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| 发布时间：2023-11-20 16:24:39 | 来源：中国给水排水 | 作者：本站编辑 | 浏览次数： |
编者按 针对藻-水分离困难的根本性技术限制因素，对极具技术发展潜力的可自然沉降藻-菌共生系统进行介绍。从藻-菌共生絮凝体富集培养方法出发，系统总结藻-菌共生絮凝体污水处理效果；揭示其对藻-菌系统处理能力的提升作用；讨论藻-菌相互作用关键新问题；探讨藻-菌共生絮凝体生物能源生产潜力；提出后续研发重点方向。 整理 | 黄奥 责编 | 郝晓地
文章亮点 1 可自然沉降藻-菌共生絮凝体技术是突破微藻污水处理技术瓶颈的有力手段之一； 2 厌氧/缺氧/好氧形式藻-菌系统能够在脱氮除磷功能菌和藻类协同作用下实现稳定、高效的污水深度净化； 3 藻-菌共生系统应充分利用光照对NOB的选择性抑制作用，进而实现稳定高效的总氮去除效果； 4 利用工业废气、沼气等廉价CO2碳源人工强化藻-菌系统的无机碳源供给，既能避免无机碳源缺乏所产生的硝化菌与藻类竞争，实现更高效营养物去除效果，还能显著提高藻-菌共生絮凝体中的藻细胞的比例和能源含量，实现更加可持续的可再生能源生产。 1 引言 无论从污水处理本身还是能源生产角度来看，从处理水中有效分离藻细胞都是限制微藻技术大规模工业化应用的主要瓶颈。 目前，实现藻细胞分离的常规思路是在出水时采用人工强化方法，如：离心、过滤、气浮、化学混凝等末端分离手段。但难以解决大量藻细胞流出反应系统的本质性问题。究其根本，末端分离技术还在于不能实现对HRT和SRT的独立控制，导致微藻培养系统无法通过分别控制HRT和SRT来调控反应器内生物量、污染物负荷、细胞活性/生长阶段及种群结构的工艺控制手段。因此，只有改变藻-水末端分离的固有思路，探索在反应体系内部实施“原位”分离藻细胞的技术措施，最后方能使藻类处理污水技术应用走向光明。 在此方面，藻-菌共生絮凝体（Microalgal-bacterial flocs，MaB flocs）存在技术发展的潜力。MaB flocs是指微藻与活性污泥经生物絮凝作用而自发形成的生物絮凝体，其尺寸较大（400～800 μm），具有良好的沉降性能，可以通过简单重力沉降实现高效原位分离，进而大幅提升藻-菌系统的培养密度以及污水处理能力。因此，在藻-菌共生系统中富集培养可自然沉降的MaB flocs得到了越来越广泛的关注。
2 藻-菌絮凝体富集培养体系 2.1 常规富集培养系统 传统高效藻类塘系统（图1）在长HRT、低有机负荷下能形成部分易沉降的MaB flocs。然而，该絮体结构不稳定，随HRT缩短和食物比（F/M）增加等条件变化而迅速解体，导致沉降性能显著恶化。对此，众多研究趋向于通过设置沉淀单元筛选具有优良沉降性能生物质，并将其回流至藻类塘以实现稳定富集MaB flocs。其中，合适的沉淀单元及絮凝体回流则成为技术关键（见图2）。沉淀生物质回流能将系统沉降率稳定在85%以上，而没有回流的传统藻类塘仅能维持60%左右的沉降率。 图1 传统高效藻类塘系统（无MaB flocs回流） 图2 连续流藻-菌共生絮凝体富集培养系统 此外，非沉降性单细胞藻类通常比易沉降胶团状和丝状藻类具有更高的生长速率，且更易于上浮到反应器表面接收太阳光。因此，在传统藻类塘系统中，非沉降性微藻比易沉降MaB flocs在营养物和太阳光竞争中更具优势，并占主导地位。因此，合理的筛选具有如下效果：① 促进非沉降性微藻持续流失而保留可沉降MaB flocs，直接提升后者在系统中所占比例和整体沉降性能；② 可沉降MaB flocs比例增加使MaB flocs在营养竞争中占据优势；③ 回流延长了MaB flocs SRT，进一步增强了生物絮凝作用，强化了絮体结构的稳定性。 从运行模式而言，间歇式光生物反应器（图3）更易实现MaB flocs富集。其工艺流程包括进水、光反应阶段、暗反应阶段、沉淀和排水5个典型阶段。在沉淀阶段，可沉降MaB flocs直接停留在反应器内，起到连续流系统中絮凝体回流的作用。此外，非沉降藻细胞随出水排放，降低了下一周期非沉降藻细胞的初始浓度，额外施加了淘汰非沉降微藻种属的选择性压力。总之，沉淀时间和排水体积形成了淘汰非沉降微藻种属的双重选择性压力。沉淀时间越短，体积交换比越大（VER，周期排水体积/反应器总体积），选择性压力就越强。取决于选择性压力的大小，间歇式光生物反应器能在1个月或更短的时间内，迅速富集易沉降的MaB flocs，稳定实现沉降率＞90%的良好沉性能。 图3 间歇式藻-菌共生絮凝体富集培养系统 通过总结MaB flocs富集培养系统的沉降性能、运行参数及代表性污水处理性能可以发现，MaB flocs富集培养使系统沉降率显著提升到90%以上，实现了高效原位重力沉降分离。显著提高了培养密度和污水处理能力。并且MaB flocs富集培养系统能够稳定实现80%以上的COD去除效率，以及在很短的HRT下稳定实现78%～100%的NH4+-N去除效率。这主要归因于原位分离后HRT和SRT可以分别调控，即在很短的HRT情况下仍然可以保持较长的SRT，从而在系统中富集硝化细菌这类生长较为缓慢的微生物。 其中，受限于常规富集系统工艺流程，进水都处于光反应阶段（图2、图3）。此时，反应器由于藻类光合放氧处于好氧硝化与分解有机碳源状态。这导致后续暗反应阶段时，因碳源缺乏而抑制反硝化反应进行。因此，总氮去除在很大程度上依赖于藻细胞的合成不利于反硝化所致。此外，细胞合成作用受限于微藻生长速率和藻细胞元素组成比例（C:N:P物质的量之比为106:16:1）。所以基于常规富集系统工艺流程的微藻系统脱氮具有很大不确定性。 表1 MaB flocs富集系统的沉降性能和污水处理效果 2.2 缺氧/好氧富集培养系统 为了强化总氮去除，可将MaB flocs富集培养系统构建成缺氧/好氧形式，即可引入已成熟的硝化/反硝化生物脱氮过程。在连续流系统中，需要额外构建一个遮光的反应器作为缺氧段，通过内循环引入硝化液，利用进水碳源进行反硝化;光生物反应器则作为好氧段进行硝化过程［见图4(a)］。在间歇式培养系统中，只需将进水调整到暗反应阶段即可［见图4(b)］。 通过流程改进，缺氧/好氧富集系统能够在相对较低的进水碳/氮比条件下稳定实现良好总氮去除效果（表1）。并且研究发现，短程硝化与反硝化是藻-菌系统中脱氮的主要途径与固有特性。 图4 缺氧/好氧藻-菌共生絮凝体富集培养系统
3 藻-菌相互作用 藻-菌系统中不但存在藻-菌共生关系，二者之间亦可能存在争夺底物（营养物、碳源）等竞争关系。如，硝化菌与藻类竞争无机碳源（CO2）。其中，除竞争无机碳源的“量”外，其“质量”也非常容易受到微藻生长的影响，从而进一步加剧藻-菌对无机碳源的竞争。藻类塘中由于微藻的光合作用，pH值很容易上升至9～10的水平。无机碳在pH值＞9时将主要以CO32-形式存在。而硝化菌和绝大部分微藻只能利用CO2和HCO3-形式的无机碳源。这就导致即使在无机碳源总量充足的情况下，藻-菌系统仍可能由于可生物利用无机碳源的不足而面临无机碳源缺乏的现象。对此，向藻-菌系统人工供给CO2（工业废气、沼气等）可能是解决这一问题的有效方法。因这样做既可增加无机碳源的总量，也能降低系统pH值，增加可生物利用的无机碳源量。 除受无机碳源竞争的影响外，硝化细菌在藻-菌共生系统中还很容易地受到光抑制的影响。如前所述，藻-菌共生系统很容易出现稳定的短程硝化现象。这很可能是由于硝化菌中的氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）对光抑制的敏感程度不同所致。而往往后者所受的光抑制影响更为明显。并且有研究还发现，较高浓度的NH4+能明显减缓AOB所受的光抑制，而NO2-对NOB所受的光抑制并没有缓解作用。因此，当处理以氨氮为主的生活污水时，藻-菌共生系统中的NOB将受到严重的选择性抑制，很容易形成稳定的短程硝化现象。因短程硝化/反硝化能显著节省生物脱氮所需有机碳源量（40%），藻-菌共生系统应充分利用光照对NOB的选择性抑制作用，进而实现稳定高效的总氮去除效果。
4 生物能源潜力
除水质净化功能外，利用收获的藻细胞进行可再生能源（生物柴油、生物沼气、生物乙醇、生物氢气等）生产是微藻污水处理中的又一重要功能。藻类塘中常见的微藻种属如小球藻、栅藻、布朗葡萄藻、微拟球藻、三角褐指藻等，通常可以累积高达30%～50%的油脂含量（细胞干质量）。然而，在藻-菌系统中所收获MaB flocs油脂含量一般仅为10%～30%。这是因为：① MaB flocs很大一部分生物量由不含油脂的细菌组成，这直接降低了生物质总的油脂含量；② 混合培养是污水处理的本质特征，产油微藻由于生长速率较慢，往往容易被其他含油较低的快速生长种属所淘汰，在种群结构中处于劣势地位；③ 油脂大量累积一般发生于氮缺乏之后，而实际污水处理中通常不能满足这一条件。有研究通过分析微藻生物柴油生产各环节（采收、浓缩、油脂抽取和加工等）能量平衡表明，只有生物质油脂含量＞40%时才能实现可持续的生物柴油生产。因此，直接生物柴油生产不是藻-菌絮凝体能源转化的最合适方式，以厌氧消化产甲烷（CH4）才是最为合适的能量转化方式。 文献报道的MaB flocsCH4产率介于128～348 ml CH4/g VSS之间，与城市污水厂剩余污泥CH4产率（150～300 ml CH4/g VSS）相当。事实上，MaB flocs厌氧转化效率（25%～36%）却明显低于活性污泥（40%～50%）。这主要是因为微藻具有更加坚固的细胞壁，在厌氧消化中难以破稳并水解所致。此外，藻细胞较低的C/N（导致氨抑制）和金属离子的累积（来自化学沉淀）等也是导致厌氧转化效率偏低的重要原因。因此，通过开发有效的预处理方法、提高生物质自身的能源含量（如提高含油藻比例及油脂含量）和采用厌氧共消化等方式来提高能源转化效率将是利用MaB flocs实现可再生能源生产的关键。
5 技术展望
后续研究可从以下几方面进一步提升其在可持续污水处理和可再生能源生产中的工程化潜力：
1 将藻-菌系统进一步构建成厌氧/缺氧/好氧形式，形成包含聚磷菌、硝化/反硝化菌和藻类在内的藻-菌共生微生物群落结构，从而在脱氮除磷功能菌和藻类协同作用下实现稳定、高效的污水深度净化。 2 在水力停留时间和固体停留时间分别调控的基础上，对培养密度、污染物负荷、光合产氧速率、微生物活性/生长阶段等运行参数进行优化，以实现高负荷（HRT＜1 d）污水深度处理。 3 利用工业废气、沼气等廉价CO2碳源人工强化藻-菌系统的无机碳源供给，这既能避免无机碳源缺乏对硝化菌和藻类生长的限制、刺激藻类快速生长、合成更多的氮磷元素（从而实现更高效营养物去除效果），还能显著提高MaB flocs中的藻细胞的比例和能源含量，实现更加可持续的可再生能源生产。 原文信息：胡沅胜,程慧芹,郝晓地.自然沉降藻-菌共生絮凝体研究进展[J].中国给水排水,2016,32(18):1-7
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