膜曝氣提升菌藻生物膜反應器效能及穩定性

張晗 公維佳 白朗明 曾瑋琛 陳睿 李圭白 梁恒

摘 要：比較曝氣頭曝氣以及膜曝氣兩種曝氣方式支持的菌藻共生系統在不同的運行條件下對污染物的去除效能，探討去除機理。結果表明，以膜曝氣為基礎的MABAR對氨氮、總氮、磷、化學需氧量（COD）的去除負荷相對于以曝氣頭曝氣為基礎的HABAR，最高分別提升1.44、21.22、3.08、52.09 kg/m2/m3。藻類積累方面，MABAR在5個階段的積累量都高于HABAR，最高提升15.17 mg/cm2。這不但歸因于膜曝氣良好的無吹脫和高效的碳化能力為自養藻類提供了充足的無機碳，而且膜曝氣為一些十分有利于藻類生長的細菌，例如Acidovorax、Rhodobacter和Acinetobacter，提供了良好的生存環境。MABAR不但能夠提升去除效能，還能夠促使光生物膜反應器抵抗沖擊，維持穩定，這對未來光生物反應器的實際應用提供了一種新的運行方式。

關鍵詞：菌藻共生;膜曝氣;脫氮除磷;膜反應器

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2021）06-0145-10

Abstract： The pollutant removal efficiencies of the bacterial-algae symbiotic system supported by head aeration and membrane aeration under different operating conditions were compared to explore the removal mechanism. Results showed that， in the MABAR （based on membrane aeration）， the removal rate of NH+4-N， total nitrogen （TN）， PO3-4-P， and COD were soared by 1.44，21.22，3.08，52.09 kg/m2/m3， respectively， compared to HABAR （based on aeration head aeration）.In terms of algae accumulation， the algae accumulation concentration of MABAR in 5 stages are higher than that of HABAR， with a highest increased concentration by 15.17 mg/cm2. These phenomena not only due to no-stripping and high carbonization ability of membrane aeration to provide sufficient inorganic carbon for autotrophic algae， but membrane aeration also provides a good living environment for the bacteria which has the function to stimulate algae growth， such as Acidovorax， Rhodobacter and Acinetobacter. In summary， MABAR can not only promote the removal efficiency， but also help the photobioreactor to resist shock and maintain stability. This new reactor provides a new operating mode for the practical application of the photobioreactor in the future.

Keywords： algae-bacteria symbiosis （ABS）;membrane aeration; nitrogen and phosphorus removal; biofilm reactor

利用菌藻共生系統處理污水已經引起廣泛關注[1-2]。在這個共生系統內，藻類在有光源的條件下進行光合作用，利用二氧化碳或無機碳維持自身生長并產生氧氣。與此同時，好氧菌利用產生的氧氣降解有機物，其完全降解產物又是藻類生長所必需的無機碳。在藻類細菌相互作用下，污水中的有機物及營養物質會吸附同化降解[3-4]。然而，在實際運行中，菌藻共生體系存在水力停留時間長、藻類所產氧氣不足以供給細菌生長以及系統不穩定等問題。比如，Xie等[5]利用光生物反應器處理污水時，設置的水力停留時間為14 d。雖然處理效果顯著，但如此長的水力停留時間將限制菌藻共生系統的實際應用。后續研究發現，如果為菌藻共生系統提供額外的氧氣，不但可以解決系統本身產氧量不足的問題，還可以大大縮短水力停留時間[6]。Tang等[7]就此進行了不同曝氣強度對污染物去除效能及系統穩定性的研究，發現在24 h的水力停留時間下，隨著曝氣強度的增加，藻類的生長會逐步受到限制，甚至在高強度的曝氣量下，系統接近崩潰。其原因歸結于兩方面，一是高曝氣強度導致系統內溶解氧的濃度增高，高濃度的溶解氧會抑制藻類的光合作用[8]。另外，也有研究發現，曝氣會導致二氧化碳吹脫[9]，無機碳大量損失，藻類得不到生長所需的無機碳而生長受限。

膜曝氣是一種新興的曝氣方式[10]。其利用膜的微孔結構為污水提供肉眼不可見的氧氣，規避了普通曝氣所產生的吹脫效應。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的損失[11]。過去大多數關于膜曝氣生物膜反應器（MABR）的研究都是著眼于以污泥為基礎的生物膜，因其具有較強的有機物碳化能力，一直被應用于難降解有機物的去除。Mei等[12-13]采用膜曝氣生物膜反應器處理乙腈和甲醛廢水，利用膜曝氣本身無吹脫和較強的氧化能力，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器處理牛糞厭氧發酵液，其中COD的去除效率最高也可以達到90.00%以上。除了曝氣，膜曝氣生物膜反應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，為好氧區域。氧氣在生物膜中傳遞的過程中逐漸被消耗，到達生物膜外層，即污水區域時，氧氣基本耗盡，為厭氧區域[15]。而在光生物反應器中，生物膜外層是藻類聚集區域，以此來接觸陽光進行光合作用。這樣，在膜曝氣系統內，藻類可以避免溶解氧過高導致的生長受限的問題。

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

1 材料與方法

1.1 反應器結構

反應器結構簡圖如圖1所示，對于MABAR來說，整個體系包括5個系統（供氣系統、進水系統、光源系統、混合系統和生化系統）。其中，供氣系統用于向生物反應器供應純氧氣。氧氣轉移測試在2 L反應器中進行。通過純氮氣吹掃超純水（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出線性關系，這代表曝氣量高于5 mg/L時會產生氣泡。在此基礎上，采用相關的斜率來計算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個獨立的LED燈代替日光（光源系統）。利用磁力攪拌裝置使整個反應器處于完全混合狀態（混合系統）。生化系統是整個MABAR的核心，既充當膜曝氣生物膜反應器又充當光生物反應器。生化系統的結構為：2.0 L的矩形有機玻璃容器，0.2 L的膜組件浸沒在反應器內，膜組件填充率為10%，因此，總工作容積為1.8 L?？梢源蜷_該反應器的蓋子來監測反應器內溶解氧（DO）和pH值。膜組件參數示于表1。

而對于HABAR來說，供氣系統將不再由膜組件擔當，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，膜組件只充當生物生長的載體。

1.2 菌藻共生污泥的培養

菌藻共生系統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際運行第一階段（S1）一致，運行時間為15 d。將培養好的菌藻共生污泥接種到兩類反應器內進行掛膜，接種混合懸浮液（MLSS）的濃度為1 500 mg/L。生物膜掛膜15 d后，反應器中所有懸浮的固體均被排出，開始試驗階段。

1.3 實驗設計

兩類菌藻膜光生物反應器以續批式反應器的模式運行，包括進水0.5 h，反應22 h，沉淀1 h，排水0.5 h。運行溫度與室溫相同，為（26±2）℃，以此來節省能源。兩個菌藻膜光生物反應器每天從10：00到21：00進行11 h的光照，這個過程是通過4個獨立的LED燈代替日光來完成的，其光強度為5 000 lx[16]。另外，反應器體積交換效率保持在80%，水力停留時間（HRT）為30 h[17]。每個進水條件持續時間為45 d，總運行時間為225 d。配水所需的化學成分分別為NaHCO3 300～600 mg/L、MgSO4·7H2O 65 mg/L、CaCl2 7 mg/L。微量元素配比為：H3BO3 2.86 mg/L、MnCl2·4H2O 1.86 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、Na2MoO4·2H2O 0.39 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L和Co（NO3）2·6H2O 0.05 mg/L。COD的成分為CH3COONa，NH+4-N由NH4Cl提供，PO3-4-P由KH2PO4提供。處理過程中，進水水質的詳細信息如表2所示。試驗中的配水濃度是根據市政廢水的各類污染物濃度進行配置的，各階段的配置理由如下：階段1為初始適應階段，本階段中，主要考慮的是低碳氮比廢水中的反硝化過程受到限制時兩反應器的處理效能。進入階段2后，有機碳增加，這時系統進入正常生活污水的污染物濃度范圍。階段3考察高有機碳濃度對系統處理效能及穩定性的影響。階段4考察氨氮驟增對系統處理效能及穩定性的影響。階段5考察高濃度碳氮磷沖擊對系統處理效能及穩定性的影響。試驗的創新在于：首先，運行過程是長期的，共有5個階段，包括低有機碳階段（S1）、普通有機碳階段（S2）、高有機碳階段（S3）、高氨氮階段（S4）、沖擊階段（S5）;其次，不但有膜曝氣支撐的菌藻生物膜系統（MABAR），還增加了對照組曝氣頭支撐的菌藻生物膜系統（HABAR）;考察了廣泛的污染物種類，弱化了對藻類生長的研究，著重考察出水水質和系統穩定性。

1.4 分析方法

為了評估反應器內pH值和DO對污染物去除的影響，采用pH計（德國PB-21）和DO計（德國WTW的Oxi3210）來監測pH值和DO。此外，利用納氏試劑分光光度法（T6， Puxi， 中國）檢測NH+4-N，利用離子色譜（Integerion HPIC， TheromFisher， 美國）監測PO3-4-P，利用快速消解分光光度計（T6， Puxi，中國）測定進出水COD值，利用TOC/TN儀（TOC-TN， Shimadzu， 日本）測量TN和IC。以上監測的污染物（除PO3-4-P）在測量之前都通過0.45 μm濾膜過濾去除懸浮物質。利用離子色譜測量PO3-4-P濃度前，水樣要使用0.22 μm濾膜過濾。

使用丙酮溶液萃取法[18]測量生物膜上葉綠素a（Chl-a）含量，評估藻類生長水平。與此同時，還考察了反應器內的生物量，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反應階段的生物組成[19-20]。從5個階段生物反應器中共收集10個樣品（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），根據制造商的說明提取總DNA。然后，將上述提取的DNA用于PCR擴增，擴增引物為338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和806R：（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）。使用Miseq對獲得的PCR產物進行測序，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檢驗來評估各組之間污染物去除效能與統計學上的顯著性差異（r <0.05）之間的可能聯系。

2 結果與討論

2.1 系統內有機碳的去除和無機碳的保留

通過分析系統內DO以及有機碳的去除和無機碳的保留度來考察兩種曝氣方式在5個階段對碳元素去除效能及系統穩定性的影響。其中的結果見圖2和表3。

S1屬于低有機碳階段，兩類反應器中的COD出水濃度相似，都低于30 mg/L，這會導致兩系統所供給的溶解氧遠遠高于微生物碳化有機碳所需要的溶解氧。因此，在這一階段里，兩種曝氣模式下反應器內溶解氧的含量都大于2 mg/L，在HABAR中甚至達到8.23 mg/L。但在這個階段內，出水無機碳的濃度卻相差甚遠。第1階段結束時，HABAR和MABAR中無機碳含量分別為8.4、56.2 mg/L。這是因為膜曝氣系統具有的無吹脫特點避免了運行過程中無機碳以二氧化碳的形式被不斷吹脫。相關報道認為，污水中無機碳濃度低于50 mg/L時，藻類的生長會受到限制[21]。因此，HABAR中所剩余的無機碳不能支持藻類的大量積累。

進入S2后，有機碳濃度上升至250 mg/L，由于變化并不大，兩反應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）。有機碳的增加，也為無機碳的產生提供了原始物質。因此，在S2中，HABAR中所剩余的無機碳濃度雖然仍沒有MABAR中多，但已經可以滿足藻類的生長需求（81.2 mg/L）。與此同時，由于有機碳的增加，所消耗的溶解氧也在增加，在此階段，兩反應器內溶解氧的濃度開始下降，分別為1.13 mg/L（MABAR）、5.34 mg/L（HABAR）。

S3進一步增加COD至約400 mg/L。HABAR在本階段后期出現了有機碳氧化不足的現象，出水濃度開始大幅度提高。而MABAR中卻規避了這個現象。這是膜曝氣有能力碳化高濃度有機物的證據。在這個階段，有機碳的再次上升，加速了溶解氧的消耗，兩反應器中的溶解氧分別下降至0.42 mg/L（MABAR）和1.41 mg/L（HABAR）。

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

進入S5后，進水COD濃度達到約800 mg/L，對整個系統都產生沖擊。兩反應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到較低水平，本階段結束時維持在37.3 mg/L。但HABAR中已經呈現COD出水超標的現象，出水COD最高可以到達160 mg/L左右。由于充足的進水有機碳，反應器的pH值出現大幅上升，甚至超過8.0的現象。就本節來看，除了HABAR在S1中無法為藻類提供足夠的無機碳，其余的運行條件都能滿足藻類生長的基本條件。另外，MABAR系統在有機碳脫除方面有著極大的優勢，并有足夠的能力抵抗外來沖擊。

2.2 營養元素的去除效能

營養元素，包括氨氮，總氮和磷酸鹽，是評價出水水質的重要指標。結合有機碳去除和無機碳保留來討論兩類反應器內營養元素的去除效能和機理。其結果展示在圖3中。

第1階段內，兩類反應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。其去除機理如下：因為進水有機碳濃度未干擾到體系內硝化環境，溶解氧充足（表3），所以，在此階段內，硝化過程成為HABAR反應器中氨氮去除的主要方式。對于藻類同化而言，此階段HABAR反應器中藻類積累量過于低（圖4），所以相對于硝化過程，藻類對氨氮的攝取貢獻不大。相對于HABAR，MABAR在S1中對氨氮的去除方式不僅有硝化，還有藻類同化。這一點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））。在有機碳相同的條件下，兩反應器中硝化反硝化的效能相似，但兩反應器的總氮去除相差較大，MABAR的出水總氮比HABAR低21.22 mg/L。該結果表明，在較低有機碳、反硝化過程受限的條件下，膜曝氣支持的菌藻生物膜反應器相對于普通曝氣方式具有更好的總氮去除效能，而這個過程更多地依賴于藻類的同化。另外，在膜曝氣系統內，沒有排泥過程，導致磷的去除只能依靠藻類的同化作用，因此可以認為磷酸鹽的去除與藻類生長呈正相關。本階段，磷酸鹽的去除在兩類反應器中有明顯差距，最高相差1.62 mg/L，從側面證明MABAR中積累了更多的藻同化磷酸鹽。

進入S2后，盡管進水有機碳有所增加，但未對氨氮去除產生明顯干擾，在90 d的運行過程中，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，并在本階段結束時達到總氮的去除效果與MABAR持平，兩反應器出水總氮分別保持在13.00、14.57 mg/L。同時，由于反硝化明顯，產堿量上升，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可以將出水總氮保持在15 mg/L以下，進入最優的運行狀態。另外，對于磷酸鹽來說，更多的有機碳為PHB的合成提供了基礎底物。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。本階段結束時，HABAR和MABAR出水磷酸鹽濃度分別為1.98、4.35 mg/L。

進入S3后，有機碳大幅度上升，有機物對硝化細菌的影響開始加劇，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，藻類的同化作用在氮元素去除方面起主要作用。本階段內，MABAR出水總氮濃度達到本實驗中最低，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果。從前3個階段來看，MABAR出水總氮總是保持在較低的水平，相對于HABAR來說，受到有機碳的影響較低，尤其是在有機物不足的情況下。這3個階段證明了膜曝氣系統有著較強的維持系統穩定的功能，這一現象歸結于兩個方面：第一，膜曝氣本身具有的短程硝化優勢，在低有機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定的環境，藻類的大量積累可以同化更多的氨氮，而這個過程不受到有機物的限制[8]。

S4增加了進水氨氮和總氮的濃度，并降低了進水COD的濃度。這個過程是為了進一步比較外來沖擊對兩種反應器中氮元素去除的影響。顯然，在開始階段，兩種反應器都受到了較明顯的沖擊，出水營養元素濃度驟升。但在一定時間后，MABAR中無論是氨氮還是總氮，都開始呈現明顯的下降趨勢。而HABAR系統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：第一，在長期的曝氣過程中，二氧化碳的不斷吹脫，無機碳的不斷損失，系統內已經出現硝化菌生長受限的狀況，這一點從無機碳剩余量（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，隨著無機碳的損失，藻類積累也呈現下降趨勢，同化過程也在一定程度上開始減弱;第二，較高濃度的氨氮進入系統內，抑制了硝化過程，造成大量氨氮剩余。本階段中的有機碳量處于較低狀態，在普通曝氣條件下，很快被異養菌分解，導致反硝化過程的有機物缺失。而膜曝氣支撐的生物膜系統因為異向傳質的存在，能夠避免在反應一開始就大量消耗有機物，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，總氮的去除也未達到良好狀態，僅維持在50%左右。磷酸鹽方面，有機碳的不足導致PHB合成受限、藻類積累受限，兩系統對磷酸鹽的吸收受到嚴重抑制[23]。在本階段結束時，HABAR和MABAR出水磷酸鹽濃度分別為2.91、4.47 mg/L。

進入沖擊階段（S5）后，無論是氮元素還是磷元素，都因受到沖擊而產生出水惡化現象。但MABAR所受沖擊要遠小于HABAR，尤其是氨氮和總氮的去除。另外，MABAR恢復速度也遠遠高于HABAR。與S4比，兩反應器的氨氮去除效能都有所下降，這是因為有機物的濃度大幅度提升已經干擾到了正常硝化過程，出水氨氮濃度維持在48.13 mg/L。而對于MABAR來說，硝化作用仍然存在，但作用已經很微弱，此階段內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。這一點也可以從磷酸鹽方面看出，盡管進水磷酸鹽濃度已經達到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，并且在受到沖擊后會迅速恢復到平穩狀態。這不僅僅是因為膜曝氣本身無吹脫，也是因為藻類生長與氧擴散的不同方向為藻類提供了良好的生存環境，進一步完成系統內的脫氮除磷。

2.3 藻類及生物量積累

觀察每個階段生物膜中藻類積累量是評估藻類生長的重要指標。與此同時，我們還考察了相對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碳，藻類的積累量只有1.54 mg/cm2，為同時段MABAR的1/5。由于有機碳濃度較低，異養菌積累不明顯，Chl-a/Biomass的值在兩種反應器內也處于較低狀態，分別為0.77 （MABAR）和0.57 （HABAR）。進入S2后，整個體系無機碳在增加，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，兩反應器內總氮去除水平相持平歸因于藻類的積累量相似。此時HABAR中的Chl-a/Biomass值也大幅上升，增至1.99。這說明此時的環境因素為HABAR中藻類生長提供了最佳生活環境。進入S3后，MABAR中藻類的積累量依然保持上升，在本階段結束時，穩定在20.95 mg/cm2。而HABAR生物膜中的藻類濃度開始下降。這可能是因為HABAR不能快速地碳化有機物，造成反應器中濁度增加，減弱了光照強度。這也可以從Chl-a/Biomass中看出，此階段繼續增加的有機碳導致異養菌的快速繁殖，從而產生較高的生物量，導致Chl-a/Biomass迅速下降至0.79。當S4中降低了有機物的濃度，增加了氨氮的進水濃度時，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：這兩個階段的有機碳濃度一致，而S4中氨氮的濃度是S2的一倍。有報道稱高濃度的氨氮可以抑制藻類的增殖，導致了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值受到進水有機碳的影響十分顯著。有機物的增長為異養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卻一直保持平穩狀態，更能適應外界的沖擊。S5中碳氮磷的濃度都大幅上升，為藻類提供了充足的營養成分。MABAR中藻類的積累量也有顯著增加，達到29.46 mg/cm2，是HABAR中的兩倍。這表明當營養物質和無機碳不再成為藻類生長的限制時，MABAR可以為藻類的生長提供更加穩定的場所。整體上看，MABAR中藻類的積累量隨著有機碳的增加而增加，這在以前的研究中得到過證明[24]：膜曝氣系統中有機碳可以促進藻類的生長和積累。但HABAR中，藻類的生長與有機物的含量并未出現明顯的相關關系，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定的環境來促使藻類積累。

2.4 生物群落分析

為了解兩反應器中微生物群落的多樣性，深入分析污染物去除的微觀機理，檢測了門、綱和屬3個水平下的細菌分布并展示在圖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中呈現隨有機碳的增加豐度先增后降的趨勢，而綠彎菌門呈現先降后升的趨勢。據報道，擬桿菌門可以在藍細菌（Cyanobacteria）的裂解中起作用，并且藍細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個階段內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中放線菌門相對于MABAR呈現較低的含量。與此同時，細胞破裂后產生毒性的藍藻菌門（Cyanobacteria）產生大程度積累。在前4個階段內HABAR比MABAR在藍藻菌門豐度上多1.90%、29.70%、16.61%和14.58%。進入第5階段后，由于HABAR中放線菌門的提升，藍藻門受到抑制，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個階段內分別為1.07%、0.30%、0.15%、3.01%和0.56%。很明顯，隨著有機物的升高，硝化菌積累量開始下降。這是因為有機碳的提升為異養菌提供了充足的底物，異養菌開始大量增殖。這也可以從生物量積累部分看出。異養生物量的增加，開始與硝化菌爭奪氧氣，硝化細菌積累量開始下降。與此同時，氨氮的提升也會刺激硝化菌門的不斷增加[27]，在第4階段，硝化細菌的增長量開始大幅上升，也是歸功于氨氮的增加和有機物的減少。相對于MABAR，HABAR中硝化菌門不但受到有機物的抑制，還受到不斷的曝氣吹脫造成的無機碳損失的影響。5個階段內，HABAR中硝化菌門積累量分別為15.00%、1.06%、0.37%、1.08%和0.00%。相對于MABAR來說，除了第1階段有機碳含量低，其余階段硝化菌門的數量都有顯著降低。尤其是S4，氨氮的去除效果受到了硝化菌的限制，這是因為膜曝氣中硝化菌門積累在生物膜內部，藻類對其影響較低。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，自養的微藻會與自養的硝化菌相互競爭生長物質。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，造成在各個階段都不如MABAR的現象。這個結果也證明了膜曝氣有利于硝化菌門的穩定生長。另外，從門水平上看，兩種不同的曝氣方式中，菌群的結構有著顯著差異。

與此同時，調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）具有產生膠狀EPS和將細胞結合在一起的能力。此外，γ-變形桿菌也是重要的反硝化細菌[28]。因此，隨著有機碳的不斷增加，γ-變形桿菌的積累量也在增加，在S5中MABAR和HABAR分別達到了32.48%和52.44%。

為了進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。據報道，Acidovora和Rhodobacter可以與微藻共存，且Acidovorax包含許多促進藻類生長的菌種，可與微藻形成共生關系[29]。而不動桿菌屬（Acinetobacter）被證實是在某些藻類細菌培養物中促進藻類生長的細菌，并且它們通過產生糖化酶來去除氮和水解碳水化合物[19，30]，加速有機碳的碳化過程。在前5個階段，相對于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%。從數據上來看，相對于HABAR，這3種菌屬在MABAR中有著較為明顯的提升。但在S5時，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 結論

通過比較在不同進水條件下，普通曝氣（HABAR）和膜曝氣（MABAR）支撐下的菌藻生物膜反應器的處理效能和穩定性，提出以膜曝氣為核心的菌藻生物膜反應器。結果顯示，MABAR對氨氮、總氮、磷、COD的處理效能相對于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可以更快地適應沖擊，迅速恢復到較良好的出水水質。藻類積累方面，MABAR的無吹脫和強大的有機碳碳化能力保留了更多的無機碳，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穩定性狀態。

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（編輯 王秀玲）