-變形菌綱)	Aeromonas	-	90 (1.1%)	17	308 (3.3%)
	Lysobacter	-	45	62	110 (1.2%)
	Rheinheimera	-	-	42	51
Nitrospira (硝化螺旋菌綱)	Nitrospira	21	89 (1.0%)	131 (1.5%)	322 (3.5%)
Acidobacteria (酸桿菌門)	Chloracidobacterium	21	124 (1.5%)	411 (4.7%)	304 (3.3%)
Cyanobacteria** (藍藻門)	Unclassified (未分類)	21	50	29	15
Cytophagia (噬纖維菌綱)	Cytophagaceae*	-	58	-	64
	Unclassified (未分類)	-	146 (1.7%)	80	428 (4.6%)
Flavobacteriia (黃桿菌綱)	Flavobacterium	-	-	-	107 (1.2%)
	Cloacibacterium	-	-	17	191 (2.1%)
Phycisphaerae (球形桿菌綱)	Unclassified (未分類)	23	103 (1.2%)	46	55
Saprospirae (腐螺旋菌綱)	Chitinophagaceae*	-	683 (8.0%)	21	902 (9.8%)
	Saprospiraceae*	72	1558 (18%)	-	59
Unclassified (未分類)	Caldithrix	183 (2.1%)	17	-	-

討論

MAIFAS與懸浮微藻-細菌群落用于廢水營養(yǎng)物去除的比較

本研究表明，MAIFAS系統(tǒng)在營養(yǎng)物去除方面明顯優(yōu)于懸浮微藻-細菌系統(tǒng)。在沒有機械曝氣的情況下，MAIFAS系統(tǒng)實現(xiàn)了>99%的氨氮去除和51%的磷去除，而懸浮系統(tǒng)僅去除了57%的氨氮和49%的磷。這種性能差異可歸因于MAIFAS系統(tǒng)中藻類和細菌的協(xié)同作用。在MAIFAS系統(tǒng)中，藻類生物膜在IFAS介質(zhì)上形成，為附著在生物膜載體上的硝化細菌提供了局部氧氣，而懸浮的藻類-細菌群落負責(zé)除磷。這種配置允許藻類和細菌的固體停留時間（SRT）解耦，從而優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能。

微電極測量顯示，MAIFAS生物膜表面產(chǎn)生了高濃度的溶解氧（達到6.7 mg O?/L），這表明微藻的光合作用為硝化細菌提供了充足的氧氣。相比之下，懸浮系統(tǒng)中的氧合作用較為有限，這可能限制了硝化過程的效率。此外，MAIFAS生物膜中Candidatus Accumulibacter的相對豐度（55%）顯著高于IFAS生物膜（<1%），這可能是MAIFAS系統(tǒng)具有增強除磷能力的原因。

葉綠素a與生物量比率對營養(yǎng)物去除的影響

研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素a與生物量比率是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)葉綠素a與生物量比率超過7.9 mg g?1時，MAIFAS系統(tǒng)能夠在沒有機械曝氣的情況下維持有效的硝化過程。這表明微藻的密度和活性對光氧合效率有重要影響。在實驗的第一階段（機械曝氣），所有反應(yīng)器都表現(xiàn)出優(yōu)異的營養(yǎng)物去除效果，但微藻的生長受到限制（葉綠素a與生物量比率<6 mg g?1）。在第二階段（光曝氣），通過調(diào)整廢水組成（增加N和P濃度，減少COD）和停止機械曝氣，微藻的生長顯著增加，葉綠素a與生物量比率增加到20.3 mg g?1（MAIFAS）和13.01 mg g?1（懸浮），從而實現(xiàn)了有效的營養(yǎng)物去除。

藻類和細菌生物膜之間的相互作用

pH和氨氮微剖面顯示，藻類和細菌生物膜之間存在密切的相互作用。在光照條件下，藻類光合作用消耗CO?，導(dǎo)致生物膜表面的pH增加（從7.6到8.2）。這種pH增加可能促進了氨氮的去除，因為較高的pH有利于氨氮轉(zhuǎn)化為氨氣，從而通過吹脫去除。此外，在光照條件下，氨氮的消耗發(fā)生在生物膜內(nèi)更靠近表面的位置，這表明藻類產(chǎn)生的氧氣增強了生物膜上部的硝化作用。在黑暗條件下，細菌呼吸釋放CO?，導(dǎo)致pH降低，氨氮的消耗發(fā)生在生物膜更深處。

挑戰(zhàn)與未來展望

盡管MAIFAS系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。系統(tǒng)啟動時間較長（約37天），需要優(yōu)化操作條件以加速生物膜的形成和活化。此外，光照條件的控制和優(yōu)化也是實現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵因素。未來的研究應(yīng)側(cè)重于工藝參數(shù)的優(yōu)化，如光照強度、周期時間和營養(yǎng)物負荷，以及在不同廢水類型和環(huán)境條件下的系統(tǒng)性能評估。長期運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟可行性也是實際應(yīng)用前需要解決的重要問題。

結(jié)論

本研究成功開發(fā)并評估了一種新型微藻集成固定化活性污泥（MAIFAS）系統(tǒng)，用于廢水營養(yǎng)物去除。主要結(jié)論如下：

MAIFAS系統(tǒng)在無需機械曝氣的情況下，實現(xiàn)了高效的氨氮（>99%）和磷（51%）去除，性能顯著優(yōu)于懸浮微藻系統(tǒng)。

微電極測量證實，MAIFAS生物膜表面產(chǎn)生了高濃度的溶解氧（6.7 mg O?/L），表明微藻的光合作用為附著細菌提供了充足的氧氣。

微生物群落分析顯示，MAIFAS系統(tǒng)中Candidatus Accumulibacter種群顯著增加（55%），這可能是高效除磷的關(guān)鍵因素。

葉綠素a與生物量比率是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)比率超過7.9 mg g?1時，系統(tǒng)可在無機械曝氣下維持有效運行。

MAIFAS技術(shù)代表了一種降低廢水處理能耗同時滿足嚴(yán)格出水標(biāo)準(zhǔn)的有前景策略，為可持續(xù)廢水處理提供了新方向。