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成都生物所在生活污水藻菌共生净污固碳处理技术研究中获得进展
发表日期: 2024-06-06 作者: 李欣 文章来源:
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在当前碳中和背景下,以能源消耗和污染物转移为代价的传统污水处理工艺不能满足“减污降碳”战略要求。目前国内污水处理厂每年用电量占全国总量0.3%,释放约1.14亿吨二氧化碳当量(CO2e)。微藻作为水体中常见单细胞生物,因其快速同化污水中氮磷污染物、高效固碳、低能耗和资源化利用优势(如微藻肥料、饲料添加剂和生物能源等)而得到广泛研究。污水微藻处理技术有效推动污水处理从“高碳排放处理工艺”转型为“低碳绿色生产工艺”。

然而,微藻处理过程中仍面临处理效率低,生物量积累慢,并且适配光生物反应器缺乏等问题,导致目前相关研究多局限在实验室水平,缺乏实际应用研究。为此,欧洲杯竞猜谭周亮研究员课题组利用国家大科学装置-兰州重离子研究装置(HIRFL),选育优良突变藻株Chlorella sp.(HM-3#),并与海天水务集团股份公司合作,在西南某市政污水处理厂分别建立微藻处理小试和中试开展研究,并取得如下进展。


1.生活污水藻菌处理过程中MGPM研究

围绕实际污水处理过程中单一微藻体系不稳定难题,研究发现添加活性污泥(Activated sludge,AS)可明显提高微藻促生菌(Microalgal growth-promoting microorganisms,MGPM)比例,并通过共演化过程形成稳定藻菌体系(Microalgae consortium,MC),进而提升藻体生物量。R2实验组(AS 20%)藻菌生物量和总光合色素分别比单藻组(R1)高出57.41%和22.90%,R3实验组(AS 50%)则分别高出68.59%和28.17%。当HRT为24 h时,R2和R3实验组出水水质均达到《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002) I级A类。进一步探索启动阶段MC共生模式、菌群动态、潜在MGPM和微生物代谢功能。由于HM-3#快速同化污染物并积累藻体,MC中微生物丰富度和多样性显著降低,并且微生物种群生态位的变化,导致系统中其他微生物重新暴露,竞争并取代原有代谢功能;同时细菌和真菌之间相互作用分别呈现出抑制-重建和重建-抑制的相反趋势,且细菌相互作用的减弱也对应出水水质的失稳阶段。此外,通过LEfSe分析和线性判别分析(LDA)表征潜在MGPM,对比11个细菌和6个真菌生物标志物基础上,细菌Ahniella、FukuN57Fimbriimonadaceae更适合作为MGPM在生活污水处理中促进微藻生长。同时微生物代谢功能预测结果表明,细菌通过互补代谢过程与藻体形成密切的互利共生关系。虽然真菌代谢水平低于细菌,其通过分泌细胞外酶分解有机物,可有效利用微藻碳源补充碳源消耗。

1 生活污水藻菌处理小试研究与藻菌体系微生物种群共现网络分析


2.管道式光生物反应器(TPBR)低温启动研究

在相同污水处理厂构建TPBR藻菌处理体系,进行低温MC启动研究。面向实际动态水质,在环境温度5.7℃~13.1 ℃条件下,TPBR中藻菌启动阶段为4~8 d,突变藻株HM-3#在其中可有效同化污染物积累生物量,光合色素最大值可以达到22.85 mg·L-1。在低温环境下,HRT为24 h时TPBR单藻启动处理出水也可达标排放(GB 18918-2002 I级A类),且MC对氨氮和TN去除率分别达到86.84%和79.95%,TP和COD去除率分别达到79.95%和69.78%,延长HRT可明显提高处理系统稳定性。微生物群落分析表明,虽然低温下接种AS仍能促进细菌种间相互作用,但受TPBR均相循环抑制微生物多样性影响,除固氮作用(K02588)、亚硝化作用(K10944、K10945和K10946)、同化性硝酸盐还原作用(K00366)和氨化作用(K01915和K05601)以外,低温下MC中微生物氮循环功能均低于曝气反应器体系。此外,还发现处理过程中耐低温MGPM主要为Delftia、Romboutsia、RhizobialesBacillus等,而冷胁迫相关基因则主要有防御信号分子(K03671和K00384)、冷休克蛋白基因(K03704)和细胞保护基因(K01784)等。

图2 管道式光生物反应器运行及藻体积累与环境因子相关性分析


3.连续流藻菌膜光生物反应器(MPBR)处理技术

针对农村生活污水水量水质不稳定,低C/N水质小微处理站点电耗药耗高、操作难、资源化利用低等问题,集成污泥强化处理和膜反应器处理优势,研制新型连续流藻菌MPBR处理技术,并探索低功耗运行模式(静置模式和内循环模式)处理效果。与序批式处理模式不同,低C/N生活污水连续流入MPBR,静置处理模式在低流速(375 mL/h)下能有效去除污染物,而内循环模式在750 mL/h流速下去污效果则优于静置模式。结果表明,藻菌相主要发挥氮磷去除功能,出水中COD和氨氮在低流速下可达到排放标准(GB 18918-2002) I级A类要求,TP浓度甚至达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002) III类标准。低DO污泥相可富集异养细菌(如Bacteroidetes vadinHA17,Spirochaeta and Ahniella)和氮循环微生物(如Mycobacterium,BacillusEllin6067),并有效提升连续出水中COD和NO3--N去除效果。同时分析藻菌相和污泥相共现网络,发现HM-3#与异养菌协同去除有机物。此外,功能基因预测结果说明内循环模式明显增强MPBR中微生物氮代谢功能,在处理过程中藻菌相的硝化作用和反硝化作用相关基因丰度较高,而污泥相的硝化、异化硝酸盐还原和反硝化作用基因丰度较高。

图3 连续流处理过程中MPBR体系中微生物种群组成

上述研究成果分别发表于期刊Bioresource Technology (原文链接),Chemosphere (原文链接)和Journal of Environmental Chemical Engineering (原文链接)。李欣副研究员、硕士研究生田健松和李盼,以及李俊杰博士分别为第一作者,谭周亮研究员和陈杨武博士分别为通讯作者。该研究得到四川省科技厅重点研发项目(2022YFS0452)、四川省“天府峨眉计划”青年人才项目、欧洲杯竞猜战略生物资源服务网络计划生物资源衍生库(KFJ-BRP-009-004)、欧洲杯竞猜“西部之光”人才培养计划项目(2021XBZG-XBQNXZ-A-004)和中国博士后科学基金(2022M710143)的联合资助。



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