張晗，公維佳，白朗明，曾瑋琛，陳睿，李圭白，梁恒

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150038)

利用菌藻共生系統(tǒng)處理污水已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[1-2]。在這個(gè)共生系統(tǒng)內(nèi)，藻類在有光源的條件下進(jìn)行光合作用，利用二氧化碳或無機(jī)碳維持自身生長并產(chǎn)生氧氣。與此同時(shí)，好氧菌利用產(chǎn)生的氧氣降解有機(jī)物，其完全降解產(chǎn)物又是藻類生長所必需的無機(jī)碳。在藻類細(xì)菌相互作用下，污水中的有機(jī)物及營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)吸附同化降解[3-4]。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，菌藻共生體系存在水力停留時(shí)間長、藻類所產(chǎn)氧氣不足以供給細(xì)菌生長以及系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。比如，Xie等[5]利用光生物反應(yīng)器處理污水時(shí)，設(shè)置的水力停留時(shí)間為14 d。雖然處理效果顯著，但如此長的水力停留時(shí)間將限制菌藻共生系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，如果為菌藻共生系統(tǒng)提供額外的氧氣，不但可以解決系統(tǒng)本身產(chǎn)氧量不足的問題，還可以大大縮短水力停留時(shí)間[6]。Tang等[7]就此進(jìn)行了不同曝氣強(qiáng)度對(duì)污染物去除效能及系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)在24 h的水力停留時(shí)間下，隨著曝氣強(qiáng)度的增加，藻類的生長會(huì)逐步受到限制，甚至在高強(qiáng)度的曝氣量下，系統(tǒng)接近崩潰。其原因歸結(jié)于兩方面，一是高曝氣強(qiáng)度導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)溶解氧的濃度增高，高濃度的溶解氧會(huì)抑制藻類的光合作用[8]。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，曝氣會(huì)導(dǎo)致二氧化碳吹脫[9]，無機(jī)碳大量損失，藻類得不到生長所需的無機(jī)碳而生長受限。

膜曝氣是一種新興的曝氣方式[10]。其利用膜的微孔結(jié)構(gòu)為污水提供肉眼不可見的氧氣，規(guī)避了普通曝氣所產(chǎn)生的吹脫效應(yīng)。沒有了吹脫，供給的氣體可以近乎100%地被微生物利用，避免一些有利于微生物生長的物質(zhì)的損失[11]。過去大多數(shù)關(guān)于膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)的研究都是著眼于以污泥為基礎(chǔ)的生物膜，因其具有較強(qiáng)的有機(jī)物碳化能力，一直被應(yīng)用于難降解有機(jī)物的去除。Mei等[12-13]采用膜曝氣生物膜反應(yīng)器處理乙腈和甲醛廢水，利用膜曝氣本身無吹脫和較強(qiáng)的氧化能力，完成了二者的去除。其中，乙腈和甲醛的去除率分別為93.00%和99.90%。Gong等[14]利用膜曝氣生物膜反應(yīng)器處理牛糞厭氧發(fā)酵液，其中COD的去除效率最高也可以達(dá)到90.00%以上。除了曝氣，膜曝氣生物膜反應(yīng)器中的膜也能作為生物生長的載體，靠近膜表面的生物接觸的氧氣濃度最高，為好氧區(qū)域。氧氣在生物膜中傳遞的過程中逐漸被消耗，到達(dá)生物膜外層，即污水區(qū)域時(shí)，氧氣基本耗盡，為厭氧區(qū)域[15]。而在光生物反應(yīng)器中，生物膜外層是藻類聚集區(qū)域，以此來接觸陽光進(jìn)行光合作用。這樣，在膜曝氣系統(tǒng)內(nèi)，藻類可以避免溶解氧過高導(dǎo)致的生長受限的問題。

膜曝氣的這些優(yōu)勢可以在很大程度上解決菌藻共生系統(tǒng)當(dāng)前存在的缺陷。筆者建立兩類反應(yīng)器：膜曝氣菌藻生物膜光反應(yīng)器(MABAR)和曝氣頭曝氣生物膜光反應(yīng)器(HABAR)。通過污染物去除效率、菌群演變以及生物積累幾個(gè)方面研究兩種反應(yīng)器在不同水力條件下的污染物去除能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，為菌藻共生系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行提供了新的方式。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，對(duì)于MABAR來說，整個(gè)體系包括5個(gè)系統(tǒng)(供氣系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和生化系統(tǒng))。其中，供氣系統(tǒng)用于向生物反應(yīng)器供應(yīng)純氧氣。氧氣轉(zhuǎn)移測試在2 L反應(yīng)器中進(jìn)行。通過純氮?dú)獯祾叱兯?PW)，使其溶解氧至0 mg/L。將膜組件浸入后開始曝氣，在5 kPa壓力下顯示，低于5 mg/L的溶解氧(DO)濃度與壓力之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，這代表曝氣量高于5 mg/L時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡。在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)的斜率來計(jì)算PTFE膜的O2傳輸速率。測得MABR在5 kPa壓力下的供氧速率為453.2 mg/h。4個(gè)獨(dú)立的LED燈代替日光(光源系統(tǒng))。利用磁力攪拌裝置使整個(gè)反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài)(混合系統(tǒng))。生化系統(tǒng)是整個(gè)MABAR的核心，既充當(dāng)膜曝氣生物膜反應(yīng)器又充當(dāng)光生物反應(yīng)器。生化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：2.0 L的矩形有機(jī)玻璃容器，0.2 L的膜組件浸沒在反應(yīng)器內(nèi)，膜組件填充率為10%，因此，總工作容積為1.8 L?？梢源蜷_該反應(yīng)器的蓋子來監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)溶解氧(DO)和pH值。膜組件參數(shù)示于表1。

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The configuration of the

表1 膜組件參數(shù)Table 1 Membrane module parameters

而對(duì)于HABAR來說，供氣系統(tǒng)將不再由膜組件擔(dān)當(dāng)，而是外加曝氣頭曝氣(曝氣頭為直徑2 cm、高度3 cm的圓柱體)，其曝氣氣體為純氧氣。氣體流量同為5 mL/min。另外，膜組件只充當(dāng)生物生長的載體。

1.2 菌藻共生污泥的培養(yǎng)

菌藻共生系統(tǒng)包括活性污泥和藻類?；钚晕勰嗳∽怨枮I太平污水廠的二次沉淀池。藻類是從淘寶購買的斜生柵藻，并在BG11培養(yǎng)液中增殖10 d，至濃度為1 500 mg/L(MLSS)后作為藻類接種物。將活性污泥與藻類稀釋至相同的濃度后，在人工廢水中混合，此階段的人工合成廢水污染物濃度與實(shí)際運(yùn)行第一階段(S1)一致，運(yùn)行時(shí)間為15 d。將培養(yǎng)好的菌藻共生污泥接種到兩類反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行掛膜，接種混合懸浮液(MLSS)的濃度為1 500 mg/L。生物膜掛膜15 d后，反應(yīng)器中所有懸浮的固體均被排出，開始試驗(yàn)階段。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 進(jìn)水水質(zhì)Table 2 The influent quality

1.4 分析方法

使用丙酮溶液萃取法[18]測量生物膜上葉綠素a(Chl-a)含量，評(píng)估藻類生長水平。與此同時(shí)，還考察了反應(yīng)器內(nèi)的生物量，利用葉綠素濃度與生物量的比值Chl-a/Biomass來考察葉綠素的相對(duì)含量。其中，Biomass代表生物膜干重，而Chl-a代表藻類的積累量，并不是藻類的干重。利用高通量測序分析每個(gè)反應(yīng)階段的生物組成[19-20]。從5個(gè)階段生物反應(yīng)器中共收集10個(gè)樣品(0.5 g生物膜)，在5 000 r/min(4 ℃)離心10 min。使用PowerSoil DNA分離試劑盒(Mo Bio Laboratories，Inc.，Carlsbad，CA)，根據(jù)制造商的說明提取總DNA。然后，將上述提取的DNA用于PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增引物為338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R：(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)。使用Miseq對(duì)獲得的PCR產(chǎn)物進(jìn)行測序，使用Uparse軟件(版本7.0.1001)確定操作分類單位(OTU)，分析的相似度為97%。此外，采用t檢驗(yàn)來評(píng)估各組之間污染物去除效能與統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異(r<0.05)之間的可能聯(lián)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)碳的去除和無機(jī)碳的保留

通過分析系統(tǒng)內(nèi)DO以及有機(jī)碳的去除和無機(jī)碳的保留度來考察兩種曝氣方式在5個(gè)階段對(duì)碳元素去除效能及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。其中的結(jié)果見圖2和表3。

圖2 兩種曝氣方式下不同階段內(nèi)的COD剩余量和無機(jī)碳剩余量Fig.2 Effluent concentration of COD and IC with two aeration modes in different

表3 兩反應(yīng)器中5個(gè)階段的DO和pH值Table 3 The DO and pH in five stages of two system

S1屬于低有機(jī)碳階段，兩類反應(yīng)器中的COD出水濃度相似，都低于30 mg/L，這會(huì)導(dǎo)致兩系統(tǒng)所供給的溶解氧遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微生物碳化有機(jī)碳所需要的溶解氧。因此，在這一階段里，兩種曝氣模式下反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的含量都大于2 mg/L，在HABAR中甚至達(dá)到8.23 mg/L。但在這個(gè)階段內(nèi)，出水無機(jī)碳的濃度卻相差甚遠(yuǎn)。第1階段結(jié)束時(shí)，HABAR和MABAR中無機(jī)碳含量分別為8.4、56.2 mg/L。這是因?yàn)槟て貧庀到y(tǒng)具有的無吹脫特點(diǎn)避免了運(yùn)行過程中無機(jī)碳以二氧化碳的形式被不斷吹脫。相關(guān)報(bào)道認(rèn)為，污水中無機(jī)碳濃度低于50 mg/L時(shí)，藻類的生長會(huì)受到限制[21]。因此，HABAR中所剩余的無機(jī)碳不能支持藻類的大量積累。

進(jìn)入S2后，有機(jī)碳濃度上升至250 mg/L，由于變化并不大，兩反應(yīng)器并未受到明顯的沖擊，出水COD濃度分別為13.6 mg/L(MABAR)、42.7 mg/L(HABAR)。有機(jī)碳的增加，也為無機(jī)碳的產(chǎn)生提供了原始物質(zhì)。因此，在S2中，HABAR中所剩余的無機(jī)碳濃度雖然仍沒有MABAR中多，但已經(jīng)可以滿足藻類的生長需求(81.2 mg/L)。與此同時(shí)，由于有機(jī)碳的增加，所消耗的溶解氧也在增加，在此階段，兩反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的濃度開始下降，分別為1.13 mg/L(MABAR)、5.34 mg/L(HABAR)。

S3進(jìn)一步增加COD至約400 mg/L。HABAR在本階段后期出現(xiàn)了有機(jī)碳氧化不足的現(xiàn)象，出水濃度開始大幅度提高。而MABAR中卻規(guī)避了這個(gè)現(xiàn)象。這是膜曝氣有能力碳化高濃度有機(jī)物的證據(jù)。在這個(gè)階段，有機(jī)碳的再次上升，加速了溶解氧的消耗，兩反應(yīng)器中的溶解氧分別下降至0.42 mg/L(MABAR)和1.41 mg/L(HABAR)。

S4階段降低了進(jìn)水COD的濃度。有機(jī)碳的降低促使溶解氧濃度的上升。兩類反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度分別保持在0.88 mg/L(MABAR)和2.34 mg/L(HABAR)。在低有機(jī)碳的條件下出水，兩反應(yīng)器的出水COD濃度明顯降低，分別為21.83 mg/L(MABAR)和48.88 mg/L(HABAR)。無機(jī)碳方面，HABAR的吹脫效應(yīng)仍然存在，出水無機(jī)碳濃度為58.67 mg/L，比MABAR少19.59 mg/L。

進(jìn)入S5后，進(jìn)水COD濃度達(dá)到約800 mg/L，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)都產(chǎn)生沖擊。兩反應(yīng)器中溶解氧都下降至0.3 mg/L以下。盡管溶解氧如此低，但膜曝氣條件下COD的去除并未受到明顯影響，并且出水濃度很快達(dá)到較低水平，本階段結(jié)束時(shí)維持在37.3 mg/L。但HABAR中已經(jīng)呈現(xiàn)COD出水超標(biāo)的現(xiàn)象，出水COD最高可以到達(dá)160 mg/L左右。由于充足的進(jìn)水有機(jī)碳，反應(yīng)器的pH值出現(xiàn)大幅上升，甚至超過8.0的現(xiàn)象。就本節(jié)來看，除了HABAR在S1中無法為藻類提供足夠的無機(jī)碳，其余的運(yùn)行條件都能滿足藻類生長的基本條件。另外，MABAR系統(tǒng)在有機(jī)碳脫除方面有著極大的優(yōu)勢，并有足夠的能力抵抗外來沖擊。

2.2 營養(yǎng)元素的去除效能

營養(yǎng)元素，包括氨氮，總氮和磷酸鹽，是評(píng)價(jià)出水水質(zhì)的重要指標(biāo)。結(jié)合有機(jī)碳去除和無機(jī)碳保留來討論兩類反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)元素的去除效能和機(jī)理。其結(jié)果展示在圖3中。

第1階段內(nèi)，兩類反應(yīng)器中的氨氮都得到了較好的去除，出水含量皆低于0.50 mg/L。其去除機(jī)理如下：因?yàn)檫M(jìn)水有機(jī)碳濃度未干擾到體系內(nèi)硝化環(huán)境，溶解氧充足(表3)，所以，在此階段內(nèi)，硝化過程成為HABAR反應(yīng)器中氨氮去除的主要方式。對(duì)于藻類同化而言，此階段HABAR反應(yīng)器中藻類積累量過于低(圖4)，所以相對(duì)于硝化過程，藻類對(duì)氨氮的攝取貢獻(xiàn)不大。相對(duì)于HABAR，MABAR在S1中對(duì)氨氮的去除方式不僅有硝化，還有藻類同化。這一點(diǎn)不但可以從藻類積累量看出，也可以從總氮和磷酸鹽去除中看出(圖3(b)、(c))。在有機(jī)碳相同的條件下，兩反應(yīng)器中硝化反硝化的效能相似，但兩反應(yīng)器的總氮去除相差較大，MABAR的出水總氮比HABAR低21.22 mg/L。該結(jié)果表明，在較低有機(jī)碳、反硝化過程受限的條件下，膜曝氣支持

圖3 兩種曝氣方式下不同階段內(nèi)氨氮剩余濃度、總氮剩余濃度和磷酸鹽剩余濃度Fig.3 Effluent concentration of with two aeration modes in different

圖4 不同階段兩種反應(yīng)器中藻類相對(duì)生物量積累量Fig.4 Algae accumulation concentration related to biomass in two reactors at different

的菌藻生物膜反應(yīng)器相對(duì)于普通曝氣方式具有更好的總氮去除效能，而這個(gè)過程更多地依賴于藻類的同化。另外，在膜曝氣系統(tǒng)內(nèi)，沒有排泥過程，導(dǎo)致磷的去除只能依靠藻類的同化作用，因此可以認(rèn)為磷酸鹽的去除與藻類生長呈正相關(guān)。本階段，磷酸鹽的去除在兩類反應(yīng)器中有明顯差距，最高相差1.62 mg/L，從側(cè)面證明MABAR中積累了更多的藻同化磷酸鹽。

進(jìn)入S2后，盡管進(jìn)水有機(jī)碳有所增加，但未對(duì)氨氮去除產(chǎn)生明顯干擾，在90 d的運(yùn)行過程中，HABAR中氨氮的出水濃度一直保持在1.00 mg/L以下。但隨著有機(jī)碳的增加，總氮去除受到顯著影響，HABAR中出水總氮迅速下降，并在本階段結(jié)束時(shí)達(dá)到總氮的去除效果與MABAR持平，兩反應(yīng)器出水總氮分別保持在13.00、14.57 mg/L。同時(shí)，由于反硝化明顯，產(chǎn)堿量上升，pH值開始增高，分別為7.83(MABAR)和7.32(HABAR)。這說明C/N為5的條件下，普通曝氣支持的菌藻共生系統(tǒng)可以將出水總氮保持在15 mg/L以下，進(jìn)入最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。另外，對(duì)于磷酸鹽來說，更多的有機(jī)碳為PHB的合成提供了基礎(chǔ)底物。因此，S2階段的磷酸鹽去除較S1階段有明顯上升。另外，隨著有機(jī)碳的增加，藻類積累量也在增加(圖4)，加速了磷酸鹽的同化過程。本階段結(jié)束時(shí)，HABAR和MABAR出水磷酸鹽濃度分別為1.98、4.35 mg/L。

進(jìn)入S3后，有機(jī)碳大幅度上升，有機(jī)物對(duì)硝化細(xì)菌的影響開始加劇，隨著溶解氧的降低，氨氮通過硝化過程的去除效能也隨之降低。因此，在此階段內(nèi)，藻類的同化作用在氮元素去除方面起主要作用。本階段內(nèi)，MABAR出水總氮濃度達(dá)到本實(shí)驗(yàn)中最低，為6.56 mg/L。這是由于硝化反硝化與藻類同化共同作用的結(jié)果。從前3個(gè)階段來看，MABAR出水總氮總是保持在較低的水平，相對(duì)于HABAR來說，受到有機(jī)碳的影響較低，尤其是在有機(jī)物不足的情況下。這3個(gè)階段證明了膜曝氣系統(tǒng)有著較強(qiáng)的維持系統(tǒng)穩(wěn)定的功能，這一現(xiàn)象歸結(jié)于兩個(gè)方面：第一，膜曝氣本身具有的短程硝化優(yōu)勢，在低有機(jī)碳條件下依然可以維持較好的總氮去除；第二，膜曝氣為藻類的生長提供了穩(wěn)定的環(huán)境，藻類的大量積累可以同化更多的氨氮，而這個(gè)過程不受到有機(jī)物的限制[8]。

S4增加了進(jìn)水氨氮和總氮的濃度，并降低了進(jìn)水COD的濃度。這個(gè)過程是為了進(jìn)一步比較外來沖擊對(duì)兩種反應(yīng)器中氮元素去除的影響。顯然，在開始階段，兩種反應(yīng)器都受到了較明顯的沖擊，出水營養(yǎng)元素濃度驟升。但在一定時(shí)間后，MABAR中無論是氨氮還是總氮，都開始呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。而HABAR系統(tǒng)中的氨氮和總氮僅在本階段的后20 d里出水濃度有明顯的上升趨勢。這歸因于兩點(diǎn)：第一，在長期的曝氣過程中，二氧化碳的不斷吹脫，無機(jī)碳的不斷損失，系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)硝化菌生長受限的狀況，這一點(diǎn)從無機(jī)碳剩余量(43.22 mg/L)和硝化菌占比(1.08%)兩方面可以得到證明。與此同時(shí)，隨著無機(jī)碳的損失，藻類積累也呈現(xiàn)下降趨勢，同化過程也在一定程度上開始減弱；第二，較高濃度的氨氮進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，抑制了硝化過程，造成大量氨氮剩余。本階段中的有機(jī)碳量處于較低狀態(tài)，在普通曝氣條件下，很快被異養(yǎng)菌分解，導(dǎo)致反硝化過程的有機(jī)物缺失。而膜曝氣支撐的生物膜系統(tǒng)因?yàn)楫愊騻髻|(zhì)的存在，能夠避免在反應(yīng)一開始就大量消耗有機(jī)物，為反硝化保存碳源[22]。盡管如此，由于C/N只有2.5，反硝化依然受限，總氮的去除也未達(dá)到良好狀態(tài)，僅維持在50%左右。磷酸鹽方面，有機(jī)碳的不足導(dǎo)致PHB合成受限、藻類積累受限，兩系統(tǒng)對(duì)磷酸鹽的吸收受到嚴(yán)重抑制[23]。在本階段結(jié)束時(shí)，HABAR和MABAR出水磷酸鹽濃度分別為2.91、4.47 mg/L。

進(jìn)入沖擊階段(S5)后，無論是氮元素還是磷元素，都因受到?jīng)_擊而產(chǎn)生出水惡化現(xiàn)象。但MABAR所受沖擊要遠(yuǎn)小于HABAR，尤其是氨氮和總氮的去除。另外，MABAR恢復(fù)速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HABAR。與S4比，兩反應(yīng)器的氨氮去除效能都有所下降，這是因?yàn)橛袡C(jī)物的濃度大幅度提升已經(jīng)干擾到了正常硝化過程，出水氨氮濃度維持在48.13 mg/L。而對(duì)于MABAR來說，硝化作用仍然存在，但作用已經(jīng)很微弱，此階段內(nèi)的氨氮去除也主要依賴于藻類的同化，出水濃度維持在33.73 mg/L。這一點(diǎn)也可以從磷酸鹽方面看出，盡管進(jìn)水磷酸鹽濃度已經(jīng)達(dá)到10 mg/L左右，但MABAR中磷酸鹽的出水濃度與前一階段的出水濃度保持一致，這說明有機(jī)碳的增加十分有利于磷酸鹽的去除?？偟糠?，由于少量的硝化產(chǎn)物存留，HABAR和MABAR出水總氮濃度與氨氮濃度接近，分別為51.28、34.19 mg/L。在本階段，MABAR有著良好的抵抗沖擊能力，并且在受到?jīng)_擊后會(huì)迅速恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。這不僅僅是因?yàn)槟て貧獗旧頍o吹脫，也是因?yàn)樵孱惿L與氧擴(kuò)散的不同方向?yàn)樵孱愄峁┝肆己玫纳姝h(huán)境，進(jìn)一步完成系統(tǒng)內(nèi)的脫氮除磷。

2.3 藻類及生物量積累

觀察每個(gè)階段生物膜中藻類積累量是評(píng)估藻類生長的重要指標(biāo)。與此同時(shí)，我們還考察了相對(duì)于生物量來說的葉綠素積累量，用Chl-a/Biomass表示(圖4)。S1中，由于HABAR無法為藻類提供足夠的無機(jī)碳，藻類的積累量只有1.54 mg/cm2，為同時(shí)段MABAR的1/5。由于有機(jī)碳濃度較低，異養(yǎng)菌積累不明顯，Chl-a/Biomass的值在兩種反應(yīng)器內(nèi)也處于較低狀態(tài)，分別為0.77 (MABAR)和0.57 (HABAR)。進(jìn)入S2后，整個(gè)體系無機(jī)碳在增加，HABAR中的藻類開始大幅度積累至15.31 mg/cm2，與MABAR中藻類的積累水平(16.44 mg/cm2)相接近。由此可見，污染物去除方面，兩反應(yīng)器內(nèi)總氮去除水平相持平歸因于藻類的積累量相似。此時(shí)HABAR中的Chl-a/Biomass值也大幅上升，增至1.99。這說明此時(shí)的環(huán)境因素為HABAR中藻類生長提供了最佳生活環(huán)境。進(jìn)入S3后，MABAR中藻類的積累量依然保持上升，在本階段結(jié)束時(shí)，穩(wěn)定在20.95 mg/cm2。而HABAR生物膜中的藻類濃度開始下降。這可能是因?yàn)镠ABAR不能快速地碳化有機(jī)物，造成反應(yīng)器中濁度增加，減弱了光照強(qiáng)度。這也可以從Chl-a/Biomass中看出，此階段繼續(xù)增加的有機(jī)碳導(dǎo)致異養(yǎng)菌的快速繁殖，從而產(chǎn)生較高的生物量，導(dǎo)致Chl-a/Biomass迅速下降至0.79。當(dāng)S4中降低了有機(jī)物的濃度，增加了氨氮的進(jìn)水濃度時(shí)，在MABAR中，藻類的積累受到限制。原因通過比較S2和S4兩階段可以得出：這兩個(gè)階段的有機(jī)碳濃度一致，而S4中氨氮的濃度是S2的一倍。有報(bào)道稱高濃度的氨氮可以抑制藻類的增殖，導(dǎo)致了S2中藻類的積累量比S4多1.83 mg/cm2。而在此階段，MABAR中Chl-a/Biomass值仍處于上升階段。同樣，由于有機(jī)碳的下降，HABAR中Chl-a/Biomass也開始上升。綜合S2、S3和S4來看，HABAR中Chl-a/Biomass值受到進(jìn)水有機(jī)碳的影響十分顯著。有機(jī)物的增長為異養(yǎng)微生物提供了充足的底物，生物膜中生物量開始增大，需要消耗更多的氧氣。而MABAR卻一直保持平穩(wěn)狀態(tài)，更能適應(yīng)外界的沖擊。S5中碳氮磷的濃度都大幅上升，為藻類提供了充足的營養(yǎng)成分。MABAR中藻類的積累量也有顯著增加，達(dá)到29.46 mg/cm2，是HABAR中的兩倍。這表明當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)和無機(jī)碳不再成為藻類生長的限制時(shí)，MABAR可以為藻類的生長提供更加穩(wěn)定的場所。整體上看，MABAR中藻類的積累量隨著有機(jī)碳的增加而增加，這在以前的研究中得到過證明[24]：膜曝氣系統(tǒng)中有機(jī)碳可以促進(jìn)藻類的生長和積累。但HABAR中，藻類的生長與有機(jī)物的含量并未出現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系，并且相比于膜曝氣來說，普通曝氣模式不能為菌藻共生體系提供較為穩(wěn)定的環(huán)境來促使藻類積累。

2.4 生物群落分析

為了解兩反應(yīng)器中微生物群落的多樣性，深入分析污染物去除的微觀機(jī)理，檢測了門、綱和屬3個(gè)水平下的細(xì)菌分布并展示在圖5。在門水平下，MABAR生物膜上的主要功能細(xì)菌分別是變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)和放線菌門(Actinobacteria)。其中變形菌門和擬桿菌門在MABAR中呈現(xiàn)隨有機(jī)碳的增加豐度先增后降的趨勢，而綠彎菌門呈現(xiàn)先降后升的趨勢。據(jù)報(bào)道，擬桿菌門可以在藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)的裂解中起作用，并且藍(lán)細(xì)菌的生長可以被放線菌抑制[25]。而MABAR中兩大菌門，擬桿菌門和放線菌門的含量都較高，5個(gè)階段內(nèi)擬桿菌門的含量分別為22.17%、12.68%、5.13%、9.98%和18.37%，放線菌門的含量為12.51%、18.17%、33.49%、34.90%和20.46%。而HABAR中放線菌門相對(duì)于MABAR呈現(xiàn)較低的含量。與此同時(shí)，細(xì)胞破裂后產(chǎn)生毒性的藍(lán)藻菌門(Cyanobacteria)產(chǎn)生大程度積累。在前4個(gè)階段內(nèi)HABAR比MABAR在藍(lán)藻菌門豐度上多1.90%、29.70%、16.61%和14.58%。進(jìn)入第5階段后，由于HABAR中放線菌門的提升，藍(lán)藻門受到抑制，只有0.57%。這幾種菌門的含量說明MABAR可以抑制有毒的藍(lán)藻菌門的積累。其次，作為硝化過程的重要菌門Nitrospirae(硝化菌門)[26]在MABAR中總保持著較低的積累量，5個(gè)階段內(nèi)分別為1.07%、0.30%、0.15%、3.01%和0.56%。很明顯，隨著有機(jī)物的升高，硝化菌積累量開始下降。這是因?yàn)橛袡C(jī)碳的提升為異養(yǎng)菌提供了充足的底物，異養(yǎng)菌開始大量增殖。這也可以從生物量積累部分看出。異養(yǎng)生物量的增加，開始與硝化菌爭奪氧氣，硝化細(xì)菌積累量開始下降。與此同時(shí)，氨氮的提升也會(huì)刺激硝化菌門的不斷增加[27]，在第4階段，硝化細(xì)菌的增長量開始大幅上升，也是歸功于氨氮的增加和有機(jī)物的減少。相對(duì)于MABAR，HABAR中硝化菌門不但受到有機(jī)物的抑制，還受到不斷的曝氣吹脫造成的無機(jī)碳損失的影響。5個(gè)階段內(nèi)，HABAR中硝化菌門積累量分別為15.00%、1.06%、0.37%、1.08%和0.00%。相對(duì)于MABAR來說，除了第1階段有機(jī)碳含量低，其余階段硝化菌門的數(shù)量都有顯著降低。尤其是S4，氨氮的去除效果受到了硝化菌的限制，這是因?yàn)槟て貧庵邢趸T積累在生物膜內(nèi)部，藻類對(duì)其影響較低。而普通曝氣模式下，硝化菌門聚集在氧氣含量高的生物膜外表面，相較于膜曝氣來說，自養(yǎng)的微藻會(huì)與自養(yǎng)的硝化菌相互競爭生長物質(zhì)。從藻類積累量也可以看出，HABAR中的藻類積累量受到硝化菌限制，造成在各個(gè)階段都不如MABAR的現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)果也證明了膜曝氣有利于硝化菌門的穩(wěn)定生長。另外，從門水平上看，兩種不同的曝氣方式中，菌群的結(jié)構(gòu)有著顯著差異。

圖5 兩種曝氣方式下微生物在不同水平中的占比Fig.5 The proportion of microorganisms in different levels under two aeration

與此同時(shí)，調(diào)查了綱水平下的生物群落組成(圖5(b))。放線菌綱(Actinobacteria)、氧合菌綱(Oxyphotobacteria)和硝化菌綱(Nitrospirae)的趨勢與其所在的菌門一致。變形菌門下屬的菌綱中，γ-變形桿菌(Gammaproteobacteria)具有產(chǎn)生膠狀EPS和將細(xì)胞結(jié)合在一起的能力。此外，γ-變形桿菌也是重要的反硝化細(xì)菌[28]。因此，隨著有機(jī)碳的不斷增加，γ-變形桿菌的積累量也在增加，在S5中MABAR和HABAR分別達(dá)到了32.48%和52.44%。

為了進(jìn)一步了解菌群的分布情況，屬水平下的菌群分布如圖5(c)所示。屬水平下有幾種利于藻類生長的菌屬，分別是Acidovorax、Rhodobacter和Acinetobacter。據(jù)報(bào)道，Acidovora和Rhodobacter可以與微藻共存，且Acidovorax包含許多促進(jìn)藻類生長的菌種，可與微藻形成共生關(guān)系[29]。而不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)被證實(shí)是在某些藻類細(xì)菌培養(yǎng)物中促進(jìn)藻類生長的細(xì)菌，并且它們通過產(chǎn)生糖化酶來去除氮和水解碳水化合物[19,30]，加速有機(jī)碳的碳化過程。在前5個(gè)階段，相對(duì)于HABAR，Acidovorax提升量分別為0.30%、1.29%、2.89%、2.07%和0.03%。Acinetobacter上升量分別為4.30%、4.71%、4.43%、6.34%和-6.82%。Rhodobacter增加了0.23%、-1.74%、3.08%、0.67%和-7.08%。從數(shù)據(jù)上來看，相對(duì)于HABAR，這3種菌屬在MABAR中有著較為明顯的提升。但在S5時(shí)，HABAR開始反超MABAR。盡管如此，在藻類積累方面，HABAR積累量仍然不如MABAR。

3 結(jié)論

通過比較在不同進(jìn)水條件下，普通曝氣(HABAR)和膜曝氣(MABAR)支撐下的菌藻生物膜反應(yīng)器的處理效能和穩(wěn)定性，提出以膜曝氣為核心的菌藻生物膜反應(yīng)器。結(jié)果顯示，MABAR對(duì)氨氮、總氮、磷、COD的處理效能相對(duì)于HABAR有較明顯的提升，最高分別提升1.44、21.22、3.08、52.09 kg/m2/m3。而在外來沖擊下，MABAR可以更快地適應(yīng)沖擊，迅速恢復(fù)到較良好的出水水質(zhì)。藻類積累方面，MABAR的無吹脫和強(qiáng)大的有機(jī)碳碳化能力保留了更多的無機(jī)碳，為藻類的生長提供了充足的底物。一些有利于藻類生長的細(xì)菌，例如Acidovorax、Rhodobacter和Acinetobacter，也在MABAR中明顯積累，促使MABAR長期處于高去除效能和強(qiáng)穩(wěn)定性狀態(tài)。