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藻-菌颗粒污泥中微生物胞外多糖特性研究

环境科学学报 2022年第11期42卷 117-122页

作者：季斌龚喜平武汉科技大学城市建设学院武汉430065

藻-菌颗粒污泥(Microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)工艺在城市污水生物处理领域引起了越来越多的研究兴趣.胞外多糖(Polysaccharides,PS)是胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的重要组分,是维持颗粒稳定性的关键物质之一.研究了MBGS中PS的凝胶性能,以及松散结合的胞外聚合物(Loosely bound EPS,LB-EPS)和紧密结合的胞外聚合物(Tightly bound EPS,TB-EPS)中PS的含量、分布及单糖组成,并探究了MBGS的EPS中PS可能的微生物来源.结果表明,MBGS的PS具有凝胶性,主要分布在TB-EPS中,含量为(40.06±2.30)mg·g^(-1),其中半乳糖、葡萄糖和鼠李糖为主要单糖组分,而果糖和古罗糖醛酸未被检出.Thauera、Hydrogenophaga、Azoarcus和Acutodesmus是PS的主要微生物潜在来源.本文研究结果阐释了MBGS PS的基本特性,为MBGS工艺的稳定运行提供了理论基础.

关键词：藻-菌颗粒污泥污水生物处理胞外多糖单糖组成凝胶性

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藻-菌颗粒污泥——低碳污水处理新技术

中国给水排水 2024年第22期40卷 13-21页

作者：王弘宇王溶榕胡晓玲黄海芸陈荣帆谢怡周道武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

藻-菌颗粒污泥(Algal-bacterial granular sludge,ABGS)是近年来新兴的一种污水处理技术,其利用好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)与微藻相耦合,具有沉降性能好、生物量高、抗冲击负荷能力强、污水处理效率高、外部曝气需求和... 详细信息

藻-菌颗粒污泥(Algal-bacterial granular sludge,ABGS)是近年来新兴的一种污水处理技术,其利用好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)与微藻相耦合,具有沉降性能好、生物量高、抗冲击负荷能力强、污水处理效率高、外部曝气需求和碳排放量低、资源回收潜力大等优势。通过文献整理和分析,归纳了ABGS系统的建立和强化方式、颗粒特性、除污效果和机理、影响因素,最后讨论了ABGS技术的未来需求和局限性,并对ABGS的未来研究方向进行了展望。

关键词：藻-菌颗粒污泥藻菌共生碳排放废水处理

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藻-菌颗粒污泥粒径与除污效能的研究

南京大学学报（自然科学版） 2024年第1期60卷 151-157页

作者：胡国胜季斌武汉科技大学城市建设学院武汉430065

作为一种光驱动的新兴污水处理工艺,藻-菌颗粒污泥(Microalgae-Bacterial Granular Sludge,MBGS)因其高除污效能、低能耗、零温室气体排放等优点而被广泛研究.MBGS粒径可以影响MBGS的藻-菌质量比与生态位,从而影响其传质及光利用效率,... 详细信息

作为一种光驱动的新兴污水处理工艺,藻-菌颗粒污泥(Microalgae-Bacterial Granular Sludge,MBGS)因其高除污效能、低能耗、零温室气体排放等优点而被广泛研究.MBGS粒径可以影响MBGS的藻-菌质量比与生态位,从而影响其传质及光利用效率,进而影响其污染物去除效能.鉴于此,考察了不同粒径MBGS(1.08,2.20,3.17和4.08 mm)的除污效能,发现1.08 mm的MBGS系统对有机物、氨氮及磷酸盐的去除效能最高,同时其出水溶解氧浓度最高.进一步结合文献调研和分析表明:当光强为100~500μmol·m^(-2)·s^(-1)时,MBGS最优粒径范围为0.80~1.60 mm;MBGS粒径对于有机物及氨氮的去除影响较磷酸盐更大;通过提供剪切力(如水力或机械搅拌)能够维持MBGS的最优粒径.研究结果可为MBGS工艺应用于实际污水处理提供理论基础.

关键词：藻-菌颗粒污泥污水生物处理颗粒粒径搅拌碳中和

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藻-菌颗粒污泥的恢复与培养研究

藻-菌颗粒污泥的恢复与培养研究

作者：肖亚兵武汉科技大学

学位级别：硕士

目前,在工程实践中需要实现生态环境的可持续发展目标。藻-菌颗粒污泥(microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)工艺由于其具有较低的能耗需求、较少的碳排放和潜在的资源回收价值而受到污水生物处理领域的关注。MBGS在应用中存在... 详细信息

目前,在工程实践中需要实现生态环境的可持续发展目标。藻-菌颗粒污泥(microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)工艺由于其具有较低的能耗需求、较少的碳排放和潜在的资源回收价值而受到污水生物处理领域的关注。MBGS在应用中存在污泥闲置与污泥运输等问题,而关于MBGS贮存与恢复还未见报道,此外如何快速将絮状活性污泥培养成MBGS也鲜有报道。因此,本论文初步探讨了冷冻、干燥MBGS的可恢复性及利用活性污泥培养MBGS的可行性。(1)分别在曝气和非曝气条件下探究了在-20°C储存6个月的MBGS的可恢复性。结果表明,MBGS活性均可在21天内完全恢复。曝气条件下恢复的MBGS对NH-N的平均去除率较非曝气条件的高(92.8%vs 86.2%),而非曝气条件下重建的MBGS对COD和PO-P的去除率较曝气条件的高(COD,85.0%vs 75.3%;PO-P,85.3%vs 80.4%)。曝气有利于真核微藻的生长,而非曝气有利于原核微藻的生长与胞外蛋白的分泌。MBGS恢复过程中,微生物群落结构发生了颠覆性改变,但绿藻门和变形菌门的优势物种地位没有改变。尽管冷冻储存的MBGS在曝气和非曝气条件下都可以恢复,但非曝气条件下的MBGS颗粒恢复更节能。(2)分别在曝气和非曝气条件下探究了自然光干燥MBGS的可恢复性。结果表明,在曝气条件下的MBGS活性可在20天内恢复,非曝气条件下MBGS未能恢复。曝气条件下恢复的MBGS在稳定期间对COD、NH-N、PO-P的平均去除效率分别为91.3%、86.4%、79.9%。曝气条件与非曝气条件下形成的MBGS平均粒径分别为1.24与0.27 mm。同时曝气条件下较非曝气条件下恢复的MBGS沉降性能更佳(23 vs 69 m L/g)。Miseq测序结果表明,两种方式下的微生物群落存在显著性差异,曝气促进了小球藻的生长,而非曝气条件利于栅藻的生长,但绿藻门和变形菌门始终保持为优势门。(3)通过接种成熟的MBGS从常规活性污泥系统中培养藻-菌颗粒污泥(MBGS)。发现MBGS接种的系统可以在25天内培养成MBGS,未接种的活性污泥培养耗时约45天,同时接种形成的MBGS沉降性能更佳。接种与未接种形成的MBGS对COD、NH-N、PO-P的去除效率分别为99.4%vs 99.1%、99.6%vs99.5%、73.4%vs 65.3%。显然,接种与未接种相比,在COD、NH-N的去除上无显著差异(P>0.05),但在PO-P的去除上有显著差异(P污泥快速培养成新MBGS。

关键词：藻-菌颗粒污泥恢复颗粒培养污染物去除微生物群落

藻-菌颗粒污泥工艺处理水产养殖废水的可行性探究

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藻-菌颗粒污泥工艺处理水产养殖废水的可行性探究

作者：范思祺武汉科技大学

学位级别：硕士

近年来,藻-菌颗粒污泥(MBGS)工艺因其低能耗,高效能等优点有望被广泛用于环境可持续性城市污水处理。水产养殖业作为世界上发展最快的农业产业,产生了大量养殖废水。本论文从污染物的去除、污泥特性、微生物群落及功能基因等方面的分析... 详细信息

近年来,藻-菌颗粒污泥(MBGS)工艺因其低能耗,高效能等优点有望被广泛用于环境可持续性城市污水处理。水产养殖业作为世界上发展最快的农业产业,产生了大量养殖废水。本论文从污染物的去除、污泥特性、微生物群落及功能基因等方面的分析,探讨了MBGS工艺处理水产养殖废水的可行性,为MBGS工艺的进一步工程应用提供理论依据和技术支撑。(1)在非曝气的条件下,MBGS工艺能在8小时内分别去除64.8%、84.9%、70.8%、50.0%和84.2%的化学需氧量(COD)、氨氮(NH-N)、硝酸盐氮(NO-N)、亚硝酸盐氮(NO-N)和磷酸盐磷(PO-P)。进一步的宏基因组学分析表明,微生物同化是有机物、氮和磷化合物去除的主要途径。其中,大量的硝酸盐和亚硝酸盐通过微藻和细菌之间的协同作用被去除。以上结果表明MBGS工艺有望成为水产养殖废水处理中一种高效的,环境友好的替代工艺。(2)MBGS系统在不同浓度的磺胺甲恶唑(SMX)的影响下,经过适应期后对氮类污染物的去除均接近100%;10 mg/L的SMX在光照条件下抑制了有机物的去除,但并没有明显影响PO-P的去除;5.0 mg/L和10 mg/L的SMX的去除率明显高于1 mg/L的(p污泥浓度和糖原含量,但同时提高了污泥中叶绿素的含量和胞外聚合物的分泌,这也许是MBGS微生物抵御抗生素的机制。以上结果表明MBGS对抗生素具有一定的适应性,可用于含抗生素水产养殖废水处理。(3)采用管式光反应器探究了自然光昼夜条件下MBGS系统处理水产养殖废水的运行情况。结果表明MBGS工艺在光照条件下去除NH-N效果较好,而在黑暗条件下去除NO-N效果较好。整个运行过程中,超过99%的NO-N被去除,这很可能是由于高丰度的亚硝酸盐还原相关基因存在。然而,PO-P的去除对天气条件较为敏感,其去除率范围为35.3%至96.6%。此外,微藻在白天产生的溶解氧足以在夜间为系统维持6小时的有氧环境,以供微生物的异养代谢,可推测在自然光昼夜条件下,MBGS工艺可以维持系统内二氧化碳和氧气之间的平衡。以上结果表明,MBGS连续流反应器可实现在自然光昼夜交替条件下养殖废水的高效处理。

关键词：藻-菌颗粒污泥水产养殖废水抗生素自然昼夜循环宏基因组

微藻生物强化对藻-菌颗粒污泥的形成影响及污染物去除研究

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环境科学研究 2022年第3期35卷 761-767页

作者：肖亚兵张雪纯季斌樊杰郭绍东武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065

为了探究微藻强化好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)方式培养藻-菌颗粒污泥(microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)的可行性及其关键藻种的潜在作用机理,分别向序批式光生物反应器(光强4000 lx)中投加小球藻(R1反应器),... 详细信息

为了探究微藻强化好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)方式培养藻-菌颗粒污泥(microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)的可行性及其关键藻种的潜在作用机理,分别向序批式光生物反应器(光强4000 lx)中投加小球藻(R1反应器),小球藻和斜生栅藻(R2反应器),小球藻、斜生栅藻和鲍氏细鞘丝藻(R3反应器),并对形成的MBGS理化特性、污染物去除及微生物群落结构进行系统研究.结果表明:①MBGS均能在30 d左右形成,其稳态下的污染物去除总体优于AGS,对COD、NH_(4)^(+)-N、TN和TP的平均去除率分别在98%、97%、77%和93%以上,且R2、R3反应器对NH_(4)^(+)-N、TP的去除率显著高于R1反应器(P藻被淘汰,形成了与R2反应器主要藻种类似的MBGS.④R1、R2和R3反应器稳态下具有硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)等脱氮除磷功能微生物.研究显示,在微藻生物强化形成MBGS的过程中,斜生栅藻可能起到重要作用,提高了氮、磷的去除率,并有利于维持MBGS的稳定性.

关键词：藻-菌颗粒污泥生物强化污染物去除斜生栅藻微生物群落

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藻-菌颗粒污泥处理低C/N生活污水的研究

湖北大学学报（自然科学版） 2024年第1期46卷 60-67页

作者：张夏陈红兵胡惠秩汪锐陈乐言万仁辉徐芳湖北大学资源环境学院湖北武汉430062

在光暗交替、零曝气条件下建立两组不同进水C/N(chemical oxygen demand,COD/total nitrogen,TN)(R_(1):10.0,R 2:5.6)的序批式反应器并运行了70 d,研究微藻-细菌颗粒污泥(microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)在低C/N进水条件下的污染物去除效果、颗粒组成及稳定性的变化。研究发现,R^(1)组颗粒形态稳定,结构紧密,而R^(2)组颗粒形态出现差异化,结构略松散。R^(2)的COD去除率无显著变化,并且有更好的NH_(4)^(+)-N去除效果(94.68±7.24)%,但其PO_(4)^(3-)-P的去除效果不佳(50.69±13.64)%。通过元素分析进一步发现低C/N条件使MBGS中细菌的比例增加36%,并证明低C/N生活污水中的COD和PO_(4)^(3-)-P主要依靠MBGS的同化作用去除,NH_(4)^(+)-N主要被细菌的硝化作用转化。此外,低C/N组中蛋白质含量显著增加,并分泌更多的松散结合EPS(loosely bound EPS,LB-EPS)来提高颗粒稳定性。

关键词：藻-菌颗粒污泥低C/N比零曝气同化作用硝化作用

光强不足条件下藻-菌颗粒污泥的除污性能及适应机制

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光强不足条件下藻-菌颗粒污泥的除污性能及适应机制

作者：杨根吉武汉科技大学

学位级别：硕士

藻-菌颗粒污泥(Microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)工艺是以光能为驱动力,利用微藻与细菌间协同作用处理污水的技术,但户外通常会遇到阴雨天等光强不足的天气,有关MBGS能否适应光强不足的环境鲜有研究。本论文从污染物去除性... 详细信息

藻-菌颗粒污泥(Microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)工艺是以光能为驱动力,利用微藻与细菌间协同作用处理污水的技术,但户外通常会遇到阴雨天等光强不足的天气,有关MBGS能否适应光强不足的环境鲜有研究。本论文从污染物去除性能、颗粒特性及微生物群落分析等方面,探讨了MBGS系统在光强不足条件下处理城市污水的可行性,为MBGS工艺进一步工程应用提供理论依据和技术支撑。主要结论如下:(1)MBGS系统对持续弱光(20μmol/m/s)和黑暗条件具有一定的适应性,分别可以运行一周和半个月。在最初的一周运行过程中,弱光促进MBGS的颗粒粒径增长和胞外聚合物的产生。厚壁菌(Firmicutes)成为复杂碳源中的优势菌,其可能在光照不足的条件下促进复杂有机物的分解。(2)在实验室12 h/12 h弱光(20μmol/m/s)-黑暗交替条件下,MBGS系统可以维持约12天。随后,Tychonema＿CCAP＿1459-11B的出现(分泌的anatoxin-a藻毒素)使得微藻和细菌由互惠共生转为相互对抗,导致MBGS系统崩溃。通过提高光强至200μmol/m/s,MBGS系统可逐渐恢复。(3)进一步在户外以阴雨天为主的天气(白天平均光强34.3μmol/m/s)实现MBGS有效运行,发现其对实际污水具有较好的处理效果。绿弯菌(Chloroflexi)和拟杆菌(Bacteroidetes)显著增加。光反应中,编码Psb A、Psb D、Psb E、Psb J、Psb P、Psb27、Psb28-2、Psa C、Psa E、Psa L、Psb X、Pet B、Pet A、Pet E的基因丰度均有所上升。而暗反应卡尔文循环中编码Rubisco酶的基因丰度减少,CAM循环的基因丰度会增多,表明MBGS在户外光强不足条件下可能会通过其他途径保证光合作用的完成。

关键词：藻-菌颗粒污泥光不足污水处理微生物群落宏基因组学

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藻—菌颗粒污泥胞外多糖特性研究

藻—菌颗粒污泥胞外多糖特性研究

作者：龚喜平武汉科技大学

学位级别：硕士

藻-菌颗粒污泥(Microalgal-bacterial granular sludge,MBGS)工艺在城市污水生物处理领域引起了越来越多的研究兴趣。胞外多糖(Polysaccharides,PS)是胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的重要组分,是维持颗粒稳定性的关键物质之一。本论文探究了MBGS EPS中PS特性,并对PS组分的一级结构及代谢通路进行了分析。主要研究结果如下:(1)MBGS EPS中PS特性研究随着污泥粒径的增大,MBGS EPS中PS和蛋白质(Extracellular protein,PN)的含量均有增加,而PN/PS随着粒径的增加而减小,且PS特征峰的波峰强度较PN增加更明显,表明PS在藻-菌聚集体颗粒化过程中可起到重要作用。进一步分析表明,粘性和亲水性的PS有利于藻-菌颗粒的微生物细胞聚集,以维持MBGS稳定性。对MBGS PS特性进行研究发现,MBGS PS溶液表现出剪切稀化的非牛顿流体行为,符合假塑性流体特征且具有凝胶性。紧密结合的EPS中PS含量远高于松散结合的EPS中PS含量,约占总多糖含量的94%。其中半乳糖(Galactose,Gal),葡萄糖(Glucose,Glc)和鼠李糖(Rhamnose,Rha)为其主要单糖组分,而果糖(Fructose,Fru)和古罗糖醛酸(Guluronic Acid,Gul-UA))未被检出。Miseq测序结果表明,Thauera、Hydrogenophaga、Azoarcus和Acutodesmus为PS主要的微生物潜在来源。(2)MBGS PS组分一级结构及代谢通路首次从MBGS EPS中分离纯化出一种酸性多糖,命名为Q-0.5M-C,其相对分子质量为416112 Da。傅里叶变换红外光谱分析表明,Q-0.5M-C在3396 cm、2927cm等处出现由-OH、糖环的C-H等官能团伸缩振动引起的吸收峰,为明显的糖类特征峰。离子色谱分析表明,Q-0.5M-C由岩藻糖(Fucose,Fuc)、盐酸氨基半乳糖(Galactosamine hydrochloride,Gal N)、Rha、阿拉伯糖(Arabinose,Ara)、盐酸氨基葡萄糖(Glucosamine hydrochloride,Glc N)、Gal、Glc、N-乙酰-D氨基葡萄糖(N-Acetyl-D-Glucosamine,Glc NAc)、木糖(Xylose,Xyl)、甘露糖(Mannose,Man)和葡萄糖醛酸(Glucuronic Acid,Glc-UA)组成,摩尔比为0.057:0.022:0.070:0.056:0.048:0.214:0.321:0.030:0.051:0.089:0.042。Q-0.5M-C经糖醛酸还原后,单糖组成及摩尔比为Glc N:Gal:Glc=0.032:0.212:0.757。甲基化分析表明,其单糖连接方式及比例为Araf-(1→:Xylp-(1→:→3)-Rhap-(1→:→2)-Rhap-(1→:Glcp-(1→:→3)-Galp-(1→:→4)-Glcp-(1→:→6-Glcp-(1→:→6)-Galp-(1→:→2,3)-Manp-(1→:→4,6)-Glcp-(1→=0.067:0.055:0.022:0.076:0.194:0.188:0.216:0.043:0.088:0.025:0.027。核磁共振分析表明,Q-0.5M-C中含有糖苷键→6)-α-D-Galp-(1→、→3)-α-L-Rha-(1→、→2)-α-L-Rha-(1→、→6)-β-D-Glcp-(1→、→3)-β-D-Galp-(1→、→4)-β-D-Glcp-(1→、→4,6)-β-D-Galp-(1→和β-D-Galp-(1→。因此,该多糖的主链连接方式为→3)-β-D-Galp-(1→4)-β-D-Glcp-(1→的糖苷键,而支链β-D-Galp-(1→6)-α-D-Galp-(1→,β-D-Galp-(1→2)-α-L-Rha-(1→,β-D-Galp-(1→3)-α-L-Rha-(1→和β-D-Galp-(1→6)-β-D-Glcp-(1→通过→4,6)-β-D-Glcp-(1→的O-6键连接在主链上。宏基因组学分析表明,MBGS中碳水化合物活性酶(糖苷水解酶、糖基转移酶、多糖裂合酶、碳水化合物酯酶、碳水化合物结合模块和辅助氧化还原酶)均被检出,其中糖基转移酶含量最高。进一步对Q-0.5M-C主要单糖组分的代谢通路进行分析:酶5.***.3.3参与了D-Galactose转化为α-D-Galactose和α-D-Glucose与β-D-Glucose相互转化的代谢过程,其功能基因丰度为0.212‰,而α-D-Ga

关键词：藻-菌颗粒污泥胞外多糖凝胶性一级结构代谢通路