好氧污泥微藻耦合颗粒的培养及特性研究

中国环境科学2017,37(7)：2536~2541ChinaEnvironmentalScience好氧污泥-微藻耦合颗粒的培养及特性研究刘琳1,2*,叶嘉琦1,刘玉洪1,2,黄栩1,刘超翔1*(1.中国科学院城市环境研究所,中国科学院城市污染物转化重点实验室,福建厦门361021；2.中国科学院大学,北京100049)摘要：研究以好氧颗粒污泥为生物载体、小球藻与栅藻为接种微藻,开展了菌藻耦合颗粒化系统构建与解析工作,并考察了选择压关键因子—沉降时间的作用影响.研究结果指出好氧污泥与微藻可形成稳定的耦合颗粒体,沉降时间会影响耦合进度,但其并非耦合实现的决定性因素.在稳态颗粒性质方面,沉降时间差异设定会显著影响耦合颗粒的沉降性能、氮素去除能力、粒径大小及生物柴油产量(P0.05),但耦合颗粒的微生物表面电荷、关键脂肪酸甲酯组分及磷素去除能力对其作用响应并不显著(P0.05).蓝藻和真核藻类在颗粒中所占比例约为5%和95%,接种微藻在真核藻类群落中可保持主导地位(相对丰度98%),但不同沉降时间处置下小球藻和栅藻在颗粒体中相对优势性具有明显区别.关键词：废水处理；生物质能源；菌藻共生；颗粒污泥；沉降时间中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)07-2536-06Researchonthedevelopmentandpropertiesofaerobicsludge-microalgaegranularsystem.LIULin1,2*,YEJia-qi1,LIUYu-hong1,2,HUANGXu1,LIUChao-xiang1*(1.KeyLaboratoryofUrbanPollutantConversion,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(7)：2536~2541Abstract：Theeffectofsettlingtimeonthedevelopmentandpropertiesofalgae-bacteriagranularconsortia,whichwerecultivatedwithaerobicgranulesasbiologicalcarrier,andChlorellaandScenedesmusasseedmicroalgae,wereinvestigatedinthisresearch.Theresultsindicatedthatthealgae-bacteriagranularconsortiacouldbesuccessfullydevelopedbasedontheaerobicgranulesandtargetedmicroalgae.Althoughsettlingtimecouldaffectthestart-updurationofgranularsystem,itwasnotthecrucialfactorforthecultureofgranularconsortia.Intermsofpropertiesofthematuregranularconsortia,thesettlingtimecouldsignificantlyaffectthesettleability,nitrogenremovalability,granularsizeandbiodieselyieldoftheconsortiagranules(P0.05),whiletheobviousresponseofzetapotential,phosphateremovalrateandthedominatecompositionsoffattyacidmethylestersinthebiodieseltothesettlingtimewasnotobservedinthisexperiment(P0.05).Therelativeabundanceofcyanobacteriaandeukaryoticalgaeinallgranuleswereabout5%and95%,respectively.Thetargetedmicroalgaemaintaineddominanceintheeukaryoticalgalcommunity(relativeabundance98%),andthecomparativeadvantageofbiomassbetweenChlorellaandScenedesmusinthegranuleswasshowedunderthedifferentconditionofsettlingtimeinsystems.Keywords：wastewatertreatment；biomassenergy；algal-bacterialconsortia；granularsludge；settlingtime细菌与藻类对维持水环境中的物质循环与生态平衡具有重要作用,同时也被认为是替代石化能源的重要生物质原料[1-2].近年来,好氧颗粒污泥技术成为活性污泥工艺领域的研究热点与发展方向,以沉降时间为代表的选择压被认为在其启动过程中发挥着主导作用[3],而文献报道指出颗粒化结构中不单包括细菌和真菌等微生物,还可在有光条件下为藻类提供共生环境[4-5].因此,上述发现表明好氧颗粒污泥与功能性微藻具有耦合共生的可能性,在有效处理废水的同时,有望提高剩余污泥资源化价值与微藻回收效率.但是,目前针对该耦合颗粒体的培养过程调控及性收稿日期：2016-12-06基金项目：国家自然科学基金资助项目(51308523);厦门市科技计划项目(3502Z20162001);厦门理工学院创新项目(201611062288)*责任作者,助理研究员,[e-mail];研究员,[e-mail]7期刘琳等：好氧污泥-微藻耦合颗粒的培养及特性研究2537质认定等还有待研究.基于此现状,本研究开展了此新型菌藻共生系统构建与解析工作,并考察了该系统对沉降时间的作用响应情况,以期为微生物颗粒技术体系进一步完善提供理论参考.1材料与方法1.1接种微藻与颗粒污泥实验微藻为小球藻(FACHB-31)和栅藻(FACHB-416),两者均采购于中国科学院水生生物研究所,微藻接种前采用BG11培养基进行扩大培养,反应器中微藻的接种量约为107cell/L.实验接种好氧颗粒污泥的悬浮浓度约为2g/L,颗粒平均粒径为(0.63±0.04)mm.1.2运行条件设置实验采用运行装置为3组玻璃制成的序批式光照反应器,反应器有效体积为2L,体积交换率设定为75%.反应器设置在光照培养箱中进行操作,光照设置模拟日光条件(即12h光周期),光照强度设定为(6000±200)lux,温度为(26±1)℃,富氧采用底端曝气方式,气量通过流量计控制在2L/min,pH值水平保持在7.2~7.7之间.废水处理运行设定在有光周期内进行,每日运行2周期,每周期6h,其中进水时间1min,排水时间2min,沉降时间分别为2min(R1)、5min(R2)和10min(R3),剩余周期内时间为曝气阶段.实验废水为自来水配制而成的模拟城市污水,水质主要成分及其平均含量为:生化需氧量(200mg/L)、氨氮(35mg/L)、磷酸盐(10mg/L)和碳酸氢钠(400mg/L).1.3分析项目和方法实验中氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、总氮、磷酸盐及污泥体积指数等按照国家相关标准方法进行分析测定[6].耦合颗粒中藻类的富集程度通过叶绿素含量进行表征,颗粒测定前首先利用超纯水轻微清洗3次,以降低悬浮吸附态藻类对分析的干扰,之后通过乙醇法提取叶绿素,叶绿素含量测定按照Ritchie[7]所述方法进行操作,并以生物干重计量.颗粒经分散处理后,稳态耦合颗粒所含蓝藻比例与细胞表面电荷水平,分别通过PHYTO-PAM浮游植物荧光仪(HeinzWalz,Effeltrich)和Zeta电位分析仪(MALVERN,ZEN3600)进行测定.稳态菌藻耦合颗粒的平均粒径大小通过激光粒度仪(MalvernMastersizer2000)分析测定.实验采用SPSS软件进行菌藻耦合颗粒性质差异显著性的统计分析(P0.05).成熟耦合颗粒经冷冻干燥后用于后续资源化研究,生物质脂肪酸甲酯(FAMEs)制备采用原位酯交换反应方法[8],通过气相色谱-质谱联用仪(Agilent7890A-5975C)进行FAMEs组分分析,FAMEs标准样品为52种C4~C24混合标样(GLC-674,NuChekPrep.Inc).色谱柱为安捷伦HP-5MS毛细管柱(30m×250µm×0.25µm),色谱升温程序设定为:50℃恒温2min;之后以10℃/min升温速率提高到250℃,并保持20min.载气为高纯氮气,分流比为20:1,离子源温度保持200℃,扫描质量数范围为50~500amu.在耦合颗粒化系统稳定阶段(第40d),实验对其结构中真核藻类群落进行分析,DNA和PCR产物用琼脂糖凝胶电泳进行质量检测,引物对应区域为18sV4区(528F-706R),使用TruSeq®DNAPCR-FreeSamplePreparationKit建库试剂盒进行文库构建,构建文库经Qubit和QPCR定量后,使用Illumina®HiSeq2500平台进行高通量测序,之后测序数据经过拆分、拼接及过滤后,利用Uparse软件对有效Tags进行聚类(默认值为97%),采用RDPClassifier方法与Silva数据库进行物种注释分析.2结果与讨论2.1菌藻耦合颗粒化的培养进程藻类处理废水的研究过程中,叶绿素含量被普遍用于衡量其在系统中的生物量水平[9],因此,本研究以此指标对菌藻耦合进度与效果进行评估.实验结果指出在短暂耦合运行后,叶绿素在颗粒体中即可被显著检出[约为(0.1±0.03)mg/gSS],而在运行后期,不同耦合颗粒中叶绿素含量均显示出相对稳定的趋势[约为(5.27±0.17)mg/gSS].此结果表明藻类与好氧颗粒污泥可实现良好的耦合共生效果,但藻类在颗粒体结构中存在富集的平衡点,进而我们认为此平衡状态可作为确定该系统启动是否达到稳定阶段的假设依据.如图2538中国环境科学37卷1所示,R1系统中颗粒所含叶绿素水平在第30d达到稳态,而R2和R3系统则发生在第25d,根据上述假设,此变化趋势指出沉降时间不是菌藻耦合颗粒形成的决定性因素,但较长的沉降时间有利于加快耦合颗粒培养进程.该规律与沉降时间对好氧污泥颗粒化过程的影响效果相反[3],归结原因是由于藻类的沉降速率较慢及成熟颗粒污泥的应用,较短沉降时间设定条件会降低接种微藻与好氧颗粒污泥耦合共生的生物量,从而延迟了耦合颗粒化系统的启动时长.0123456161117202528303440叶绿素含量(mg/gSS)R1R2R301234161117202528303440叶绿素a与叶绿素b的比例时间(d)R1R2R35(b)(a)图1耦合颗粒中叶绿素含量及组分比例的变化情况Fig.1Changeinconcentrationsandcompositionsofchlorophyllinalgae-bacteriagranularconsortia叶绿素a和叶绿素b为本实验所接种微藻的主要叶绿素构成组分[7],实验结果表明随着颗粒化进程,两者的含量比例也会发生显著上升.在初期阶段颗粒体中叶绿素a与叶绿素b的比例约为(0.65±0.01),而在稳态阶段R1~R3中平均比例分别为(3.38±0.06)、(3.25±0.09)和(3.22±0.07).关于叶绿素循环的综述文献报道指出植物从光照条件