菌藻颗粒污泥处理污水的机理及研究进展.pdf

第53卷第2 期2024年2 月（1.郑州大学生态与环境学院，河南郑州450 0 0 1;2.河南省环境与资源国际联合实验室，河南郑州450 0 0 1）摘要：综述了菌藻颗粒污泥工艺处理污水的研究现状与发展趋势，介绍了菌藻颗粒污泥的形成机理以及影响该工艺处理效能的关键环境因素，评估了在碳中和的大背景下该工艺的优势，并分析了未来菌藻颗粒污泥户外工艺的发展前景以及可能面临的相关问题。关键词：菌藻颗粒污泥；污水处理；温室气体中图分类号：TQ0;X703;X52treatment by microalgal-bacterial granular sludge(1.School of Chemical Engineering and Energy,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China;2.Henan International Joint Laboratory of Environment and Resources,Zhengzhou 450001,China)Abstract:The latest progress and future development direction of algae granular sludge wastewater treat-ment and resource utilization process are reviewed.The cultivation and formation mechanism of algaegranular sludge were analyzed,and the key environmental factors affecting the process of algae granularsludge were analyzed from the aspects of light,temperature and stirring,and the advantages of the processin the context of carbon neutrality were introduced.The development prospect of outdoor technology of al-gae granular sludge in the future and the related problems that may be faced are summarized.Key words:microalgal-bacterial granular sludge;wastewater treatment;greenhouse gas传统的活性污泥工艺用于城市污水处理已有100多年的历史 ,它是一种代表性的好氧生物技术，在污水处理中被广泛采用。随着污水处理技术的发展,越来越多的人对其高能源消耗和大量温室气体排放提出质疑2 。随着活性污泥技术的发展，细菌好氧颗粒污泥工艺，作为一种比活性污泥更先进的污水处理方法被广泛应用。但由于好氧细菌的生长需要长期曝气，不仅需要消耗能量，同时不可避免地产生温室气体排放，这是阻碍好氧颗粒污泥生态可行性的关键障碍。与此同时,微藻作为自养型微生物，既可以利用光合作用吸收二氧化碳，同时可以吸收污水中的氮和磷3,微藻在有光条件下可以与好氧颗粒污泥产生耦合。因此，菌藻颗粒污泥工艺因其较低的能源需求、成本效益和潜在的资源回收而受到越来越多的关注。菌藻颗粒污泥中微藻光合作用和细菌呼吸作用可以同步进行。在这一过程中，微藻可以有效吸收二氧化碳和营养物质生成氧气，细菌则可以利用生成的氧气用于有机氧化产生二氧化碳。细菌还会释放大量的营养物质，如维生素B12、乙烯、细胞分裂素、赤霉素、吲哚乙酸、铁素等激素，促进藻类生长,从而增加生物量。在菌藻颗粒污泥中,可以收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 65修改稿日期：2 0 2 3-0 5-30基金项目：国家大学生创新创业项目专项（2 0 2 2 10 4590 6 8）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（2 12 10 2 110 0 30）作者简介：马逸飞（1999），男，河南焦作人，在读硕士研究生，师从万俊锋教授。电话：18 8 38 0 8 7 335,E-mail:通信作者：万俊锋,E-mail:应用化工Applied Chemical Industry菌藻颗粒污泥处理污水的机理及研究进展马逸飞，李沛，万俊锋1.22文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 433-0 5Mechanism and research progress of sewageMA Yifei,LL Peil,WAN Junfengl-?1.1菌藻颗粒污泥的培养菌藻颗粒污泥是一种微生物聚集体,其特点是颗粒结构致密，菌藻颗粒污泥的颗粒直径通常在0.43mm之间,颗粒体内呈丝状藻类,结构坚实或致密,外观清晰，是整个颗粒的骨架。其中的微藻与细菌在不同条件下以无基质生物膜的形式共存并相互工作。考虑到微藻既可以与活性污泥共存，也可以与好氧颗粒污泥共存，菌藻颗粒污泥培养方法有很多,见表1,基于菌藻颗粒污泥的体系的形成已经成功地以各种方式实现。刘林等5 利用小球藻和栅藻两种藻类，成功快速的培养出菌藻颗粒污泥。李晨等6 利用颗粒污泥在不额外添加微藻的情况下，利用自然光照进行培养，在自然光的照射下，仅7 d内成功培养出菌藻颗粒污泥。菌藻颗粒的形成会Vol.53 No.2Feb.2024建立一个自我维持的微藻-细菌协调代谢回路,无需外部曝气和二氧化碳排放。同时，微藻能够将二氧化碳捕获到生物质中，而生物质可作为生产能源和高价值物质的原料，如生物柴油、色素和化肥等。因此,菌藻颗粒污泥工艺可以被合理地考虑作为一种环境可持续的废水处理的替代方案。1菌藻颗粒污泥的培养与形成机理434随着操作条件的不同而不同，包括种子污泥和微藻、水力选择压力和明暗状态等其他参数。表1不同条件下形成的菌藻颗粒污泥的时间与平均粒径Table 1Time and average particle size ofmicroalgal-bacterial granular sludgeformed under different conditions接种类别活性污泥好氧颗粒污泥好氧颗粒污泥和微藻好氧颗粒污泥和菌藻颗粒成熟菌藻颗粒干燥菌藻颗粒好氧颗粒污泥1.2菌藻颗粒污泥的形成机理到目前为止，人们普遍认为胞外聚合物可能有助于菌藻颗粒的形成，胞外多糖和外蛋白发挥着不可代替的作用。胞外多糖具有高粘度性,可以封装单个细胞,保护细胞免受环境应激条件13。胞外蛋白通过芳香堆积力和疏水性作用可以促进菌藻颗粒污泥的形成和稳定,胞外多糖和胞外蛋白分别支配着丝状菌藻颗粒的形成14 和非丝状菌藻颗粒的形成7 。此外,胞外蛋白与胞外多糖的结合可以进一步促进细胞间的桥接，形成网状的互聚复合物，通过范德华力、电荷中和以及氢键作用等多种作用力对细胞和微藻-细菌絮凝体进行有效的诱捕。微生物之间的群体感应也有助于菌藻颗粒的形成。微藻的流动是微生物接触的内部原因,剪切力则为外部原因,是颗粒形成的第一步,而微藻的流动依赖于通过多糖分泌-连接孔复合体持续分泌粘液调控的第二信使环二聚鸟苷单磷酸。它可以改变毛状体和基质的表面性质,从而促进微藻向异养生物的移动。2菌藻颗粒污泥的组成分析2.1菌藻颗粒污泥化学计量分析季斌等8 通过测定菌藻颗粒的元素组成，提出菌藻颗粒污泥的化学式为C,H7.9O1.gNo.8sPo.05，它的元素成分在微藻和细菌之间,例如C,Hg.O1.sNo.微藻和C,H,O,N混合培养细菌。根据氮平衡,微藻与细菌的质量分布在菌藻颗粒中约为3：5。根据菌藻颗粒的经验公式，以乙酸为有机碳源，整个菌藻颗粒同化反应可描述为：50CH,CO0-+17NH4+H,PO4+34H+=CoHis O3s Ni,P+90,+48H,0若去除的有机物全部是通过上式所描述的微生物同化作用去除的，则同化作用分别占总氨氮和总磷去除率的（7 9.44.6 3)%和（98.8 5.93）%。证实了微生物同化是菌藻颗粒去除TOC、N和P的应用化工主要机制。菌藻颗粒处理有机物时，在氮和碳的质量流动中细菌同化带走了49%的TOC,细菌和微藻分别带走了59%和2 5%的氮，总脱氮效率为8 4%。细菌和微藻中磷的含量在不同种类间存在显著差异8 C成熟菌藻一些微藻，特别是蓝藻，能够合成聚磷作为磷储培养时参考备。因此，在菌藻颗粒污泥过程中的磷去除可以颗粒粒间/d文献径/mm0.44 1.79平均约 1.3N/A1.0 1.5平均约2.2 4平均约0.7平均约0.7 2第53卷归因于细胞合成和聚磷积累。20 407308305120918101011 60122.2菌藻颗粒污泥微生物群落分析近年来，有关菌藻颗粒污泥中微生物的群落结构组成也是学者们的研究热点。成熟的菌藻颗粒污泥是由各种微生物、EPS和孔隙组成的致密团聚体,其内部功能多样的微生物具有良好的去除营养物质的潜力,其中的主要微生物通常包括微藻、细菌（异养细菌、硝化细菌和积累磷酸盐积累菌）。在成熟菌藻颗粒中,绿藻门、变形菌门和拟杆菌门为优势门，约占菌藻颗粒菌群的7 5%16 。绿藻门中未分类的绿藻属对菌藻颗粒的形成和结构稳定性至关重要，作为淡水单细胞绿藻（小球藻和衣藻）因其对营养物质的高去除能力而被广泛应用于废水处理。变形菌门中的变形杆菌能够促进了菌藻颗粒的形成,并有助于氨氮的去除和EPS的分泌,而拟杆菌门中与反硝化作用相关的拟杆菌则具有降解难降解有机物的能力17 。刘哲等18 探究了藻类来源对微生物群落的影响，发现藻类的群落结构随着菌藻颗粒的形成发生明显变化，但随着菌藻颗粒的成熟最终趋于相似。这表明藻类物种在菌藻颗粒的形成过程中存在定向选择，而藻类来源并不是决定性因素。李晨等6 利用成熟的好氧颗粒污泥培养菌藻颗粒污泥中发现，随着菌藻颗粒的形成，绿藻门的相对丰度逐渐增长，而原本在接种好氧颗粒群落中的变形菌门和拟杆菌门的丰度在菌藻颗粒中随着绿藻门的增长而保持不变，这表明原核细菌和真核微藻之间存在着一种和谐共生的关系。值得注意的是，利用好氧颗粒污泥培养菌藻颗粒污泥的过程中自然光的照射和藻类的生长并没有塑造原生细菌群落，而是改变了某些微生物的相对丰度3影响菌藻颗粒污泥工艺的因素3.1光照强度光照是菌藻颗粒进行光合作用分解水分的必要条件。光照强度一直被认为是评价微藻生物量生产力的关键参数。光强会影响微藻中EPS的生成，而EPS是菌藻颗粒污泥形成所必需的19。已有研究表明菌藻颗粒污泥工艺对光照强度的适应范围为7 0 2 0 0 0 mol/m/s20。太强的光照会引起光抑制,影响氮的去除和细菌与藻类之间的竞争。菌藻颗粒污泥工艺的经济性取决于提供照明的方式。优选自然光源，达到高性价比操作。此外，第2 期光谱也可能对菌藻颗粒污泥工艺产生影响，有待进一步研究。3.2温度和 pH温度和pH值可以影响组成菌株的生物学功能。一定的温度范围内,温度升高可提高叶绿素含量、细胞内酶活性和生物量生产力，而温度降低则阻碍藻类生长。最佳pH条件在不同的微生物种类中有所不同,大多数淡水微藻更喜欢pH值为7 9的条件2 1,微藻吸收的CO,部分是由废水中的碳酸盐和碳酸氢盐转化而来进行光合作用，导致pH值升高,而pH值的升高会对系统中的微藻和细菌产生负面影响。另一方面,pH值的变化会导致某些物质在电离和联化之间的形式转换，从而改变它们对微生物的影响。例如,游离氨和游离亚硝酸盐的存在已被证明可以抑制微藻和硝化菌（特别是亚硝酸盐氧化细菌)2 2 。值得注意的是，以往的研究一般采用中性pH和室温。为了探索在寒冷气候地区使用菌藻颗粒污泥工艺处理工业废水的可行性，需要进一步研究溶液pH值和温度的影响。3.3营养成分营养成分被认为是影响微生物生长和系统性能的最重要的因素之一。首先,适当的营养浓度对于维持细菌和微藻的正常代谢和系统性能至关重要。然而,过量的营养物的存在可能会导致微生物的抑制甚至调亡。同时，营养成分的比例是另一个关键参数。一般来说,根据 CiooHi5sO3sNi,P 的经验公式，菌藻颗粒污泥工艺可适用于处理碳氮比为5的废水8 。对于低碳氮比进水,该工艺的脱氮效率可低于30%2 3。在这种情况下，延长水力停留时间可能是提高脱氮效果的必要条件2 4，然而，过高的碳氮比值会导致丝状微生物过度增殖而导致颗粒解体，而当碳氮比值接近1时，则会导致颗粒生物量的损失2 5。此外，进水的氮磷比也会影响微藻-细菌工艺的性能,这是未来菌藻颗粒污泥工艺需要解决的问题。3.4重金属与有机物由于微生物的脆弱性,废水中出现的有机污染物、重金属等其他成分也会影响菌藻颗粒污泥系统性能。如四环素与金属镉,虽然1 mg/L的四环素或镉几乎不会影响菌藻颗粒污泥工艺对有机物的去除，但其微生物群落在新兴污染物的胁迫下可以进化。Qasim 等2 6 最近观察到,将小球藻置于30 mg/L的奥司他韦（一种广泛用于冠状病毒的抗病毒药物)中时,其生物量生产力降低了4.0 倍,光合活性降低了36.1%（以Fv/Fm值计算）。此外，Matyja等2 7 研究发现,在富含Cd2+、Ni 2*和Ag*的环境中，需氧异养微生物的呼吸速率显著降低。值得注意的是,并非所有重金属离子对菌藻颗粒都具有危害马逸飞等：菌藻颗粒污泥处理污水的机理及研究进展温室气体的产生。与活性污泥法相比，由于藻类细菌生物量产量较高，还有可能获得能量增益。研究发现32 ,以CAS为核心技术的传统污水处理厂估计在全球尺度每年排放2.6 7 2 亿t二氧化碳当量（COze）,如若采用菌藻颗粒污泥法作为城市污水处理的主流技术，不仅可以提供能量还可以减少约7 7%的温室气体排放。与悬浮藻-细菌污泥法相比,菌藻颗粒污泥具有优异沉降性,颗粒污泥中的生物质的分离和处理废水的分离可以在小型澄清器中很容易地进行。此外,颗粒污泥中的微藻与细菌之间的互惠共生关系要强于悬浮污泥中的微藻3-341与此同时,研究表明废水中的大部分营养物质（如氨和磷）可能通过菌藻颗粒污泥过程中的微生物同化而被去除31,35，即它们在菌藻颗粒生物量中积累和集中。显然,这为从生物质中更有效地回收生物肥料、生物柴油等形式的资源提供了很大的机会36 。尽管微生物显示出降解难降解有机物的潜力，还需要做更多的工作来验证菌藻颗粒污泥工艺对新兴污染物的去除潜力。5菌藻颗粒污泥工艺规模运用的潜在问题目前,菌藻颗粒污泥工艺在废水处理和资源化中已经取得了一些进展。菌藻颗粒污泥法已在实验室规模的设施中得到证实，但其在城市污水处理中的全面应用还很少。在大规模应用中也有不少的挑战。例如：（1)目前,基于菌藻颗粒污泥的系统的生命周期评价和技术经济评价研究相当匮乏。尽管Brock-mann等37 通过生命周期评估比较了基于菌藻颗粒污泥的系统和活性污泥系统的环境可行性，但评估是基于实验室规模的实验结果进行的。由于缺乏基于菌藻颗粒污泥的污水处理系统的实际应用信息，大规模菌藻颗粒污泥系统的生命周期评估和技术经济评估在文献中几乎不存在。因此,随着基于菌藻颗粒污泥的系统的快速发展，未来应该在这方435性,重金属离子如Ca+和Mg+可以促进微藻和细菌细胞的聚集,介导 EPS中多糖,糖和蛋白质链之间的多重交联，使菌藻颗粒污泥具有高一致性和稳定性（2 14菌藻颗粒污泥工艺优势菌藻颗粒污泥工艺的一大亮点是可以在不曝气自然光的条件下进行，即不再需要曝气与光照相关的能量消耗。在12 h/12 h的自然光暗循环实验中,在光照相，COD去除率10 0%，氨氮去除率99.6%,磷去除率10 0%。而在暗相,COD、氨氮、磷去除率分别为95.1%,96.5%和10 0%2 9-31。这些结果表明,即使在夜间，在没有外部照明的情况下，也可以实现良好的出水质量，同时也可以大大减少436面投人更多的精力。(2)在实际应用中，菌藻颗粒污泥工艺受自然昼夜循环的影响。在真实的城市废水中,随着有机组成和营养负荷的变化，菌藻颗粒污泥的性能和相关的污染物去除在自然昼夜循环中机制,还需要进一步的大规模研究。另一方面，由于真实污水的成分复杂,对各种污染物的去除效率和对真实污水的稳定性都需要进一步的探索和优化，以确保在城市废水处理过程中,在光明和黑暗条件下的稳定出水质量。（3)菌藻颗粒污泥生物量的资源化和能源回收38 ,尽管文献中报道了许多生物精炼框架内菌藻颗粒污泥的定价方法，但其中大多数仅限于实验室规模。到目前为止，它们的工程可行性和经济可行性还没有实现,很大程度上是因为菌藻颗粒污泥的生物精炼成本很高。密集的研究主要集中在非常小的实验室规模下的上游加工，但在这样的实验规模下有效集成下游加工似乎非常困难。6结语与展望本文介绍了一种创新的菌藻颗粒污泥工艺,该工艺在污水处理过程具有提高能源效率，同时减少城市温室气体排放等优势，针对目前研究的不足，提出了基于菌藻颗粒污泥工艺未来可能遇到的问题。虽然菌藻颗粒污泥工艺在实验室规模内已取得初步成效，但要将其全面应用于城市污水处理，仍需要加快研发步伐。参考文献：1 van LOOSDRECHT M C M,BRDJANOVIC D.Anticipa-ting the next century of wastewater treatment J.Sci-ence,2014,344(6191):1452-1453.2BANI SHAHABADI M,YERUSHALMI L,HAGHIGHATF.Impact of process design on greenhouse gas(GHG)generation by wastewater treatment plants J.Water Re-search,2009,43(10):2679-2687.3 隗启源,杨昌柱,濮文虹.藻类生长对好氧颗粒污泥的影响J.中国给水排水,2 0 13,2 9(9）：2 9-32.4刘琳,叶嘉琦，刘玉洪，等.好氧污泥-微藻耦合颗粒的培养及特性研究J.中国环境科学,2 0 17,37（7：2536-2541.5 LIU L,FAN H,LIU 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