藻菌好氧顆粒污泥（ABGS）是在好氧顆粒污泥（AGS）技術(shù)基礎(chǔ)上演變而來的新型污水處理與資源化技術(shù)，因具有效率高、能耗低、碳排放量少、附加值高等優(yōu)點，得到了廣泛關(guān)注和研究。我國地域遼闊，不同地區(qū)、季節(jié)的溫度具有顯著差異，這種溫度差異對生物處理工藝的運(yùn)行效能具有重要影響。但是，目前關(guān)于ABGS的研究主要在室溫條件下進(jìn)行，而低溫條件對ABGS形成、除污性能和附加產(chǎn)物的影響研究較少。鑒于此，筆者在低溫（12~15℃）與室溫（20~25℃）條件下，考察ABGS的形成、營養(yǎng)物質(zhì)（COD、N和P）的去除以及附加產(chǎn)物的生成情況，并利用高通量測序技術(shù)解析不同溫度條件下微生物和微藻的群落結(jié)構(gòu)特征，旨在為藻菌好氧顆粒污泥技術(shù)在低溫地區(qū)的污水處理與資源化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1、材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗用序批式生物反應(yīng)器（SBR）為亞克力材質(zhì)，高為120cm，內(nèi)徑為10cm，有效容積為8L，體積交換率為50%，底部安裝曝氣膜片，曝氣量為3L/min。AGS反應(yīng)器（R0）為對照組，外部用黑色塑料包裹，避免光照。ABGS反應(yīng)器（R1）外部安裝LED燈帶，內(nèi)部的光照度為8000lx。

1.2 實驗方法

接種污泥取自實驗室的AGS中試反應(yīng)器，其在低溫環(huán)境下運(yùn)行，所培養(yǎng)的AGS粒徑約為0.8mm。R0和R1反應(yīng)器中初始污泥濃度（MLSS）均為2.8g/L。反應(yīng)器每周期運(yùn)行4h，包括進(jìn)水（14min）、非曝氣（40min）、曝氣（178min）、沉淀（5min）、排水（3min）5個階段。實驗時間為冬季，共運(yùn)行95d，其中前30d實驗室空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，溫度在12~15℃之間；之后打開空調(diào)，使實驗室溫度維持在20~25℃之間。

實驗進(jìn)水采用人工模擬污水，COD（由葡萄糖和CH3COONa提供）為600mg/L，NH4+-N（由NH4Cl提供）為40mg/L，PO43--P（由KH2PO4提供）為5mg/L，Ca2（+由CaCl2提供）為10mg/L，Mg2（+由MgSO4提供）為10mg/L，Fe2（+由FeCl2提供）為10mg/L。

1.3 分析項目及方法

COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、MLSS和MLVSS等指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定；葉綠素（Chl-a）含量采用丙酮法測定；胞外聚合物（EPS）采用甲醛-氫氧化鈉法提取，其中蛋白質(zhì)（PN）和多糖（PS）分別采用考馬斯亮藍(lán)G250法和苯酚-硫酸法測定；ALE采用Meng等的方法進(jìn)行提取和測定；油脂采用氯仿-甲醇混合溶液（體積比為2∶1）從污泥中提取，并采用重量法測定；污泥粒徑采用激光衍射粒度分析儀測定。

1.4基于Illumina平臺的高通量測序

在反應(yīng)器運(yùn)行的第80天，對R0和R1中的污泥進(jìn)行采樣，將其和第1天的接種污泥樣品送往百邁客生物科技有限公司，在IlluminaNovaSeq測序平臺進(jìn)行測序。

2、結(jié)果與討論

2.1 污泥特性

兩組反應(yīng)器中污泥的濃度（MLSS）、Chl-a含量和粒徑的變化見圖1。由圖1（a）可知，低溫階段R0和R1的MLSS從2.8g/L分別升高到4.4和4.3g/L；實驗室內(nèi)的溫度從第31天開始升高到室溫，但是兩個反應(yīng)器的MLSS都出現(xiàn)了短暫的下降，這可能與培養(yǎng)溫度升高導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢微生物種群更替有關(guān)；在第40~65天，R0和R1的MLSS迅速上升，這表明顆粒污泥已經(jīng)成功適應(yīng)了室溫環(huán)境；從第65天起，R0和R1的MLSS基本保持穩(wěn)定，平均濃度都保持在6.1g/L左右。圖1（b）顯示，R0由于未施加光源，在運(yùn)行期間污泥中始終沒有Chl-a檢出；低溫階段R1污泥中的Chl-a含量低于0.005mg/gVSS，說明低溫不利于微藻在污泥中的增殖和藻菌顆粒的形成；當(dāng)溫度升高到室溫后，R1污泥中的Chl-a含量逐漸升高，在第40天時觀察到了少量的綠色藻菌顆粒污泥，在第70~95天期間Chl-a含量穩(wěn)定在5.73mg/gVSS，獲得了成熟的藻菌顆粒污泥。如圖1（c）所示，R0和R1中顆粒污泥的粒徑在低溫階段變化較小，而在室溫階段迅速增加，至第95天分別達(dá)到了2.0和2.3mm。低溫環(huán)境下，微生物活性低、增殖慢、分泌的EPS少，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒污泥粒徑增長較慢，室溫條件更有利于微生物的新陳代謝，有助于顆粒粒徑的快速提升，而微藻的生長又進(jìn)一步增加了藻菌顆粒的粒徑。

2.2 除污性能

2.2.1 COD去除效果

兩個反應(yīng)器對COD的去除效果如圖2所示。低溫和室溫階段兩個反應(yīng)器的COD去除率都在90%以上。低溫階段，顆粒污泥中微生物活性較低，但是由于顆粒粒徑小，氧氣、有機(jī)物和其他物質(zhì)擴(kuò)散到好氧生物區(qū)的傳質(zhì)阻力更小，從而在一定程度上彌補(bǔ)了生物活性下降的問題，使兩個反應(yīng)器在低溫條件下依然能保持較高的COD去除率。與低溫階段相比，室溫階段的COD去除率略有升高，在運(yùn)行后期R0和R1的COD去除率均超過了95%。這主要有兩方面原因：一方面，升高溫度可以提高微生物的新陳代謝及各種酶的活性，從而有利于COD的去除；另一方面，相較于低溫階段，室溫階段的顆粒污泥濃度有了顯著提升，高濃度的顆粒污泥可以提高反應(yīng)器對COD的去除能力。此外，在第60~95天，R0和R1的出水COD平均濃度分別為25.1和20.4mg/L。考慮到這兩個反應(yīng)器中的顆粒污泥濃度基本相同，因此推斷微藻的生長在一定程度上提高了藻菌顆粒對COD的去除能力。

2.2.2 PO43--P去除效果

兩個反應(yīng)器出水PO43--P濃度及去除率的變化見圖3�？芍�，在低溫和室溫階段，R0和R1對PO43--P的去除率都在80%以上，而且PO43--P去除率隨運(yùn)行時間的延長而緩慢升高，說明顆粒污泥在低溫和室溫下都可以有效去除污水中的PO43--P，溫度的影響不顯著，PO43--P去除率逐漸升高則可能與污泥濃度和污泥齡的變化有關(guān)。值得注意的是，在第70~95天，R0和R1出水PO43--P平均濃度分別為1.2和1.0mg/L，PO43--P平均去除率分別為87.8%和90.2%，這說明微藻的生長略微提高了藻菌顆粒污泥對PO43--P的去除能力，這與Wang等的研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn)，AGS和ABGS中磷的含量和生物可利用性較高，其中ABGS中的磷具有更高的資源循環(huán)利用潛力

2.2.3 氮去除效果

圖4顯示了兩個反應(yīng)器出水中不同形態(tài)氮的濃度及其去除率的變化情況。低溫階段R0和R1的NH4+-N去除率較低，只有70%左右。在室溫階段，NH4+-N的去除率逐漸升高，在第80~95天，兩個反應(yīng)器對NH4+-N的去除率均可以達(dá)到95%以上，出水NH4+-N濃度均低于2.0mg/L。顯然低溫在一定程度上抑制了兩個反應(yīng)器中硝化細(xì)菌的生長和活性，不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致低溫階段NH4+-N去除率較低。有研究也證明，污泥的硝化能力通常隨溫度的下降而逐漸降低，在溫度溫階段R1對TIN的去除率比R0要高，原因可能是：①R1中藻菌顆粒污泥的粒徑更大，導(dǎo)致其內(nèi)部具有更大的缺氧和厭氧區(qū)，有利于反硝化的進(jìn)行；②微藻可以直接利用硝酸鹽進(jìn)行合成代謝，這進(jìn)一步提高了R1中藻菌顆粒污泥的脫氮能力。

2.3 EPS含量

EPS是維持好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的關(guān)鍵物質(zhì)，其主要成分是PN和PS。低溫和室溫階段顆粒污泥的EPS含量以及PN/PS值的變化情況如圖5所示。低溫階段R0和R1中顆粒污泥的EPS含量基本保持穩(wěn)定，PN/PS值在2.4~2.8之間。第31~40天，兩個反應(yīng)器中顆粒污泥的EPS含量有一定程度的下降，且PN含量下降得較為顯著，PN/PS值降到了2.2，這與MLSS濃度的變化趨勢相一致，說明溫度變化不僅影響了污泥濃度，還影響了EPS的積累。在第40天，R0和R1中顆粒污泥的EPS含量分別為107.9和110.7mg/gVSS。在第40~90天，R0和R1中顆粒污泥的EPS含量逐漸升高，至第90天時分別達(dá)到了142.7和160.4mg/gVSS，比低溫階段分別提高了20.2%和36.4%，這說明溫度的升高和微藻的生長均有利于顆粒污泥產(chǎn)生并積累更多的EPS。從第40天開始，兩個反應(yīng)器中顆粒污泥的PN/PS值都逐漸升高，至第90天時R0和R1中顆粒污泥的PN/PS值分別達(dá)到2.6和3.0。有研究表明，PN/PS值與顆粒污泥的疏水性有關(guān)，PN/PS值越大則顆粒污泥的疏水性越好，顆粒污泥越穩(wěn)定。因此，相較于低溫環(huán)境，室溫環(huán)境以及微藻的生長均可提高顆粒污泥的穩(wěn)定性。

2.4 ALE含量

圖6為兩反應(yīng)器顆粒污泥中ALE含量的變化。低溫階段R0和R1中顆粒污泥的ALE含量基本保持穩(wěn)定。在室溫階段，兩個反應(yīng)器中顆粒污泥的ALE含量緩慢升高，且R1的增量更多，第90天時R0和R1中顆粒污泥的ALE含量分別為32.1和36.8mg/gVSS，相比第30天分別提高了73.2%和103.2%，一方面說明低溫不利于ALE的積累，適當(dāng)升高溫度有利于ALE的分泌與積累；另一方面說明微藻的生長可以提高ABGS中ALE的含量，Chen等在研究中同樣發(fā)現(xiàn)，在相同有機(jī)負(fù)荷條件下ABGS的ALE含量約為AGS的1.64倍。

ALE是由甘露糖醛酸（M）及古洛糖醛酸（G）組成的共聚物，它們以不同比例的GG、MG和MM排列成不規(guī)則的構(gòu)型，GG構(gòu)型的顆粒有利于形成致密的凝膠結(jié)構(gòu)，MG構(gòu)型可以增加類藻酸鹽分子的柔韌性。圖6顯示了AGS和ABGS中ALE的構(gòu)型分布。低溫階段，R1中未形成藻菌顆粒，因此兩個反應(yīng)器中顆粒污泥的ALE構(gòu)型分布相近，其中MG構(gòu)型占比最高，GG構(gòu)型次之。在室溫階段，兩反應(yīng)器中GG和MG構(gòu)型的含量均逐漸上升，但R1中顆粒污泥的GG和MG構(gòu)型含量升高得更快，至第90天時，R1中顆粒污泥的這兩種構(gòu)型含量比R0分別高出約25.6%和24.2%。由此可見，微藻的生長可提升ABGS的成膠性能和柔韌性。

2.5 油脂含量

圖7顯示了R0和R1中顆粒污泥的油脂含量變化情況。

低溫階段，R0和R1中顆粒污泥的油脂含量趨于一致，保持在35~40mg/gVSS之間。室溫階段，R0和R1中顆粒污泥的油脂含量逐漸升高，第80天時分別達(dá)到50.3和74.3mg/gVSS，比低溫階段的平均含量分別提高了37.7%和95.6%。第80天，ABGS中油脂的含量是AGS的1.5倍左右，說明室溫階段藻類的生長顯著提高了顆粒污泥中的油脂含量，進(jìn)而提高了藻菌顆粒污泥的資源化利用潛力。

2.6 微生物群落結(jié)構(gòu)

為了更好地比較低溫和室溫階段AGS與ABGS中微生物組成的差異，基于高通量測序技術(shù)，對反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行了微生物群落分析，R樣品是第1天低溫接種的好氧顆粒污泥，R0和R1樣品分別為反應(yīng)器運(yùn)行至第80天時采集的污泥樣品。圖8為各污泥樣品中微生物在屬水平上的相對豐度。

R、R0和R1顆粒污泥中最主要的優(yōu)勢菌屬均為動膠菌屬（Zoogloea），相對豐度分別為45.06%、35.34%和35.50%，Zoogloea在脫氮和EPS分泌方面具有重要作用。低溫階段，R顆粒污泥中的其他優(yōu)勢菌屬有紅細(xì)菌屬（Rhodobacter）、副球菌屬（Paracoccus）、井桿菌屬（Phreatobacter）、紅桿菌屬（unclassified_Rhodobacteraceae）和Sphingosinicella，相對豐度分別為9.78%、9.00%、5.18%、5.66%和4.59%。室溫階段，R0顆粒污泥中的優(yōu)勢菌屬除了Zoogloea（35.34%）、Rhodobacter（10.62%）、Paracoccus（9.34%）、Phreatobacter（6.97%）、unclassified_Rhodobacteraceae（6.42%）之外，還包括軍團(tuán)菌（Legionella）、金黃桿菌屬（Chryseobacterium）和脫氮污物球菌（Defluviimonas），相對豐度分別為7.48%、6.48%和5.48%。Chryseobacterium是常見的反硝化菌屬，能夠分泌大量EPS，有利于提高AGS的脫氮性能和顆粒穩(wěn)定性。除了Zoogloea，R1顆粒污泥中的優(yōu)勢菌屬還有固氮弧菌屬（Azoarcus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、Plasticicumulans和Phreatobacter，相對豐度分別為18.37%、10.87%、9.27%和4.59%，其中Azoarcus、Flavobacterium和Plasticicumulans的相對豐度變化較為明顯，相比接種污泥分別高了16.81%、8.04%和8.72%，比R0顆粒污泥分別高了16.71%、9.11%和8.03%。Azoarcus是反硝化脫氮和去除有機(jī)物的重要功能菌，Flavobacterium在活性污泥中可以合成聚羥基脂肪酸酯（PHA），其在生物反硝化和生物除磷過程中可以作為碳源，因此Azoarcus和Flavobacterium功能菌的富集有利于強(qiáng)化ABGS的脫氮除磷性能。由此可知，溫度和微藻的生長都會影響顆粒污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)而影響顆粒污泥的物化和生物特性。

室溫階段，第80天R1顆粒污泥中檢出的藻類分別是小球藻（Chlorella）、索囊藻屬（Choricystis）和柵藻（Scenedesmus），相對豐度分別為56.20%、26.50%和17.30%。小球藻和柵藻被廣泛應(yīng)用于污水處理中，它們能夠從污水中吸收營養(yǎng)物質(zhì)用于自身的生長和油脂的合成。

3、結(jié)論

低溫啟動的好氧顆粒污泥系統(tǒng)，隨著培養(yǎng)溫度的升高和微藻的生長，對COD、NH4+-N和PO43--P的去除率逐漸升高，最終可以達(dá)到96.44%、98.13%和90.2%。低溫階段，AGS無法快速形成藻菌顆粒，在室溫（20~25℃）條件下，系統(tǒng)運(yùn)行40d就可以形成成熟的ABGS，且室溫階段ABGS的ALE和油脂含量分別可達(dá)到36.8和74.3mg/gVSS，比低溫階段分別提高了103.2%和95.6%。（來源：天津市華博水務(wù)有限公司，南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）