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华中农业大学周云团队WR：在无曝气污水处理过程中，推流式微藻-细菌生物膜反应器生物活性对氮代谢的影响

时间：2023-10-16 来源：浏览：

华中农业大学周云团队WR：在无曝气污水处理过程中，推流式微藻-细菌生物膜反应器生物活性对氮代谢的影响

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第一作者：伍贝贝

通讯作者：周云

通讯单位：华中农业大学

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120461

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近日，华中农业大学周云教授团队在water research上发表文章，题为“Biofilm bioactivity affects nitrogen metabolism in a push-flow microalgae-bacteria biofilm reactor during aeration-free greywater treatment”。研究采用推流式微藻 - 细菌生物膜反应器 (PF-MBBfR) 处理无曝气污水，系统分析了不同反应器区域的生物膜特性、比耗氧(SOCR)和生成速率(SOGR)、反应器性能和出水溶解有机氮(DON)对有机负荷的响应。相比而言，有机负荷为（ 1.27 ± 0.10）kg COD/(m ³ ⋅ d) 时，生物膜浓度、密度、比产氧率 (SOGR) 、比耗氧率 (SOCR) 和污染物去除率最高。结果表明，反应器下游的细菌和蛋白质浓度较低， SOCR (12.8 mg O ₂ /g TSS) ⋅ h 平均分较高，而微藻、碳水化合物、生物膜密度较高， SOGR(49.4 mg O ₂ /g TSS) ⋅ h 平均分较高。在反应器上游，溶解有机氮 (DON) 表现出较高的分子量、 CHONS 和 4 个 N 原子的分数。大部分氮在同化过程中被相关功能酶固定在新合成的生物量上， N ₂ 排放较低，对脱氮作用的贡献较小。微藻高氮同化率表明其SOGR值较高，有利于高效去除多种污染物，降低DON排放。本工作的研究结果将有助于PF-MBBfR基于生物膜的生物活性优化操作条件，实现低能耗高效废水处理的工程应用。

背景介绍

微藻 - 细菌共生聚集体 (MBSA) 因其在废水处理过程中的低能量投入和高资源回收潜力而备受关注。作为典型的 MBSA 在载体表面生长，微藻 - 细菌生物膜具有结构稳定、污染物去除效率强、耐负荷冲击能力强、易于自动化管理等特点。特别是共生生物膜中的微藻生长周期短，光合强度高 ( 是陆生植物的 10~50 倍 ) ，对氨氮 (NH4 ⁺ -n) 和金属离子具有较高的耐受性，能适应各种水环境。细菌可将有机物有氧分解为 CO ₂ 或小分子有机物，在微藻代谢过程中可分别作为无机碳源和有机碳源 ; 微藻光合作用产生的氧气可作为细菌降解有机物和转化氮的电子受体，同时促进系统中需氧菌和真菌的生长和繁殖。然而，快速形成高效、稳定、多功能的生物膜是微藻 - 细菌生物膜在污水处理中高效、低耗能工程应用的重要前提。

影响微藻细菌生物膜形成和功能的因素有很多，包括污水 pH 、养分浓度和组成 ( 如碳氮比， C/N) 、温度、水力停留时间 (HRT) 、溶解氧 (DO) 和光强度。例如，光照强度显著影响微藻的光合作用和 DO 生成，而 DO 生成与多种污染物的需氧生物降解密切相关。高 C/N 比 (30:1) 有利于氨氮加氧酶协同代谢氨氧化和 LAS 矿化， C/N 比为 15:1 时，由于电子受体不足，抑制有机物的生物降解。特别是对于生物脱氮而言，上述因素将显著影响微生物的生长、活性和功能，进而影响脱氮性能。例如，高 DO 有利于硝化菌的生长，而低 DO 有利于反硝化菌的培养和积累。因此，微藻 - 细菌生物膜的形成和表征对于揭示氮转化和迁移的内在机制具有重要意义。

图文解析

要点1： 随着有机负荷的增加，两个区域的共生生物膜不断生长，但随着有机负荷的增加，共生生物膜的生长有所下降。微藻浓度(以叶绿素a表示)、比例和生物膜密度的动态变化反映了生物量的变化，但区域2在各阶段均呈现较高值。与之前的研究结果一致，低LAS(<10 mg/L)可以促进微藻和细菌的生长，导致共生生物膜的持续生长。由于LAS的生物毒性，更高的LAS负载将显著抑制微藻的光合作用和细菌的生长，导致6阶段共生生物膜中微藻和细菌的浓度均下降。2区相对较低的LAS残留导致PF-MBBfR微藻浓度较高。

图 1. 微藻和细菌生物量的动态变化 (a) 浓度和 (b) 比例，以及共生生物膜的 (c) 厚度和 (d) 密度。

要点 2 ：区域 1 的蛋白质比例高于碳水化合物 (α- ， β-1,4 和 β-1,3) ，而区域 2 的趋势相反。在 1~5 阶段，2个区域的蛋白质和碳水化合物比例几乎保持稳定， 6 阶段的高有机负荷也促进了区域 1 蛋白质的分泌。根据保护机制，本研究中，生物膜在不利的环境下，如高 LAS 加载条件下，会分泌更多富含蛋白质的 EPS 。生物膜密度与 α- 碳水化合物和蛋白质的比例呈显著正相关，但与碳水化合物呈负相关 (β- 1,4 和 β- 1,3) 。与之前的研究结果一致， β- 碳水化合物在生物膜形成中起骨架作用，蛋白质和 α- 碳水化合物速率都有助于共生聚集体的吸附和桥接。碳水化合物的粘度 (β- 1,4 和 β- 1,3) 有利于微生物聚集体之间网状骨架的形成，维持生物被膜结构的稳定性。下游 ( 区域 2) 中 α- 碳水化合物比例较高，进一步改善了多种污染物的吸附，有利于连续生物降解，实现了 PF-MBBfR 高出水质量。此外，第 7 阶段恢复的生物量浓度和比例表明微藻 - 细菌生物膜的稳定性和可控性。

图2. 共聚焦激光扫描显微镜观察了 (a) Region1 和 (2)Region 2 第 5 阶段微藻 - 细菌生物膜的结构和组分分布， (c) 注意阶段共生生物膜中组分比例的动态变化。 3D 和 2D 分别表示三维和二维 ; 蓝色、绿色、红色和紫色分别代表共生生物膜中的碳水化合物 ( β -1,4 和β -1,3) 、蛋白质、α - 碳水化合物和总细菌。

要点 3 ：生物膜密度与 α- 碳水化合物和蛋白质的比例呈显著正相关，但与碳水化合物呈负相关 (β-1,4 和 β-1,3) 。与之前的研究结果一致， β- 碳水化合物在生物膜形成中起骨架作用，蛋白质和 α- 碳水化合物速率都有助于共生聚集体的吸附和桥接。碳水化合物的粘度 (β-1,4 和 β-1,3) 有利于微生物聚集体之间网状骨架的形成，维持生物被膜结构的稳定性。下游 ( 区域 2) 中 α- 碳水化合物比例较高，进一步改善了多种污染物的吸附，有利于连续生物降解，实现了 PF-MBBfR 高出水质量。此外，第 7 阶段恢复的生物量浓度和比例表明微藻 - 细菌生物膜的稳定性和可控性。

图 3. Pearson 相关矩阵显示了共生生物膜特性 ( 生物膜厚度和密度 ) 与生物量和组分 ( 总生物量、微藻、细菌、蛋白质、 α- 碳水化合物和碳水化合物 (β-1,4 和 β-1,3) 的浓度之间的关系。 1* 表示显著性 p<0.05;2 星和 3 星分别表示显著性 p<0.01 和 0.001 。

要点 4 ：随着 HRT 的降低， SOCR 和 SOGR 均逐渐升高， HRT 6 h 时，区域 1 的 sor 分别为 19.32 和 35.94 mg O ₂ /g TSS-h ，区域 2 的 SOGR 分别为 12.83 和 49.39 mg O ₂ /g TSS-h 。在注意期，区域 1 的 sor 显著高于区域 2 ，而 SOGR 则呈现相反的趋势。 2 区微藻数量较多导致光合作用过程中 O ₂ 的产生速率较高， SOGR 与微藻浓度也呈较强的线性关系 ( R ² = 0.98, P < 0.01) 。此外， O ₂ 还可作为细菌需氧矿化 LAS 的电子受体，细菌浓度与 SOCP 也呈显著的线性相关 ( R ² =0.93, P <0.01) 。在微藻 - 细菌生物膜中，微生物可以利用微藻光合作用产生的氧气去除有机物和营养物，而不是依靠机械方式的高能量曝气提供的氧气。因此，共生生物膜可以显著降低废水处理成本，新合成的微藻 - 细菌生物量可以进一步实现资源利用。

图 4. (a) 上述运行阶段微藻 - 细菌生物膜的比产氧率 (SOGR) 和消耗率 (SOCR) 及其与共生生物膜中 (c) 叶绿素 a 和 (d) 生物量 ( 包括微藻和细菌 ) 浓度的关系。点表示实验数据，虚线表示线性拟合结果。

要点 5 ：在污染物去除方面，有机负荷为( 1.27 ± 0.10) kg COD/(m ³ ⋅ d)( 第 5 阶段 ) 时，综合效果最佳： 2 区出水浓度最低， COD(94.25 ± 4.72 mg/L) 、 LAS(99.22 ± 1.08 mg/L) 和 TN(97.07 ± 2.27 mg/L) 的去除率最高， NH ₄ -N 在 rf-mbbfr 中几乎被完全去除。系统中氮分布以 NH ₄ -N(40%) 为主， ON(34%) 和 NO ₃ -N(25%) 次之。在出水 TN 为( 0.75 ± 0.52) mg/L ，以 ON 为主的条件下， 1 区可去除大部分氮， 2 区可进一步去除少量残留的 NO ₃ -N 和 NH ₄ -N 。从 3.1 的结果可以看出，区域 2 的微藻生物量所占比例高于区域 1 。与之前的发现相一致，微藻更喜欢利用 NH ₄ -N 和 NO ₃ -N ，在氧化水环境中显示出最高的热力学稳定性。结果表明，在共生生物膜中，细菌与微藻的结合能够有效去除有机物和氮。微藻具有供氧、污染物吸附和无机碳氮同化作用 ; 细菌实现污染物的生物吸附和生物降解。研究结果可为揭示污水处理过程中微藻 - 细菌共生生物膜的内在机制提供启示。

图 5. PF-MBBfR 处理污水过程中 (a) COD 、 (b) LAS 、 (c) NH+ 4-N 、 (d)TN 和 (e) 各标记阶段 (S1-7) 各氮种的浓度和去除率的动态变化。在图 5a 和图 b 的每个阶段，左右方框分别代表系统中的区域 1 和区域 2 。

总结与展望

本研究试图揭示在无曝气污水处理过程中，生物膜的生物活性如何影响 PF-MBBfR 的氮代谢。结果表明：HRT 处理 6 h 生物膜浓度、密度、 SOGR 、 SOCR 和污染物去除率最高；反应器下游区域 2 的生物膜、蛋白浓度和 SOCR 较低，但生物膜密度、微藻浓度、 SOGR 和污染物去除率较高。 DON 在 1 区表现出相对较高的分子量、 CHONS 组分和 N ₄ 组分。大部分氮在同化过程中固定在新合成的生物质上， N ₂ 排放较低，对反硝化的贡献较小。 Pearson 相关分析和结构方程模型表明，高氮同化率的微藻具有较高的 SOGR ，有利于高效去除多种污染物，降低 DON 排放。因此，在深入了解生物膜特性及其对氮的影响机理的基础上进行 PF-MBBfR 工程，有利于开发一种新型的生物膜技术，在低成本污水处理中具有巨大的潜力。

来源： 水生态环境科学。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。