山东大学王新华团队WR：无曝气丝状藻菌颗粒污泥实现强化生物除磷

近日，山东大学环境科学与工程学院王新华团队在环境领域学术期刊Water Research上发表了题为“Enhanced biological phosphorus removal sustained by aeration-free filamentous microalgal-bacterial granular sludge”的学术论文。该论文评估了无曝气条件下接种活性污泥以培养具有强化生物除磷（EBPR）能力的藻菌颗粒污泥（MBGS）的可行性，证明了基于MBGS的EBPR工艺高效去除碳/氮/磷的有效性。尽管无曝气培养的MBGS具有丝状结构，但其沉降速率快、固液分离性能好。光合供氧驱动的磷释放/吸收循环表明了聚磷微生物（PAOs）的富集和EBPR的建立，从而使工艺实现了碳（97.2±1.9%）、氮（93.9±0.7%）和磷（97.7±1.7%）的高效稳定去除。当丝状MBGS结构被破坏时，其磷释放速率未受明显影响，但磷吸收速率显著降低，表明丝状颗粒结构既保证了底物的有效传输，又降低了光照对PAOs的不利影响，因此对实现无曝气EBPR发挥着重要作用。功能微生物如丝状蓝细菌、潜在的PAOs和EPS产生菌的逐步富集解释了MBGS的丝状颗粒结构和高效EBPR性能。这项工作为MBGS-EBPR工艺提供了一种可行且经济的启动和运行策略。

EBPR工艺是一种高效且广泛使用的除磷工艺。然而，目前在污水处理厂中实施EBPR需要大量的机械曝气来为PAOs提供氧气。此外，基于活性污泥法的EBPR工艺会产生大量二氧化碳排放。为了实现污染物高效去除的同时减少曝气能耗和碳排放，有必要探索创新且经济的污水处理替代方案。

基于MBGS的EBPR工艺（MBGS-EBPR）有望实现污水处理系统中的氧气和二氧化碳循环、具有更高的节能性和更低的碳排放量。已有研究接种预培养的MBGS和富集PAOs的好氧颗粒污泥，在机械曝气条件下成功启动了MBGS-EBPR工艺，但无曝气条件下以活性污泥启动该工艺的可行性仍有待研究。另外，无曝气条件下通常培养出具有丝状颗粒结构的MBGS，能否实现EBPR过程仍然未知。

这项工作旨在探究无曝气条件下以活性污泥启动MBGS-EBPR工艺的可行性。在交替的暗/光循环下运行光生物反应器，用于MBGS造粒和PAOs富集，并对MBGS的形态、理化性质、处理性能、微生物群落进行了密切监测。通过批实验比较完整的丝状MBGS和人为破碎的MBGS的磷释放/吸收活性，揭示了丝状颗粒结构对EBPR功能的贡献。

丝状MBGS的形成和特性

污泥的形态从较小的悬浮絮体逐渐转变为较大的丝状颗粒污泥。在30天时，反应器内以表面覆盖着大量丝状微藻的小尺寸和松散结构的MBGS为主。之后颗粒粒径逐渐变大，并变得更加紧凑，逐步形成成熟的丝状MBGS。其外层紧密覆盖的丝状微藻有利于捕获光进行光合作用，而其内层互相缠绕的丝状微藻形成的通道和孔隙可以促进物质传递，从而可能增强营养物质的去除。

图1. 第1、30、50和85天反应器中MBGS的形态（a-d）；第85天MBGS表面的扫描电镜图像（e）和MBGS切面的荧光显微镜图像（f）.

随着MBGS的形成，污染物处理性能逐渐提高。第30天左右系统对COD、NH₄-N、TN和PO₄-P的去除效率分别达到了97.7±0.4%，78.3±0.7%，75.3±0.7%和84.4±5.9 %。然而，氮和磷的出水浓度仍然较高。通过优化暗/光周期（由8 h/16 h改为4 h/20 h），污染物去除性能进一步提高，系统对NH₄-N、TN和PO₄-P的去除效率分别增加到95.3±0.2%，93.9±0.7%和97.7±1.7%。第85天的周期实验呈现了典型的厌氧释磷/好氧吸磷循环，表明无曝气丝状MBGS中实现了EBPR过程。此外，氮平衡分析估算出微生物的氮同化占TN去除的45-70%，其余部分通过丝状MBGS内的同步硝化反硝化过程去除。

图2. 第1天（a和b）、第30天（c和d）和第85天（e和f）典型周期内COD、氮、磷、pH值和溶解氧的变化.

丝状颗粒结构对性能的影响

图4. (a) 细菌群落相对丰度(前30个属); (b) 微藻群落相对丰度(前15个属)；(c) 潜在功能微生物与EPS含量、PN/PS比值、颗粒粒径和除磷效率的相关性.

这项研究证明了无曝气条件下以活性污泥启动MBGS-EBPR工艺的可行性和高效性。培养的丝状MBGS具有较高的沉降速率和出色的固液分离性能。该工艺在光合供氧的驱动下实现了磷的释放和吸收，并获得了高效的碳、氮、磷去除效率。丝状颗粒结构减少了自遮光效应，保护了内部非光养微生物，且不会明显阻碍底物传质，因此在磷循环中发挥了重要作用。该工艺可在一个光生物反应器中实现稳定高效的污染物去除，具有节约曝气能耗和减少温室气体排放的巨大潜力，是一种技术和经济上可行的可持续污水处理方法。

唐了凡：第一作者，山东大学环境科学与工程学院博士研究生。研究方向为藻菌颗粒污泥污水处理技术，研究成果发表在Water Research、Bioresource Technology、Journal of Environmental Management、Chemosphere等国际学术期刊。

王新华：通讯作者，山东大学环境科学与工程学院教授、博士生导师，山东省水环境污染控制与资源化重点实验室副主任，山东大学环境生物技术与功能材料研究所副所长。主要从事新型污水生物处理工艺开发应用、新污染物环境行为与污染控制、微生物生态学过程与行为调控、环境电化学与功能材料设计应用、污水处理工艺模拟与设计等方面的基础理论与应用研究。承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金和政府企业委托项目20余项，相关研究成果发表SCI论文60余篇、获山东省自然科学二等奖1项、授权发明专利10余项。