基于菌藻共生的污水处理与资源化新技术研究进展

基于微藻生物处理技术的菌藻共生培养体系，不仅能实现污水资源化，还可利用菌藻间相互作用增强处理系统的污染物去除能力及藻类生物质回收潜力。菌藻共生体系还可耦合CO₂固定，结合工业烟气中高浓度的CO₂进行微藻培养可同时实现碳减排与降低微藻额外曝气补充CO₂的能耗，符合“碳中和”的发展需求。本文对菌藻共生体系在污水处理及资源化过程的作用机理、相互作用形式及影响因素进行了系统介绍，对菌藻工程在污染物降解、CO₂固定及微藻生物质产品的回收潜力展开综述。研究菌藻间营养交换、信息传递及基因水平的互相适应作用形式，发现选择适宜的共生菌藻组合培养可有效增强污水中污染物去除效果且提高CO₂固定效率。菌藻共生效应对藻类生物组分(蛋白质、脂质和碳水化合物等)积累存在增强效应与选择能力，通过污水类型合理遴选藻种及对应共生菌、调节接种比例与培养条件，可提高工业规模上收获微藻并进一步加工生产生物燃料、医疗保健食品等产品的效率。菌藻共生耦合废水处理、CO₂固定及生物质能回收于一体，有利于构...     

光生物反应器内CO2传输与微藻固碳性能强化

CO₂气体可为微藻光合作用提供必需的碳源,CO₂在藻液中的混合、溶解及传输特性显著影响了微藻的生长固碳.在微藻光生物反应器中,气泡在藻液中的生长、脱离、聚并、上升等动力学行为主要由气体分布器决定.本文以气体分布器为研究对象,研究在不同孔径及孔间距下对15%（V/V）CO₂气体在悬浮液中的气泡行为、CO₂溶解与混合特性以及对微藻生长固碳的影响.结果表明：气泡上升速度随气体分布器孔径及孔间距的减小而减小,导致CO₂气泡在藻液中停留时间增加,强化了CO₂溶解传输,CO₂体积传质系数提高了143%,混合时间降低了24%,最终使微藻生物质浓度提高18.8%,固碳速率提高23.2%.     

微藻在不同氨氮条件下固定CO2耦合净化废水实验

为探究小球藻同步固定CO₂、净化废水及生产蛋白质的潜力,实验研究不同氨氮浓度(30,60,90 mg/L NH₄Cl)和CO₂体积分数(0.038%和10%)对小球藻(Chlorella vulgaris)生长、固碳、氮磷营养盐去除及蛋白质生产的影响,并将Logistic方程与改进的Monod方程相结合,描述小球藻比生长速率与氮、磷营养盐的关系。结果表明:10% CO₂组生物量(380.16~499.52 mg/L)是0.038% CO₂组生物量(44.73~120.00 mg/L)的3.54~8.30倍,同时,10% CO₂组中氨氮和磷酸盐消耗速率明显高于0.038% CO₂组。小球藻比生长速率、固碳速率、蛋白质含量均与生物量呈正相关(R2≥0.83,P<0.05),且在10% CO₂和60 mg/L NH₄Cl条件下获得最大值,分别为0.21 d-1、42.62 mg/(L·d)和228.43 mg/L。此外,拟合结果显示Logistic方程与改进的Monod方程联合应用可较好地描述小球藻的生长过程(R2=0.39~0.96),且10% CO₂条件下的营养盐更易被小球藻吸收。实验结果可为微藻同步固定CO₂、净化废水及副产物(如蛋白质)生产的应用提供理论参考。     

不同营养模式下固定化斜生栅藻和普通小球藻氨氮去除能力对比分析

微藻培养耦合污水处理是一项极具潜力的绿色生物技术,具有污染物减排和资源化的双重效应.为明确不同微藻固定化后对NH₄+-N去除的差异及优势,以斜生栅藻和普通小球藻为研究对象,以自由生长为对照,通过5 d的批次培养试验对比分析了2种固定化微藻不同营养模式下对NH₄+-N污水的适应性及其生长特性.结果表明:①对比自由生长,固定化生长可有效提升斜生栅藻在自养和异养模式下的NH₄+-N去除能力,2种模式下最大去除率分别为98%和53%,而在混养模式下,最大去除率则从100%降至86%.②固定化生长对普通小球藻NH₄+-N去除率的提升较弱,仅在自养模式下发挥正效应,最大去除率可升至37%,在混养模式下,其自由生长优势强于固定化生长,当C/N为10时,NH₄+-N第4天即可完全去除.③固定化生长并未改变混养模式下2种微藻生长对ρ(COD_Cr)的依赖性,而该效应在异养模式下并不明显.④除自养模式外,固定化生长均略低于自由生长,并且普通小球藻的生长速率也显著高于斜生栅藻.研究显示,斜生栅藻单个细胞对NH₄+-N的去除能力优于普通小球藻单个细胞,斜生栅藻污水培养的适应性更强,并且固定化自养模式最佳,而普通小球藻固定化优势微弱.      

污水处理中的菌藻关系和污染物去除效能

菌藻共生体系可利用菌藻间的关系实现污染物的高效去除,在污水处理领域具有广阔的应用前景。文章从菌藻关系、微藻选择和菌藻共生系统的发展三方面分析了该技术的研究进展,重点阐释了菌藻关系中信号分子对菌藻系统的影响。群体感应会促进共生菌在微藻表面形成生物膜,加快藻际微环境的形成,促进污染物的去除。化感作用可抑制杂菌和杂藻的过度生长,维持菌藻系统的稳定运行。此外,该文对不同类型的微藻对污染物去除效果作了进一步分析,污水处理中常用的小球藻和衣藻对氮磷污染物去除效率较高,栅藻常被用作水质评价的指示生物。菌藻共生系统形式多样,其中细菌-微藻共生系统和多菌-多藻共生系统应用广,对污染物的去除效果好,而真菌-微藻共生系统多用于污水的深度处理。最后,文章对菌藻共生体系的发展进行前景展望,以期为菌藻共生体系在污水处理领域的工程化应用提供参考。     

气液比与光强对小球藻净化沼气及去除沼液污染物效果的影响

研究了沼气、沼液比(G/L)与光强条件变化对小球藻(Chlorella sp.)净化沼气、处理沼液效果的影响。实验结果表明,中、低光强条件比高光强更有利于小球藻的生长。在沼气净化与沼液中污染物的去除过程中,最佳G/L比为7∶1,最佳光强(中等光强)为120~140μmol/(m~2·s)。在此最佳条件下,COD、TN和TP的去除率可达(83.62±4.17)%、(80.29±3.54)%和(74.08±5.06)%;此时沼气中CH_4体积分数为(95.21±2.94)%。     

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

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4 000 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、NH₄+-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NH₄+-N、TP的去除率显著高于R1反应器(P<0.05). ②胞外聚合物(EPS)分析表明,与R1反应器相比,R2、R3反应器具有更多的芳香蛋白、可溶性微生物副产物、腐殖酸、类富里酸等成分,有利于MBGS的形成. ③R3反应器中鲍氏细鞘丝藻被淘汰,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.      

利用菌-藻体系净化水产养殖废水

采用正交法确定由地衣芽孢杆菌、硝化细菌、月芽藻、四尾栅藻组成的菌-藻体系去除水产养殖废水中的COD_Cr,NH₄+-N,NO₂－-N,NO₃－-N以及溶解态磷(DP)的最优化体积比.结果表明,地衣芽孢杆菌、硝化细菌、月芽藻、四尾栅藻接种量分别为2.01×106, 2.18×106, 1.95×106和1.89×106 cfu/mL,V(地衣芽孢杆菌)∶V(硝化细菌)∶V(月芽藻)∶V(四尾栅藻)为1∶2∶2∶2时,污染物的去除效果最佳,其中,COD_Cr,NH₄+-N,NO₂－-N,NO₃－-N和DP的去除率分别为44.05%,89.16%,100%,98.62%和100%,投加菌-藻溶液的养殖废水污染物去除率优于其自身的净化效果.通过对体系中各因素极差分析得出,地衣芽孢杆菌是体系中去除COD_Cr和NO₃－-N的主要因素,月芽藻是去除NH₄+-N的主要因素,四尾栅藻是去除NO₂－-N的主要因素,硝化细菌是去除DP的主要因素.      

鞘藻对沼液中磷的去除机理分析

利用微藻对沼液进行二级处理是一类绿色经济的废水处理方式,具有可观的应用前景。研究测定了鞘藻在处理沼液过程中藻的生长速度、DO和pH变化,并通过同位素示踪法分析了沼液中磷素的去除速率及其途径。结果表明:鞘藻在沼液中Chl-a浓度达到3.35 mg/L,是初始浓度的3.13倍,TP去除率为91.22%。TP去除机理分析表明:沼液中残留的微生物对TP的去除影响小;沼液处于好氧状态,很难形成气态PH₃进入大气;碱性条件下,且存在Ca2+、Mg2+等阳离子的协同作用,约30%的TP通过磷酸盐沉淀去除,约60%的TP通过鞘藻同化去除。综合来看,TP浓度的降低主要是通过鞘藻的生长吸收和磷酸盐沉淀所致,要进一步提高TP的去除率,应降低DO值并保持适宜的N/P。     

有机改性层状双金属氢氧化物与甲基橙联合暴露对小球藻的毒性影响

为探究有机改性层状双金属氢氧化物(O-LDH)与甲基橙(MO)联合暴露对微藻的毒性影响,选取小球藻(Chlorella vulgaris)作为受试藻种,考察O-LDH、MO单一及联合暴露对小球藻的生长抑制率、叶绿素含量、细胞结构等指标的影响,并通过测定溶液剩余MO浓度和藻细胞表面电位,探究O-LDH、MO与小球藻的吸附作用及毒性机制。结果表明：1)O-LDH、MO对小球藻96 h生长抑制率拟合均符合Logistic模型(R²>0.99),EC_50-96h值分别为122.18,26.73 mg/L,MO对小球藻的抑制作用大于O-LDH;2)O-LDH对小球藻的毒性机制包括纳米片层聚集在微藻细胞表面所产生的阴影效应以及纳米片层割裂细胞结构所造成的氧化损伤;3)在低O-LDH浓度范围(0～50 mg/L),溶液中O-LDH被微藻细胞强烈吸附,阻碍微藻光合作用并割伤微藻细胞结构,对微藻产生阴影效应和氧化损伤,导致O-LDH和MO对小球藻的联合毒性增强;在高O-LDH浓度范围(50～500 mg/L),溶液中O-LDH、O-LDH吸附MO后产物共...     

两种漂浮植物的生长特性及其水质净化作用

采用自主研发的漂浮水槽,对两种常用于水体净化与修复的漂浮植物（凤眼莲和水浮莲）在水质净化效果和生长特征等进行了比较研究.结果表明,水浮莲对水体氮磷浓度有更高的要求,对水体中浮游藻类和叶绿素a去除率分别高达94.38%和95.06%,优于凤眼莲;凤眼莲对水体TN的去除率（82.08%）以及其叶片净光合速率（20.28～27.90μmol CO₂/（m²·s））和叶绿素a含量（1.05～1.08mg/g鲜重）均显著高于水浮莲（分别为71.82%、8.64～16.50μmol CO₂/（m²·s）和0.25～0.31mg/g鲜重）（P<0.05）.与凤眼莲共存情况下,水浮莲有更强的扩繁能力,但后者在实际工程应用中更具逃逸风险.为使两种漂浮植物的优势得到充分发挥,我们提出了基于这两种水生植物水体净化的“三明治”模式,为今后选用水生植物进行水体净化与修复的工程实践提供借鉴.     

Mg2+、Ca2+对厌氧消化系统中CO2的捕获和营养盐的回收

为探究矿物碳酸化与污泥厌氧消化耦合过程中实现CO₂捕获和N/P营养盐协同回收的可行性,在污泥水解液为底物的厌氧消化系统中,研究不同比例Mg²⁺/Ca²⁺离子添加对厌氧消化系统中CO₂捕获和营养盐的协同回收效果的影响.结果表明,添加Mg²⁺/Ca²⁺离子为（20mmol/L）/（0mmol/L）、（10mmol/L）/（10mmol/L）和（0mmol/L）/（20mmol/L）均可促进有机质降解,使沼气产量分别提升16.97%、21.56%和23.99%,并使CO₂含量由27.27%分别下降至24.81%,22.06%和21.98%.不同比例Mg²⁺/Ca²⁺离子添加可使磷酸根浓度下降63.46%~66.47%,但仅Mg²⁺/Ca²⁺离子以（20mmol/L）/（0mmol/L）和（10mmol/L）/（10mmol/L）添加的实验组中氨氮浓度得到下降.XRD分析揭示,Mg²⁺/Ca²⁺离子以（20mmol/L）/（0mmol/L）、（10mmol/L）/（10mmol/L）和（0mmol/L）/（20mmol/L）添加时分别使厌氧消化系统中形成鸟粪石和碳酸镁、鸟粪石和方解石、方解石和三斜磷钙石.Mg²⁺、Ca²⁺离子等摩尔量联合添加可实现最优的CO₂捕获和营养盐协同回收效果.     

Fe(Ⅵ)/Na2SO3体系降解阿特拉津效能

利用高铁酸钾活化亚硫酸钠(Fe(Ⅵ)/Na₂SO₃体系),探究其对阿特拉津(ATZ)的降解效能;鉴别了反应体系主要活性组分,并考察了Na₂SO₃投加量、反应溶液pH值和水质背景成分对ATZ降解效能的影响.结果表明:当Fe(VI)和Na₂SO₃的投加量分别为50和200μmol/L时,反应10s后Fe(Ⅵ)/Na₂SO₃体系对ATZ的降解效能达到74.4%,单独Fe(VI)(50μmol/L)和单独Na₂SO₃(200μmol/L)对ATZ的去除率仅为10.2%和7.5%.探针化合物和溶解氧作用等实验证实体系中主要的活性基团为SO₄^·-.在pH=8,Fe(VI)投加量为50μmol/L时,随着Na₂SO₃投加量的增大,Fe(Ⅵ)/Na₂SO₃体系对ATZ的去除效率先增大后减小,其中最佳Na₂SO₃投加量为150~200μmol/L.Fe(Ⅵ)/Na₂SO₃体系在pH 7~10的范围内,均可以快速降解ATZ.在天然水体中,Fe(Ⅵ)/Na₂SO₃体系也可以高效降解ATZ,但是水质背景成分会竞争消耗SO₄^·-,导致Fe(Ⅵ)/Na₂SO₃体系对ATZ的降解效能降低.     

不同大气CO2浓度升高处理对水稻秸秆在后茬冬小麦田中分解特性的影响

为研究大气CO₂浓度逐渐增加和稳定高浓度处理对水稻秸秆在后茬冬小麦田土壤中分解特性的影响,进行田间试验,设置3个浓度水平——背景大气CO₂浓度(CK)、每个生长季CO₂浓度比CK逐渐增加40 μmol/mol(T1)、每个生长季CO₂浓度均比CK高200 μmol/mol(T2),处于上述3个浓度水平下连续3个生长季的水稻秸秆处理编号分别用CK-OTC、T1-OTC、T2-OTC表示,第3个生长季T1-OTC的CO₂浓度为120 μmol/mol,3个生长季中前两个生长季处于开顶箱(OTC)外且第3个生长季处于OTC内的处理分别表示为CK、T1、T2.将不同处理下的水稻秸秆埋入麦田土壤中,于填埋后30、60、84、119、149 d测定剩余秸秆的质量以及总碳(TC)、总氮(TN)含量.结果表明:填埋后30 d不同处理下秸秆的分解率为33.2%~38.2%,至149 d填埋结束,不同处理下秸秆的分解率为57.3%~60.3%.填埋试验后期(填埋后84、119、149 d)的秸秆分解率与粗纤维含量之间存在显著(P < 0.05)或极显著(P < 0.01)相关关系.T1、T2处理下水稻秸秆在分解过程中的TC含量与CK无显著(P>0.05)差异,而OTC-T1处理下水稻秸秆在整个分解阶段的TC含量显著(P < 0.05)高于CK,且在填埋后60~119 d这一阶段T2处理下TC含量与OTC-CK处理之间存在边缘显著(0.05 < P < 0.10)差异.所有处理下的TC含量在填埋后比填埋前均明显降低,特别是对于TN含量而言,大部分处理下TN含量均随时间的线性增加程度达到极显著(P < 0.01)水平,C/N均在分解过程中随时间呈线性降低趋势(P < 0.05).研究显示,一个生长季尺度上CO₂浓度的升高会提高秸秆分解率,秸秆分解过程中TC分解速率比TN快,从而造成C/N下降.      

德国分散式污水处理系统微生物群落结构及功能

以德国分散式污水处理系统为研究对象,通过16S rRNA测序,研究2个反应器中微生物群落结构,利用PICRUSt软件对其功能进行推演.结果表明,冬季,污水厌氧膜生物反应器（AnMBR）内温度20℃,进水COD 712mg/L时,出水可获得52%的COD平均去除率,产气率为122L/kgCOD;固体废物厌氧反应器（PSD）内温度37℃,反应器内COD 3007mg/L时,可获得374L/kgVSS的产气率.2个反应器具有相似的微生物组成,对细菌,Synerigistaceae科的相对丰度最高（AnMBR：24.0%±10.0%;PSD：11.0%±3.1%）;对古菌,Methanobacteriaceae科的相对丰度最高（AnMBR：0.6%±0.3%;PSD：13.8%±1.8%）;2个反应器的功能基因组成也相似,产甲烷都以H₂还原CO₂的通路为主.PSD反应器中H₂还原CO₂通路相关基因、F420合成相关基因、辅酶M合成相关基因的相对丰度都高于AnMBR反应器.     

纳米二氧化钛光催化技术与大气污染治理

简要介绍了纳米二氧化钛（TiO₂）光催化技术的发展历史和反应原理.重点讨论了纳米TiO₂光催化技术在大气污染物催化转化方面的研究进展与前沿问题,分析发现该技术对一些典型大气有机污染物、氮氧化物、硫化物以及二氧化碳等有较高的去除效率（去除率多在80%~99%之间）.总结了纳米TiO₂光催化技术在大气污染治理中的应用状况,结果表明在空气净化、机动车尾气净化、化石燃料脱硫以及温室效应控制等方面已初步进入实用阶段.     

土壤CO2浓度变化特征及其对岩溶碳循环的影响

为探究土壤CO₂浓度变化特征及其对岩溶碳循环的影响,于2018年6—12月对重庆市南川区后沟泉水化学及泉域上覆土壤CO₂(监测点土地利用类型为玉米-油菜轮作地)进行为期7个月的连续监测和采样,并结合1—5月的监测数据,定量分析旱雨季土壤CO₂浓度与岩溶碳汇量的季节性演变特征及二者的相互关联性. 结果表明:①土壤CO₂浓度具有显著的季节性变化特征,主要表现为雨季较高、旱季较低,其最高值和最低值分别出现在9月(13 316 μmol/mol)和1月(2 262.63 μmol/mol). ②温度与土壤CO₂浓度之间存在较强的正相关关系(R2=0.82,0.0012浓度之间不具相关性(R2=0.17,P>0.5),说明土壤CO₂浓度主要受温度的影响. ③泉水Ca2++Mg2+、HCO₃?浓度在雨季明显高于旱季,而水体CO₂净消耗量在旱雨季无较大差异,这可能是由于受土壤CO₂效应、降水稀释效应和H₂SO₄/HNO₃释放CO₂的共同影响. 研究显示,土壤CO₂浓度的变化特征表现为季节性差异,但在土壤CO₂浓度及外部环境的多重影响下,岩溶碳循环的季节性变化并不明显.      

利用膜进样质谱连续走航测定表层海水O2/Ar比值和pCO2

利用HIDEN公司HPR40溶解气体质谱分析仪,通过实验探索和实际应用,建立了连续走航高频率同时测定海水中O₂、Ar和CO₂等多种气体的分析方法。通过选择硅树脂膜的循环水取样器、进样流量为220 mL/min、进样平衡温度低于海水2℃等实验条件,建立了船载连续走航系统,实现了利用膜进样质谱仪（MIMS）连续走航测定表层海水O₂/Ar比值和pCO₂。所用仪器稳定性良好,连续测定12 h大气鼓泡48 h后的海水样品获得O₂、Ar和CO₂的精密度分别为1.57%、3.75%和2.21%,O₂/Ar的精密度为2.61%;该方法的重复性好,10 d内绘制7条CO₂工作曲线斜率的相对标准偏差RSD=4.18%。应用该方法在南海北部陆坡19.8°N～20.8°N,114.7°E～115°E断面进行调查并取得了很好的效果,结果表明:该调查断面的生物氧过饱和量Δ（O₂/Ar）为0.56%±1.02%,其变化范围为-2.52%至3.34%,调查断面的pCO₂值为361.53±40.46μatm。该方法具有直接、快速、高时空分辨率测定多种溶解气体的优点,为认识多组分气体的高分辨时空分布格局,深入开展我国陆架边缘海生物过饱和氧、海洋群落净生产力和pCO₂动力学研究提供了新方法。