藻-菌颗粒污泥粒径与除污效能的研究

胡国胜,季 斌

（武汉科技大学城市建设学院，武汉，430065）

近年来，随着全球气候变化与能源危机的出现，藻-菌颗粒污泥（Microalgal-Bacterial Granular Sludge，MBGS）工艺因其高除污效能、低能耗、零温室气体排放等优点受到广泛关注［1-3］.相比于传统的活性污泥法，MBGS 工艺无需曝气，微藻可协同细菌降解污水中的有机物［4］.在MBGS中，微藻利用细菌产生的二氧化碳进行光合作用，实现固碳并产生氧气，细菌则利用这些氧气降解污水中的有机物并产生二氧化碳［5-6］.基于此，MBGS 工艺无需外部曝气，几乎无温室气体排放，对环境友好，可助力达成“碳中和”［7-8］.有研究发现，即使在处理低碳-氮比的污水时，MBGS也保持了较低的温室气体排放量［9］.此外，MBGS工艺能够通过微生物的同化作用富集污水中的有机物和污染物［10］，产生的生物质可用来生产生物肥料、生物油和高附加值产品，从而实现能源与资源的回收利用［11-13］.

影响MBGS 处理污水效能的因素有很多，比如污泥浓度、温度、光照强度、水力停留时间等［14］.但是到目前为止，关于MBGS 的颗粒粒径对污水处理效能影响的研究较少.MBGS 在处理污水的过程中会不断生长，其粒径也随之增大.较大粒径的MBGS 会由于颗粒的光衰减而面临光能利用效率低的问题，进而导致产氧量低［10］.同时，过大粒径的MBGS 中藻-菌的质量比偏小，藻-菌之间传质效率降低［10，15］，进而影响除污效能.因此，研究MBGS 粒径与除污效能之间的关系是非常有必要的.之前报道过平均粒径分别为0.356，0.760，0.951 和1.444 mm 的MBGS 处理污水的效能，认为粒径较大有利于有机物的去除，而对氨氮和磷酸盐的去除无明显影响［5］.但是，因其研究的颗粒粒径范围较小，对于粒径大于1.5 mm 的MBGS 未涉及.

本文系统研究了不同粒径MBGS 的处理效能，通过文献调研以及研究数据对比，总结得到MBGS 处理生活污水的最优粒径范围，探讨粒径对有机物、氮及磷酸盐去除的影响机制，并提出控制MBGS 最优粒径的方案.本研究结果有望为MBGS 工艺高效处理实际污水提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 人工合成污水实验采用人工合成污水，配方根据之前的研究调整而来［8］.主要成分：300 mg·L-1COD（ChemicalOxygenDemand）（NaAc），40mg·L-1-N（NH4Cl），10mg·L-1-P（KH2PO4），50 mg·L-1MgSO4·7H2O，10 mg·L-1CaCl2，10 mg·L-1FeSO4·7H2O，20 mg·L-1NaHCO3以及1 mL 微量元素浓缩液.

1.2 实验设置MBGS 是将成熟的好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）置于约200 μmol·m-2·s-1光强的全光谱LED 灯下，用人工合成污水培养得来的［16］.采用不同孔径的标准筛将成熟的MBGS 分为平均粒径分别为1.08，2.20，3.17 和4.08 mm 的实验组.然后用一批50 mL 玻璃反应器进行实验，每组设置两个平行对照组.实验开始时的挥发性悬浮固体浓度（Volatile Suspended Solids，VSS）为（3.23±0.17）g·L-1.实验运行周期为12 h，整个实验进行了21 d.采用全光谱 的LED 灯提供～200 μmol·m-2·s-1强度的光照.每个周期开始与结束收集的样品通过0.45 μm 滤膜过滤并进行水质分析.

1.3 分析方法按照标准方法［17］测定COD，和VSS，分别采用YSI5100 溶解氧 仪（Yellow Springs，OH，USA）和STARTER3100 pH 计（Ohaus，New Jersey，USA）测量溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）浓度和pH.用ImageJ 分析MBGS 的颗粒 大小［18］.

1.4 数据分析实验结果的差异通过IBM SPSS 26.0 的独立样本t分析、Mann-Whitney U分析和单因素方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）进行比较.“p＜0.01”表示有显著差异，“p＞0.01”表示没有显著差异.使用Origin 2023 进行图像绘制.

2 结果与讨论

2.1 不同粒径MBGS 的处理效能图1 展示了本研究所选取的平均粒径分别为1.08，2.20，3.17 和4.08 mm 的MBGS 形态.从图2 中可以很明显地看出平均粒径为1.08 mm 的MBGS 对COD、氨氮、磷酸盐的去除率最高，而且在COD去除方面的优势最为显著.在COD 的去除实验中，COD 去除率与粒径呈反相关，四组实验的COD 去除率随着粒径的增大而降低.平均粒径为1.08 mm 的MBGS 与其他组数据相比，去除率都具有显著的差异性（p＜0.01）；平均粒径为2.20 mm 的MBGS 的去除率与平均粒径为4.08 mm 的MBGS 具有差异性（p＜0.01）.平均粒径为4.08 mm 的MBGS 去除COD 效能最差，仅为57.86%±7.27%.对于氨氮的去除，四组实验的平均去除率在60%～75%波动，但平均去除率仍然是粒径为1.08 mm 的MBGS 最优，随着粒径的增大氨氮去除呈下降趋势.对于磷酸盐的去除，平均粒径为1.08 和2.20 mm 的MBGS 非常相似且平均去除率最高，而且都与平均粒径为4.08 mm 的MBGS 有非常显著的差异（p＜0.01），平均粒径为4.08 mm 的MBGS 在整个实验中去除率波动很大，极不稳定.

图1 不同粒径藻-菌颗粒污泥的形态Fig.1 Morphology of microalgal-bacterial granular sludge in different granular size

图2 不同粒径藻-菌颗粒污泥的处理效能(n=20)Fig.2 Treatment performance of MBGS in different granular sizes (n=20)

不同粒径MBGS 的出水pH 和DO 如图3 所示.可以明显地看出，MBGS 粒径越大，其出水pH 和DO 浓度越低.平均粒径为1.08 mm 的MBGS 的出水pH 与平均粒径为3.17 和4.08 mm的实验组都表现出显著的差异（p＜0.01）.DO 也表现出与pH 类似的差异性，平均粒径为1.08 mm的MBGS 在一个实验周期中产氧最多，这是因其拥有较高的藻-菌质量比［10］，且与其他实验组的出水DO 都表现出显著差异（p＜0.01）.而较高的产氧量会对COD 的去除性带来积极影响［15］.这说明在一定范围内，MBGS 的粒径越小，其藻-菌比越大，产氧效果越好，处理效能越优越.

图3 不同粒径藻-菌颗粒污泥的出水pH 和DO (n=20)Fig.3 Effluent pH and DO of MBGS with different granular sizes (n=20)

2.2 MBGS 的最优粒径为了探究不同粒径MBGS 的除污效能，本文收集了研究不同粒径MBGS 的文献并将其中COD，NH+4-N 以 及-P 去除数据整理成比去除速率（Specific Pollutants Removal Rates，SPRR）.如 图4 所 示，MBGS 的COD 比去除速率可以根据其粒径分为两组，粒径为0.8～1.8 mm 的MBGS 是高COD去除效能组；粒径小于0.8 mm 和大于1.8 mm 的MBGS 是其他组，它们对于COD 的去除效能相对较低.而且平均粒径为0.8～1.8 mm 的MBGS在COD 去除方面与其他组有显著差异（p＜0.01）.对于氨氮的去除，平均粒径为0.8～1.6 mm 的MBGS 优于其他粒径，且其SPRR与其他粒径组有显著差异（p＜0.01）.但是，对于磷酸盐的去除，MBGS 的粒径似乎对去除率影响不大，其SPRR基本稳定在0.02～0.10（mg P）·（g VSS）-1·h-1；数值较高且集中的SPRR所对应的粒径范围与其他粒径组没有显著差异（p＞0.01）.在之前的研究中［19］，丝状藻类因光驱动占据着MBGS 的外层，是MBGS 系统中聚磷酸盐的主要累积者.而粒径不会改变藻类在颗粒外层的分布，即使在大粒径的MBGS 的外层也有约1.25 mm 厚的蓝藻层［15］.此外，磷酸盐的去除与pH 因素相关，因此粒径的大小对磷酸盐的去除效果影响较小.

图4 不同粒径藻-菌颗粒污泥的COD，-N 以及-P 的比去除速率Fig.4 COD，-N and -P specific removal rates of MBGS in different granular sizes

通过对比不同文献中不同粒径的MBGS 除污效能，可以得出0.8～1.6 mm 是MBGS 除污效能最优的粒径范围.在此粒径范围内的MBGS，对COD，-N 的去除效能最高，且明显区别于其他粒径.而MBGS 粒径的变化对于磷酸盐去除的影响似乎不大.

2.3 MBGS 粒径的影响机制已有研究发现MBGS 的 藻-菌质量比与其粒径大小相关［10］.（1）小粒径的MBGS 藻-菌质量比更高，藻类占主导地位；光能更好地透过小粒径的颗粒层，颗粒的光利用效率高，颗粒产氧量更高；颗粒内层产生的气体能使颗粒更加疏松多孔，使颗粒内外层的微生物能更好地进行传质［5］.但是，过小的粒径会导致更低的细菌占比，富余的氧气反过来会抑制藻类的新陈代谢［29］，而且光合氧可能会抑制藻-菌系统中反硝化细菌的活性［30］，从而影响MBGS 除污效能.藻-菌比的偏高可能会导致由细菌分泌的胞外聚合物减少，藻类的生物絮凝和颗粒化受到影响［30］，使小颗粒的MBGS 的沉降性能变差.（2）大粒径的MBGS 的藻-菌比较低，藻类因光驱动大多会占据颗粒的表层，细菌则主要在颗粒内部形成缺氧层和厌氧层，藻-菌协同处理污染物［15，30］.但过大的粒径带来的藻-菌分层以及光透过率的下降，会导致整个颗粒的光利用率不高以及藻-菌传质效率下降［5，10］，从而影响MBGS 系统的除污效能.大粒径的MBGS 可能更适合进行同步硝化反硝化脱氮［15］.因 此，MBGS 的粒径在0.8～1.6 mm 最适宜，过大或过小的粒径会影响MBGS 的藻-菌质量比与生态位，从而影响其传质和光利用效率，进而影响其除污效能.

2.4 调控MBGS 粒径的策略MBGS 去除污染物的主要机理是其微生物的同化作用［10］，因此MBGS 在处理污水的过程中必然会有生物量的增长.而MBGS 生物量的增长主要体现为其粒径和污泥浓度的增大［15］，污泥浓度可以通过排泥和调整污泥停留时间进行控制，而粒径的控制须依靠其他策略.

表1 文献中不同粒径藻-菌颗粒污泥的实验条件Table 1 Experimental conditions for MBGS in different granular sizes in the literature

目前已有研究表明，水力剪切力是MBGS 造粒过程中的重要因素［31］，因此给予MBGS 剪切力的操作能够将其粒径稳定维持在一定范围内.这是因为在较高的水力剪切力下往往难以形成大颗粒，而小颗粒的丰度会增加；其次，剪切力会影响细菌的表面疏水性和EPS 分泌［32-33］.搅拌和曝气往往是MBGS 造粒中的常用手段.根据文献报道，对于间歇式反应器，保证无曝气MBGS 工艺粒径稳定的搅拌速率在120～300 r·min-1［2］.当搅拌速率为250 r·min-1时（剪切力为0.140 N·m-2），颗粒粒径可被保持在1.7 mm 以下［34］.可能因为曝气会促进微生物的生长，所以曝气目前仅被研究用于MBGS 的造粒［33］，曝气强度与粒径维持相关的研究鲜有开展.

3 结论

本研究考察了不同粒径的MBGS（1.08，2.20，3.17 和4.08 mm）的除污效能，发现1.08 mm 的MBGS 系统去除有机物、氨氮及磷酸盐的效能最高，同时其出水溶解氧浓度最高.通过文献分析数据进一步发现，当光强为100～500 μmol·m-2·s-1时，0.8～1.6 mm 是MBGS 最优粒径范围.过大或过小的粒径会影响MBGS 的传质及光利用效能，从而影响藻-菌生态位及其除污效率.为保证MBGS 在市政污水处理中的高除污效能，可以通过对MBGS 系统提供剪切力（如水力或机械搅拌）来维持其最优粒径范围.