藻菌好氧顆粒污泥（ABGS）是在好氧顆粒污泥（AGS）技術基礎上演變而來的新型污水處理與資源化技術，因具有效率高、能耗低、碳排放量少、附加值高等優點，得到了廣泛關注和研究。我國地域遼闊，不同地區、季節的溫度具有顯著差異，這種溫度差異對生物處理工藝的運行效能具有重要影響。但是，目前關于ABGS的研究主要在室溫條件下進行，而低溫條件對ABGS形成、除污性能和附加產物的影響研究較少。鑒于此，筆者在低溫（12~15℃）與室溫（20~25℃）條件下，考察ABGS的形成、營養物質（COD、N和P）的去除以及附加產物的生成情況，并利用高通量測序技術解析不同溫度條件下微生物和微藻的群落結構特征，旨在為藻菌好氧顆粒污泥技術在低溫地區的污水處理與資源化應用提供數據和技術支持。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
實驗用序批式生物反應器（SBR）為亞克力材質，高為120cm，內徑為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反應器（R0）為對照組，外部用黑色塑料包裹，避免光照。ABGS反應器（R1）外部安裝LED燈帶，內部的光照度為8000lx。
1.2 實驗方法
接種污泥取自實驗室的AGS中試反應器，其在低溫環境下運行，所培養的AGS粒徑約為0.8mm。R0和R1反應器中初始污泥濃度（MLSS）均為2.8g/L。反應器每周期運行4h，包括進水（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，共運行95d，其中前30d實驗室空調處于關閉狀態，溫度在12~15℃之間；之后打開空調，使實驗室溫度維持在20~25℃之間。
實驗進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等指標均采用國家標準方法測定；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（PN）和多糖（PS）分別采用考馬斯亮藍G250法和苯酚-硫酸法測定；ALE采用Meng等的方法進行提取和測定；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
在反應器運行的第80天，對R0和R1中的污泥進行采樣，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測序平臺進行測序。
2、結果與討論
2.1 污泥特性
兩組反應器中污泥的濃度（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；實驗室內的溫度從第31天開始升高到室溫，但是兩個反應器的MLSS都出現了短暫的下降，這可能與培養溫度升高導致反應器內優勢微生物種群更替有關；在第40~65天，R0和R1的MLSS迅速上升，這表明顆粒污泥已經成功適應了室溫環境；從第65天起，R0和R1的MLSS基本保持穩定，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天分別達到了2.0和2.3mm。低溫環境下，微生物活性低、增殖慢、分泌的EPS少，進而導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
兩個反應器對COD的去除效果如圖2所示。低溫和室溫階段兩個反應器的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、有機物和其他物質擴散到好氧生物區的傳質阻力更小，從而在一定程度上彌補了生物活性下降的問題，使兩個反應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
兩個反應器出水PO43--P濃度及去除率的變化見圖3。可知，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。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等的研究結果一致。有研究發現，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利用潛力
2.2.3 氮去除效果
圖4顯示了兩個反應器出水中不同形態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，兩個反應器對NH4+-N的去除率均可以達到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器中硝化細菌的生長和活性，不利于硝化反應的進行，導致低溫階段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，導致其內部具有更大的缺氧和厭氧區，有利于反硝化的進行；②微藻可以直接利用硝酸鹽進行合成代謝，這進一步提高了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定性的關鍵物質，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含量基本保持穩定，PN/PS值在2.4~2.8之間。第31~40天，兩個反應器中顆粒污泥的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生并積累更多的EPS。從第40天開始，兩個反應器中顆粒污泥的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，PN/PS值越大則顆粒污泥的疏水性越好，顆粒污泥越穩定。因此，相較于低溫環境，室溫環境以及微藻的生長均可提高顆粒污泥的穩定性。
2.4 ALE含量
圖6為兩反應器顆粒污泥中ALE含量的變化。低溫階段R0和R1中顆粒污泥的ALE含量基本保持穩定。在室溫階段，兩個反應器中顆粒污泥的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等在研究中同樣發現，在相同有機負荷條件下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排列成不規則的構型，GG構型的顆粒有利于形成致密的凝膠結構，MG構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的構型分布。低溫階段，R1中未形成藻菌顆粒，因此兩個反應器中顆粒污泥的ALE構型分布相近，其中MG構型占比最高，GG構型次之。在室溫階段，兩反應器中GG和MG構型的含量均逐漸上升，但R1中顆粒污泥的GG和MG構型含量升高得更快，至第90天時，R1中顆粒污泥的這兩種構型含量比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 微生物群落結構
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，對反應器中的污泥進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樣品分別為反應器運行至第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勢菌屬有紅細菌屬（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定性。除了Zoogloea，R1顆粒污泥中的優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構分布，進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用于污水處理中，它們能夠從污水中吸收營養物質用于自身的生長和油脂的合成。
3、結論
低溫啟動的好氧顆粒污泥系統，隨著培養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，系統運行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：天津市華博水務有限公司，南開大學環境科學與工程學院）
