山東大學王新華團隊WR：無曝氣絲狀藻菌顆粒汙泥實現強化生物除磷

近日，山東大學環境科學與工程學院王新華團隊在環境領域學術期刊Water Research上發表了題爲“Enhanced biological phosphorus removal sustained by aeration-free filamentous microalgal-bacterial granular sludge”的學術論文。該論文評估了無曝氣條件下接種活性污泥以培養具有強化生物除磷（EBPR）能力的藻菌顆粒污泥（MBGS）的可行性，證明了基於MBGS的EBPR工藝高效去除碳/氮/磷的有效性。儘管無曝氣培養的MBGS具有絲狀結構，但其沉降速率快、固液分離性能好。光合供氧驅動的磷釋放/吸收循環表明了聚磷微生物（PAOs）的富集和EBPR的建立，從而使工藝實現了碳（97.2±1.9%）、氮（93.9±0.7%）和磷（97.7±1.7%）的高效穩定去除。當絲狀MBGS結構被破壞時，其磷釋放速率未受明顯影響，但磷吸收速率顯著降低，表明絲狀顆粒結構既保證了底物的有效傳輸，又降低了光照對PAOs的不利影響，因此對實現無曝氣EBPR發揮着重要作用。功能微生物如絲狀藍細菌、潛在的PAOs和EPS產生菌的逐步富集解釋了MBGS的絲狀顆粒結構和高效EBPR性能。這項工作爲MBGS-EBPR工藝提供了一種可行且經濟的啓動和運行策略。

EBPR工藝是一種高效且廣泛使用的除磷工藝。然而，目前在污水處理廠中實施EBPR需要大量的機械曝氣來爲PAOs提供氧氣。此外，基於活性污泥法的EBPR工藝會產生大量二氧化碳排放。爲了實現污染物高效去除的同時減少曝氣能耗和碳排放，有必要探索創新且經濟的污水處理替代方案。

基於MBGS的EBPR工藝（MBGS-EBPR）有望實現污水處理系統中的氧氣和二氧化碳循環、具有更高的節能性和更低的碳排放量。已有研究接種預培養的MBGS和富集PAOs的好氧顆粒污泥，在機械曝氣條件下成功啓動了MBGS-EBPR工藝，但無曝氣條件下以活性污泥啓動該工藝的可行性仍有待研究。另外，無曝氣條件下通常培養出具有絲狀顆粒結構的MBGS，能否實現EBPR過程仍然未知。

這項工作旨在探究無曝氣條件下以活性污泥啓動MBGS-EBPR工藝的可行性。在交替的暗/光循環下運行光生物反應器，用於MBGS造粒和PAOs富集，並對MBGS的形態、理化性質、處理性能、微生物羣落進行了密切監測。通過批實驗比較完整的絲狀MBGS和人爲破碎的MBGS的磷釋放/吸收活性，揭示了絲狀顆粒結構對EBPR功能的貢獻。

絲狀MBGS的形成和特性

污泥的形態從較小的懸浮絮體逐漸轉變爲較大的絲狀顆粒污泥。在30天時，反應器內以表面覆蓋着大量絲狀微藻的小尺寸和鬆散結構的MBGS爲主。之後顆粒粒徑逐漸變大，並變得更加緊湊，逐步形成成熟的絲狀MBGS。其外層緊密覆蓋的絲狀微藻有利於捕獲光進行光合作用，而其內層互相纏繞的絲狀微藻形成的通道和孔隙可以促進物質傳遞，從而可能增強營養物質的去除。

圖1. 第1、30、50和85天反應器中MBGS的形態（a-d）；第85天MBGS表面的掃描電鏡圖像（e）和MBGS切面的熒光顯微鏡圖像（f）.

隨着MBGS的形成，污染物處理性能逐漸提高。第30天左右系統對COD、NH₄-N、TN和PO₄-P的去除效率分別達到了97.7±0.4%，78.3±0.7%，75.3±0.7%和84.4±5.9 %。然而，氮和磷的出水濃度仍然較高。通過優化暗/光週期（由8 h/16 h改爲4 h/20 h），污染物去除性能進一步提高，系統對NH₄-N、TN和PO₄-P的去除效率分別增加到95.3±0.2%，93.9±0.7%和97.7±1.7%。第85天的週期實驗呈現了典型的厭氧釋磷/好氧吸磷循環，表明無曝氣絲狀MBGS中實現了EBPR過程。此外，氮平衡分析估算出微生物的氮同化佔TN去除的45-70%，其餘部分通過絲狀MBGS內的同步硝化反硝化過程去除。

圖2. 第1天（a和b）、第30天（c和d）和第85天（e和f）典型週期內COD、氮、磷、pH值和溶解氧的變化.

絲狀顆粒結構對性能的影響

圖4. (a) 細菌羣落相對丰度(前30個屬); (b) 微藻羣落相對丰度(前15個屬)；(c) 潛在功能微生物與EPS含量、PN/PS比值、顆粒粒徑和除磷效率的相關性.

這項研究證明了無曝氣條件下以活性污泥啓動MBGS-EBPR工藝的可行性和高效性。培養的絲狀MBGS具有較高的沉降速率和出色的固液分離性能。該工藝在光合供氧的驅動下實現了磷的釋放和吸收，並獲得了高效的碳、氮、磷去除效率。絲狀顆粒結構減少了自遮光效應，保護了內部非光養微生物，且不會明顯阻礙底物傳質，因此在磷循環中發揮了重要作用。該工藝可在一個光生物反應器中實現穩定高效的污染物去除，具有節約曝氣能耗和減少溫室氣體排放的巨大潛力，是一種技術和經濟上可行的可持續污水處理方法。

唐了凡：第一作者，山東大學環境科學與工程學院博士研究生。研究方向爲藻菌顆粒污泥污水處理技術，研究成果發表在Water Research、Bioresource Technology、Journal of Environmental Management、Chemosphere等國際學術期刊。

王新華：通訊作者，山東大學環境科學與工程學院教授、博士生導師，山東省水環境污染控制與資源化重點實驗室副主任，山東大學環境生物技術與功能材料研究所副所長。主要從事新型污水生物處理工藝開發應用、新污染物環境行爲與污染控制、微生物生態學過程與行爲調控、環境電化學與功能材料設計應用、污水處理工藝模擬與設計等方面的基礎理論與應用研究。承擔國家自然科學基金、山東省自然科學基金和政府企業委託項目20餘項，相關研究成果發表SCI論文60餘篇、獲山東省自然科學二等獎1項、授權發明專利10餘項。