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第一作者：钟洁雯
通讯作者：王新华
通讯单位：山东大学环境科学与工程学院
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130752
图文摘要
成果简介
近日，山东大学环境科学与工程学院王新华教授团队在环境领域学术期刊Bioresource Technology上发表了题为“Beyond feast and famine: Cultivating hydrodynamic oxygenic photogranules with better performances under permanent feast regime”的学术论文。该研究首先在六个光生物反应器内构建了三种不同的feast/famine机制，分别为永久饥荒（PFa）、交替盛宴-饥荒（CFF）和永久盛宴（PFe）。经过24−36天的光颗粒化阶段，三种机制下均成功培养出了OPGs，它们都表现出相似的丝状滑动、胞外聚合物产生和碳/氮代谢等微生物群落功能。随后，这些OPGs在相同的SBR模式下运行，经过不同的适应阶段（19−41天）后都实现了化学需氧量（>91%）、氨氮（>96%）和总氮（>76%）的高效去除。值得注意的是，PFe机制下培养的OPGs具有最佳的理化特性、最短的废水处理适应期和最低的出水浊度。该研究提供了一种新的水力培养OPGs的方法，具有更好的可持续废水处理性能。
引言
OPGs是一种新型的好氧颗粒污泥（AGS），但其造粒机理和运行策略无法完全照搬AGS的已有经验。通常认为CFF机制对AGS培养至关重要，在CFF机制下也有成功培养OPGs的报道。但更多OPGs是通过静态条件或水力条件批次培养的，其造粒过程并未经历CFF机制，而是PFa机制，因此CFF似乎不是形成OPGs的先决条件。而且，PFe机制广泛存在于连续流生物反应器等工艺系统中，但目前仍不清楚PFe机制下是否可以实现光颗粒化。因此，feast/famine机制如何影响OPGs的培养仍有待进一步探索。该项研究首先通过不同的进水频率在六个反应器中构建了三种不同的feast/famine机制，每种机制在两个独立的反应器中进行重复实验。其中PFa反应器内无进水，而CFF和PFe反应器分别每三天和每一天进水一次。研究了不同feast/famine机制在OPGs造粒中的作用及培养的OPGs的理化特性和微生物群落结构。然后在相同的SBR运行条件下，评估了所培养的不同OPGs对污染物的去除能力。这项工作将有助于更好的理解光颗粒化，并为OPGs工艺未来推广应用提供理论基础。
图文导读
不同Feast/Famine机制的成功构建
图1：光颗粒化阶段的底物浓度及其去除速率：(a) COD；(b) NH4+-N。重复反应器中的浓度用虚线表示。CFF反应器中典型周期实验中的底物浓度显示在右上角。
在无进水的PFa反应器中，COD浓度始终保持在低水平；在CFF反应器中，每3天的周期由36小时的盛宴期和36小时饥荒期组成；PFe反应器每天一次进水，导致COD持续积累和高有机碳可用性。因此，不同的有机碳可用性证明了反应器内成功构建了不同的feast/famine机制。不同反应器内氮的可用性与有机碳可用性呈大体相似的规律。
Feast/Famine机制影响OPGs的光颗粒化过程
图2：光颗粒化阶段污泥形态(a)、SVI30和SVI5/SVI30 (b)的变化。
结合污泥形态、SVI5/SVI30、颗粒粒径、SEM、FISH-CLSM等研究结果，可以看出三种不同的feast/famine机制下都成功培养了OPGs。其中，PFa反应器在24天实现光颗粒化过程，获得的OPGs尺寸最大但结构松散、沉降性能最差、密度最低。CFF和PFe完成光颗粒化过程都需要36天，前者的OPGs尺寸最小、沉降性能较差、密度较低；而后者的OPGs结构规则致密、沉降性能最好、密度最高，体现了PFe机制在光颗粒化过程中的优势。
Feast/Famine机制影响OPGs的微生物群落
图3：光颗粒化阶段末期PFa (第24天)、CFF (第36天)和PFe (第36天)反应器内OPGs的真核微生物群落(a和b分别为门和属水平)和原核微生物群落(c和d分别为门和属水平)。
真核微生物群落中Chlorophyta门在所有OPGs样品中占绝对优势，其中PFe机制下培养的OPGs内高度富集了Parachlorella属，而PFa和CFF中获得的OPGs主要由Parachlorella、Chlorella和Micractinium属组成。Proteobacteria、Deinococcota、Cyanobacteria、Chloroflexi和plantomycetota是主要的原核微生物门。同为丝状细菌的Cyanobacteria和Chloroflexi门，尽管各自丰度在不同OPGs中有差异，但两者总丰度在所有OPGs均较高，表明了它们在光颗粒化过程中的重要作用。同为EPS产生菌的Meiothermus和Thauera属，具备碳/氮代谢功能的Pseudofulvimonas、Defluviicoccus和Nitrosomonas属也存在同样的情况。因此，不同feast/famine机制培养的OPGs具有相似的微生物群落功能。
Feast/Famine机制影响OPGs的物理化学性质
图4：光颗粒化阶段生物量和VSS/SS (a)、叶绿素含量和Chl-a/Chl-b (b)、EPS含量和PS/PN (c)的变化。
与PFa和CFF机制相比，PFe机制下培养的OPGs具有更高的生物量和VSS/SS比。所有反应器中高Chl-a/Chl-b比表明了蓝细菌的富集和在光颗粒化过程中的潜在作用。OPGs的形成与EPS产量的增加密切相关，特别是多糖产量的增加。这可能因于蓝细菌富集，因为有研究表明丝状蓝细菌及其共生细菌可合成大分子多糖，这有助于光颗粒化并增强OPGs的稳定性。
Feast/Famine机制影响OPGs的处理性能
图5：废水处理阶段污染物去除性能(a)；稳态期间的出水浊度(b)；以及第51天取自各反应器的泥水混合液在量筒中沉降5分钟后的照片(c)。
经历不同的适应阶段后，所有反应器都能高效稳定的去除COD（> 91%）、NH4+-N（> 96%）和TN（> 76%）。然而，PFa反应器需要41天才能适应废水和运行条件，而CFF和PFe反应器仅需19天。并且在稳态期间，PFe反应器的OPGs可快速沉降，上清液澄清，出水浊度明显低于PFa和CFF反应器，表明了PFe反应器中的OPGs具有更好的沉降性和废水处理稳定性。
小结
该项研究探究了feast/famine机制对光颗粒化过程、OPGs理化特性、微生物群落结构和废水处理性能等的影响。结果表明PFe机制下培养的OPGs不仅具有最好的理化特性（SVI30、密度、生物量、VSS/SS等），而且以最短的适应时间和最低的出水浊度实现了高性能的废水处理。未来研究应探讨如何在实践中优化PFe机制，将OPGs工艺拓展到大规模无曝气废水处理过程。
主要作者介绍
钟洁雯：第一作者，山东大学环境科学与工程学院硕士研究生。主要研究方向为新型污水生物处理工艺开发应用，研究成果发表在Bioresource Technology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。
来源：山东大学环境科学与工程学院王新华课题组
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编辑 | 张明、申震、岳景雪
校对 | 张冰、魏东、韩咰身
校核 | 张冰、魏东、韩咰身
