零曝气自耦合的微藻-菌颗粒污泥工艺：一种环境可持续的生物除磷技术

强化生物除磷（EBPR）工艺由聚磷菌主导，包括厌氧释磷和好氧过度吸磷两步，广泛应用于城市污水处理过程中。但EBPR工艺尚存在工艺复杂、污泥膨胀、曝气能耗高等现实问题。微藻-菌颗粒污泥法是一种新兴技术，具有低能耗、碳减排、固液易分离等优点，为污水生物除磷提供了新思路。然而，该工艺的应用推广也受到反应时间长、除磷效率低、需外加曝气强化等问题限制。近日，武汉科技大学和南洋理工大学团队报道了一种新型自耦合微藻-细菌颗粒污泥工艺，其可在零曝气、暗-光交替条件下，实现污水中磷酸盐的高效去除，有望实现简单、高效、经济、环境可持续的生物除磷目标。

1.微藻-菌颗粒污泥工艺的磷酸盐去除特性

图1显示了微藻-菌颗粒污泥工艺对磷酸盐的去除效果。在零曝气、6h反应条件下，磷酸盐可以实现高效去除，出水磷浓度在0.5-1.0 mg/L。具体来说，在2h暗环境阶段磷酸盐被部分释放，磷酸盐浓度提高；在后续4h的光环境阶段磷酸盐得到高效（85%以上）去除。在整个除磷过程中，有机物均被显著消耗。磷酸盐吸收速率约为释放率的两倍，即在暗环境阶段被释放的磷酸盐会在光环境阶段被快速去除。DAPI染色表明微藻-菌颗粒在磷去除过程中会出现Poly-P积累，且主要分布于微藻菌颗粒外层；TEM观察进一步表明Poly-P主要积聚在颗粒污泥中的微藻内。因此，推断Poly-P可能通过藻类的光合作用形成，并在磷酸盐的去除过程中扮演重要角色。

 

图1 连续暗-光交替周期下微藻-菌颗粒污泥工艺对磷酸盐的去除

2.微藻-菌颗粒污泥的微生物群落结构

高通量测序结果表明（图2），在原核生物群落中，Pantanalinema是优势菌，其次为Thauera；在真核生物群落中，小球藻是优势种。文献报道中常见的聚磷微生物菌群包括Actinobacteria (Microlunatus, Tetrasphaera), Gammaproteobacteria (Halomonas,Thiothrix)和Betaproterbacteria (Accumulibacter, Dechloromonas, Comamonadaceae)等。但这些聚磷菌均不是微藻-菌颗粒中的优势微生物，表明相对于细菌，微藻在磷酸盐的去除过程中发挥了更重要的作用。

 

图2 微藻-菌颗粒的微生物群落结构中的原核生物（a）和真核生物（b）

采用FISH进一步研究了聚磷微生物在微藻-菌颗粒中的分布（图3）。结果显示微藻-菌颗粒中的聚磷微生物为丝状微藻，有别于传统强化除磷工艺中的聚磷菌。在空间分布上，除磷微藻主要分布于颗粒外层，与DAPI染色结果一致。结合群落结构结和Pantanalinema的独特形态推断其为聚磷功能藻，其可在光照条件下形成Poly-P，实现磷的去除。

 

图3 聚磷藻在微藻-菌颗粒中的分布及形态（FISH）. 图中比例尺为5 μm

3.微藻-菌颗粒污泥工艺的除磷机理推测

图4显示了在暗-光交替条件下微藻-菌颗粒污泥工艺的除磷机理推测。在暗环境阶段，微藻（如Pantanalinema）可在厌氧条件消耗VFA和糖原异营养生长，该过程可同化部分磷酸盐。另一方面，Poly-P水解产生的过量磷酸盐会释放到溶液中，导致磷酸盐浓度短暂的上升（图1）。在光环境阶段，由于藻类代谢产生溶解氧的好氧条件，细菌的除磷作用强化，导致更多的磷酸盐会通过细菌和微藻的同化作用去除，生物量增加显著。由于外源光能的提供，部分磷酸盐会在微藻内以合成Poly-P的形式得到去除，该部分可贡献70%以上的磷酸盐去除。

 

图4 在暗（a）-光（b）交替条件下微藻-菌颗粒污泥工艺的除磷机理推测

4.展望

零曝气自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺可在无需曝气的条件下，可实现磷酸盐在短时间内的高效去除，不仅避免了因曝气而带来的大量能量消耗，而且可显著减少温室气体排放，是一种兼具技术可行性和经济可行性的环境可持续污水除磷技术。

主要参考文献

Ji, B. #, Zhang, M. #, Wang, L. #, Wang, S.L., Liu, Y. *, 2020. Removal mechanisms of phosphorus in non-aerated microalgal-bacterial granular sludge process. Bioresource Technology. 312, 123531.

 

季斌，博士，武汉科技大学副教授。

2010年毕业于武汉大学给水排水工程，2015年毕业于武汉大学市政工程系获博士学位。2018-2019年南洋理工大学访问学者。主要研究方向为微生物废水资源化技术、废物资源化技术、微生物与水环境。主持国家自然科学基金等课题，在Water Res.、Bioresour.Technol.、Environ. Pollut.等期刊发表学术论文20余篇，长期担任国际主流SCI期刊审稿人。

 

王利，现为南洋理工大学博士研究生。

2015年获南京理工大学化学工程学士学位，2016年获南洋理工大学环境工程硕士学位。主要研究领域为高效生物除磷。