嗜盐微藻好氧颗粒污泥处理海水废水的研究进展
文章信息
关键词：藻类细菌颗粒 好氧污泥颗粒化 光营养生物膜 微藻类 生物营养去除 含盐废水处理
摘要
本研究旨在探讨盐渍环境下嗜盐细菌的粒化及生物营养去除。为此，将光营养生物膜接种于摇瓶中，在光营养和非光营养条件下，通过投加海水基废水，使摇瓶处于充液-抽吸模式。在海水条件下实现了生物膜微生物的快速造粒。在光营养和非光营养条件下，将光营养生物膜分别培养成绿色微藻定植好氧颗粒污泥（AGS）和黄色AGS。当污泥体积指数（SVI5）稳定在20 mL/g时，表明污泥颗粒化良好（SVI5/SVI30asymp;1）。在生理盐水条件下，总氮和磷的去除率分别高达81-95%和97%。在AGS中检测到聚磷菌。本研究证明，嗜盐生物量的快速造粒可快速建立营养物质，培养微藻定殖AGS，提高微藻的采收率。今后的研究应着眼于最大限度地发挥微藻的效益，实现废水的可持续处理。
- 简介
已有百年历史的活性污泥法仍然广泛应用于污水处理厂（WWTPs）中，用于城市和工业废水的生物修复（Sheik等人，2014）。由于大量化石燃料衍生能源用于曝气、废水和生物量在处理池之间移动以及相关的温室气体排放，活性污泥法被认为是环境不可持续的（Sheik等人，2014）。为了改善生物处理、生物量处理后的水分离以及避免生物量在池之间移动，开发了好氧颗粒污泥（AGS）工艺（Morgenroth等人，1997）。它承诺在单一污泥系统中同时去除废水中的有机碳、氮和磷（Sarma和Tay，2018年；Nachharaiah和Sarvajith，2019年）。与传统活性污泥法相比，AGS法将土地占用和能源需求分别减少50%至75%和30%至48%（Bengtsson等人，2019年；Nancharaih等人，2019年）。AGS工艺的其他优点包括改进的养分去除、较少的设备和较低的污泥产量（Nachharaih等人，2019年）。在AGS工艺中，约60%的能量用于曝气（Bengtsson等人，2018年），这表明需要进一步提高废水处理的可持续性。这种相对较新的AGS技术依赖于AGS的优良沉降特性，AGS基本上由自生生物聚合物基质中的自固定化细菌组成（nancharaih和Venugopalan，2019）。在污水处理厂中使用微藻具有吸引力，原因有三：一）通过光合作用供氧降低曝气成本；二）通过藻类同化过程提高氮磷去除率；三）提高生物燃料废水处理过程中产生的生物量质量（He等人，
图1。本研究所采用的实验条件。用生物膜接种摇瓶，采用序批式操作，投加海水基废水。烧瓶在光营养（左、中）和非光营养（右）条件下操作。
2018a，2018b；Liu等人，2018）。但是，由于藻类或藻类细菌联合体的沉降特性差，从处理过的废水中分离生物量仍然是藻类废水处理系统的一个挑战（Abinandan等人，2018；Gupta等人，2019）。利用AGS改善藻类的沉降特性，并利用光氧化技术降低污水处理厂的曝气成本，已成为人们日益关注的问题。培养藻类细菌采取了不同的方法。从活性污泥中培养AGS，然后暴露在自然阳光下，以促进细菌颗粒表面的藻类生长（Huang等人，2015）。从一开始，通过在光营养条件下（光/暗循环12h/12h）操作序批式反应器，也直接从活性污泥培养藻类细菌颗粒（Zhang等人，2018）。以往的研究主要集中在通过在自然或人工光照下操作生物反应器从活性污泥（以异养微生物为主）中培养藻类细菌颗粒（Kumar和Venugopalan，2015；Liu等人，2018）。在此条件下，水媒微藻生长并定植AGS，形成藻类细菌颗粒。光营养生物膜是由光营养和异养微生物组成的复合菌群，是一种天然的藻类细菌颗粒培养基。此外，光营养生物膜在自然环境中暴露于光的表面上普遍存在，有助于初级生产力和推动元素的生物地球化学循环（Battin等人，2016）。由于微生物多样性（光营养和异养有机体）和代谢途径，光营养生物膜在废水处理、生物修复、水产养殖和生物制氢方面引起了极大的兴趣（Ramanan等人，2016年；Marouscaron;ek等人，2014年）。由于AGS微生物比活
性污泥具有更高的抗盐性，因此越来越多地对AGS工艺处理含盐废水进行评估（Corsino等人，2016）。使用嗜盐细菌（即河口沉积物）代替活性污泥有望在盐碱条件下造粒和有效去除养分（Huang等人，2019）。
据我们所知，目前还没有利用天然光营养生物膜培养藻类细菌颗粒处理海水基废水的报道。在这里，我们假设利用自生光营养生物膜微生物可以快速培养（微藻定植）好氧颗粒污泥，并快速建立养分去除途径。光营养生物膜是（i）细菌和微藻，（ii）聚集微生物和（iii）功能性脱氮除磷生物的重要来源。研究了光营养和非光营养条件下光营养生物膜微生物好氧颗粒污泥的培养和含盐废水条件下生物营养盐的去除。
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材料和方法
- 接种物和海水基废水
收集了印度东海岸Kalpakkam（12°33′N和80°11′E）孟加拉湾沿岸岩石上形成的天然光营养生物膜。使用无菌尼龙刷从岩石中收集生物膜，并悬浮在100毫升过滤海水（FSW）中。用旋涡混合器将其充分混合，作为AGS或微藻定植AGS的接种物。
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