电活性菌藻生物膜强化人工湿...处理水产养殖废水的小试研究_林梓杨.pdf

第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT电活性菌藻生物膜强化人工湿地处理电活性菌藻生物膜强化人工湿地处理水产养殖废水的小试研究水产养殖废水的小试研究林梓杨1，匡彬2，倪智力1，周丽琳1，汪涛1*（1.五邑大学生物科技与大健康学院；2.江门职业技术学院：广东 江门 529020）摘摘 要要:人工湿地（CW）处理鱼塘养殖废水存在处理效率低、稳定性差等问题。本研究采用电活性菌藻生物膜（BA）以微生物燃料电池（MFC）形式强化CW处理鱼塘养殖废水，即BA-MFC-CW。与CW组相比，BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮的去除率分别提高了26.69%、23.17%、16.67%。相比MFC-CW组，BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮去除率分别提高了0.95%、25.64%、6.48%。高通量测序表明，在电活性菌藻生物膜中，Acinetobacter、Cyanobium、Pseudomonas和Ottowia得到富集；在MFC阳极上，Geobacter、Aminicenantales和Clostridium生长状况良好。以上结果表明，电活性菌藻生物膜技术能够有效提高人工湿地处理水产养殖废水的效果。关键词关键词:电活性菌藻生物膜;人工湿地;微生物燃料电池;水产养殖废水;小试开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:TM911.4;X703.1 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0122-006人工湿地（CWs）具有运行成本低、维护简单等优点。但在处理鱼塘尾水过程的效率和稳定性还有待进一步提高。研究发现菌藻之间的协同代谢可以提高污染物的去除率和系统稳定性。POACH等人 1 利用菌藻强化人工湿地的脱氮除磷效率比对照组分别提高27.3%和57.4%。另一方面，一些研究通过耦合微生物燃料电池（MFC）来提高CW废水的处理效率 2。胞外呼吸细菌（ERB）在MFC降解污染物中起关键作用。ERB是具有种间直接电子转移能力的电活性微生物。直接电子转移可以通过导电菌丝和直接接触传递电子，这极大地提高了电子传递效率和代谢效率。事实上，已经证明ERB可以利用低浓度微污染水，并降解氮和磷化合物 3。PATEL等人 4 采用MFC与人工湿地相结合的方法富集电活性微生物处理养殖废水，COD处理效率达到74.11.75%。上述研究表明，通过耦合MFC构建菌藻类生物膜是强化CW的重要途径。然而，目前利用电活性菌藻生物膜技术强化人工湿地的效果研究还很少，其效能仍需进一步验证。微藻是具有高反硝化和除磷能力的光合生物。ERB在有机物降解过程中产生的二氧化碳可以作为微藻的碳源，而藻类产生的氧气可以通过ERB作为阴极电子受体。因此，ERB与微藻共培养理论上可以降解氮磷化合物，实现对有机碳的协同代谢，从而有效降解污染物并改善 CW 性能。本研究以MFC形式在阴极富集电活性菌藻生物膜以强化CW处理鱼塘养殖废水。通过数据监测和微生物群落分析，研究污染物的去除效率和微生物作用过程。1 材料与方法材料与方法1.1装置设计与构建装置设计与构建BA-MFC-CW组的结构如图1所示，BA-MFC-CW组由聚乙烯塑料桶（高300 mm，直径150 mm）组装而成，自上而下的填充物分别为：鹅卵石（填充高度60 mm）、活性炭（填充高度为180 mm，柱径6.0 mm），阳极和阴极均由圆形碳布（50 g/m2，厚度0.07 mm，直径150 mm）和0.2 L颗粒污泥（13.500.15 gVSS/L）组成。用直径为1 mm的铜丝和1 000 的电阻连接到阴阳极上构成MFC。阳极和阴极之间的距离约为120 mm，阳DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.024收稿日期：2022-01-25基金项目：广东省基础与应用基础研究基金青年项目（2020A1515110181）；广东省科技创新战略专项资金项目（pdjh2023b1037）；江门市基础与理论科学研究项目（江科 2021 87号；2022 110号）作者简介：林梓杨（1996），男，硕士研究生，研究方向为研究方向为厌氧消化、微生物水处理；电子邮件：通讯作者：汪涛，博士，讲师；电子邮件：极位于活性炭层中间，阴极位于活性炭层的顶部，接种混合微藻共培养菌藻生物膜。另外，实验长期在透明天花板下进行，并对CW组和MFC-CW组进行遮荫处理。1.2实验组及运行参数实验组及运行参数总共设计4个实验组：CW组、MFC-CW组、BA-CW组和BA-MFC-CW组。从广东省江门市天沙河中采集到混合微藻。在多个锥形烧瓶中富集，并放置在温度约为221 的照明培养箱中，光照强度为6 000 lx，光照周期为12 h黑暗和12 h光照。它们在TAP培养基中对数生长，然后用蒸馏水洗几次并以8 000 r/min的速度离心10 min后将混合微藻均匀加入到 BA-CW 组和 BA-MFC-CW 组的阴极表面，并在室温（2025）下用自然光和蒸馏水进行预培养。在菌藻生物膜自然生长一周后进行实验，4个实验组均在205 下运行，运行设计如表1所示。1.3取样和分析方法取样和分析方法出口水样先用0.45 m膜过滤，然后进行分析。用酸度计测定其pH值。分别用重铬酸钾法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法测定COD、TN和TP的浓度；分别采用纳氏试剂法光度法、N-（1-萘基）乙二胺分光光度法和紫外分光光度法测定NH4+-N、NO2-N和NO3-N的浓度。在实验结束后，分别在各反应器的阴阳极去除适量样品，冷冻保存送至上海美吉生物医药科技有限公司进行高通量测序，采用的引物序列为 515F（5-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3）和806RmodR（5-GGACTACNVGGTWTCTAAT-3）。2 结果与讨论结果与讨论经过长期连续运行，BA-MFC-CW组对污染物的降解效果最好。在阶段，BA-MFC-CW组对TP、COD、TN的去除率分别为94.46%0.56%、87.22%1.41%、85.35%0.97%。其出水水质 TP、COD、TN 分别为0.100.01 mg/L，7.320.77 mg/L，1.430.10 mg/L，达到淡水池塘养殖水排放标准。2.1磷去除磷去除在阶段、阶段和阶段（图2），BA-CW组和BA-MFC-CW组TP处理效率高于非藻类组（CW组和MFC-CW组）。在阶段，BA-CW组和BA-MFC-CW组的TP处理效率分别为87.87%1.02%和94.46%0.56%，而CW 组和 MFC-CW 组的 TP 处理效率仅为 70.89%0.93%和70.29%1.66%。在HRT缩短（阶段）的情况下，BA-CW组和BA-MFC-CW组的TP处理效率略有下降，而CW组和MFC-CW组受HRT缩短的影响较大，分别下降到60.44%0.56%和54.30%0.90%。除磷主要分为非生物除磷和生物除磷两部分。四个实验组的pH值长期在6.77.8之间。因此，非生物除磷可以忽略不计，因为正磷酸盐沉淀主要发生在pH为911之间。本实验中TP的去除主要是生物除磷，主要通过藻类和微生物的过量吸磷实现。WANG等人5分析了藻类的化学特征并证实了藻类吸收的磷远远超过细胞生长所需的磷。BA-CW组和BA-MFC-CW组（阶段）对TP的去除效率比CW组和 MFC-CW 组高 14.91%26.39%，这证明藻类的加入提高了系统的除磷效率。在缩短HRT（期）的情况下，BA-CW组和BA-MFC-CW组对TP的处理效果比较稳定，这可能是由于藻类的影响。胡等人6用小球藻处理10%的垃圾渗滤液，除磷效率达到86.0%，表明藻类的加入是提高除磷效果和稳定处理效果的主要原因。其中BA-MFC-CW组对TP的处理效果最好，这主要是由于MFC的引入促进了藻菌生物膜的协同代谢7。图2磷去除效能（C为浓度；R为去除率）Fig.2Phosphorus removal efficiency(C is the concentration,R is the removal efficiency)图1装置结构模型Fig.1Device structure model表1运行参数Tab.1Operation parameters122林梓杨等，电活性菌藻生物膜强化人工湿地处理水产养殖废水的小试研究极位于活性炭层中间，阴极位于活性炭层的顶部，接种混合微藻共培养菌藻生物膜。另外，实验长期在透明天花板下进行，并对CW组和MFC-CW组进行遮荫处理。1.2实验组及运行参数实验组及运行参数总共设计4个实验组：CW组、MFC-CW组、BA-CW组和BA-MFC-CW组。从广东省江门市天沙河中采集到混合微藻。在多个锥形烧瓶中富集，并放置在温度约为221 的照明培养箱中，光照强度为6 000 lx，光照周期为12 h黑暗和12 h光照。它们在TAP培养基中对数生长，然后用蒸馏水洗几次并以8 000 r/min的速度离心10 min后将混合微藻均匀加入到 BA-CW 组和 BA-MFC-CW 组的阴极表面，并在室温（2025）下用自然光和蒸馏水进行预培养。在菌藻生物膜自然生长一周后进行实验，4个实验组均在205 下运行，运行设计如表1所示。1.3取样和分析方法取样和分析方法出口水样先用0.45 m膜过滤，然后进行分析。用酸度计测定其pH值。分别用重铬酸钾法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法测定COD、TN和TP的浓度；分别采用纳氏试剂法光度法、N-（1-萘基）乙二胺分光光度法和紫外分光光度法测定NH4+-N、NO2-N和NO3-N的浓度。在实验结束后，分别在各反应器的阴阳极去除适量样品，冷冻保存送至上海美吉生物医药科技有限公司进行高通量测序，采用的引物序列为 515F（5-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3）和806RmodR（5-GGACTACNVGGTWTCTAAT-3）。2 结果与讨论结果与讨论经过长期连续运行，BA-MFC-CW组对污染物的降解效果最好。在阶段，BA-MFC-CW组对TP、COD、TN的去除率分别为94.46%0.56%、87.22%1.41%、85.35%0.97%。其出水水质 TP、COD、TN 分别为0.100.01 mg/L，7.320.77 mg/L，1.430.10 mg/L，达到淡水池塘养殖水排放标准。2.1磷去除磷去除在阶段、阶段和阶段（图2），BA-CW组和BA-MFC-CW组TP处理效率高于非藻类组（CW组和MFC-CW组）。在阶段，BA-CW组和BA-MFC-CW组的TP处理效率分别为87.87%1.02%和94.46%0.56%，而CW 组和 MFC-CW 组的 TP 处理效率仅为 70.89%0.93%和70.29%1.66%。在HRT缩短（阶段）的情况下，BA-CW组和BA-MFC-CW组的TP处理效率略有下降，而CW组和MFC-CW组受HRT缩短的影响较大，分别下降到60.44%0.56%和54.30%0.90%。除磷主要分为非生物除磷和生物除磷两部分。四个实验组的pH值长期在6.77.8之间。因此，非生物除磷可以忽略不计，因为正磷酸盐沉淀主要发生在pH为911之间。本实验中TP的去除主要是生物除磷，主要通过藻类和微生物的过量吸磷实现。WANG等人5分析了藻类的化学特征并证实了藻类吸收的磷远远超过细胞生长所需的磷。BA-CW组和BA-MFC-CW组（阶段）对TP的去除效率比CW组和 MFC-CW 组高 14.91%26.39%，这证明藻类的加入提高了系统的除磷效率。在缩短HRT（期）的情况下，BA-CW组和BA-MFC-CW组对TP的处理效果比较稳定，这可能是由于藻类的影响。胡等人6用小球藻处理10%的垃圾渗滤液，除磷效率达到86.0%，表明藻类的加入是提高除磷效果和稳定处理效果的主要原因。其中B