微藻在再生废水处理厂中的生长：一个不可忽视的水资源安全问题

《Journal of Choice Modelling》：Microalgae growth in reclaimed wastewater treatment plants: an unneglectable water security issue

　　

张楠|刘秀红|齐琳雪|杨青|张世勇|荆如贤|王亚欣

北京工业大学北京水质科学与水环境修复工程重点实验室，中国北京 100124

摘要

藻类不仅在碳封存和减排方面发挥着关键作用，同时也是水质恶化和富营养化的始作俑者。迄今为止，很少有研究关注再生污水处理厂（RWWTPs）中微藻的存在、数量以及微生物-微藻之间的相互作用。本研究调查了三个典型RWWTP在不同季节中的细菌和微藻群落组成及其相互作用。结果表明，RWWTP的进水不仅含有细菌，还含有微藻，且微藻群落存在时间变化。主要包含硅藻门、蓝细菌门和绿藻门的微藻在三个RWWTP中广泛存在。微藻和细菌的群落组成受到工艺类型、运行参数、季节和环境条件等因素的影响。相关性分析显示，硅藻门、蓝细菌门和绿藻门与酸杆菌门、粘球菌门、硝螺菌门和浮霉菌门呈正相关，而蓝细菌门和绿藻门与帕特斯西细菌门呈负相关。值得注意的是，在RWWTP的出水中检测到了Cyclotella、Fragilaria和Synechococcus等藻类，这可能表明存在有害藻华等潜在的环境风险。这些结果强调了在RWWTP监测中更多关注微藻生长与控制的重要性。此外，在RWWTP中检测到微藻及其在不同处理单元中的分布特征，暗示了在实际污水处理中应用细菌-微藻共生系统的可行性。

引言

藻类广泛存在于大气、陆地和水生环境中，在全球碳固定过程中起着关键作用（Djemiel等，2020年）。由于藻类在自然水生生态系统中分布广泛且数量庞大（S. Wu等，2023年；Zhao等，2022年），长期以来人们一直关注并研究在饮用水的收集、处理和输送过程中对藻类生长的监测和控制，以确保饮用水安全（Erratt等，2022年；Zhang等，2022年；Zhou等，2020年）。科学家和工程师也长期致力于去除废水中的氮（N）和磷（P），以防止藻华引起的富营养化（Dai等，2022年）。关于从废水中去除有机物、氮和磷的众多研究已经展开（T. Wu等，2023年）。藻类在碳封存和减排方面具有重要作用。然而，藻类也可能成为水质恶化和富营养化的关键驱动因素。尽管如此，研究人员更多关注的是从废水中去除氮和磷，而废水及污水处理厂（WWTPs）中藻类生长的动态长期以来被忽视。很少有研究关注废水输送和处理过程中藻类的生长和分布情况。

日常生活中，少量的藻类可能通过生活污水进入污水系统。人们一直认为藻类无法在缺氧和黑暗的污水环境中生存。然而，除了光合作用外，藻类在黑暗条件下也能进行异养生长（Perez-Garcia等，2011年；Pessi等，2023年）。由于WWTPs收集并处理所有生活污水，因此藻类很可能存在于进水中。服务区域、居民的生活习惯和环境条件可能会影响不同WWTP中藻类的群落结构和数量。然而，目前尚未有关于污水管网和WWTP进水口中是否存在藻类的报道。

缺水严重的城市不仅需要进行污水处理，还需要采用先进的污水处理技术。即使在某些城市，WWTP的出水也需要达到地表水质量标准，以缓解和防止富营养化。具有去除有机物、氮和磷能力的功能性细菌群落在污水处理过程中受到了广泛关注（Dai等，2022年）。所有用于污水处理的技术都不同程度地增强了微生物对氮和磷的去除效果。关于废水和再生污水处理过程中相关的理论及微生物群落结构已进行了深入研究（Dai等，2022年；Zhang等，2012年）。然而，在污水处理过程中藻类的生长长期被忽视。在许多WWTP中，由于二次沉淀池（SSTs-SN）良好的光照透过性、营养物质（如氮和磷）以及缓慢的水流条件，可以在上清液中直接观察到大量藻类。常用的三级处理技术，如反硝化生物滤池（DNF）、布袋滤池（CF）和砂滤池（SF）更有利于藻类的生长（Du等，2023年；Zhu等，2021年）。此外，在这些设施的某些区域几乎可以看到藻类。迄今为止，科学家更多地关注水库、接收水体和天然水体中的藻类生长（S. Wu等，2023年；Xin等，2023年；Zhao等，2022年）。值得注意的是，WWTP和再生污水处理厂（RWWTP）出水中的藻类将直接进入接收水体，可能会对区域富营养化构成潜在威胁。然而，几乎没有任何研究关注这个问题。

因此，本研究的目的如下：（1）确定RWWTP进水中的微藻和细菌群落多样性；（2）分析不同时间和空间条件下微藻和细菌群落的变化；（3）探讨细菌与微藻之间的相互作用；（4）查明微藻是否在RWWTP中普遍存在，以及不同工艺类型对细菌和微藻群落结构的影响。

章节摘录

三个典型的城市关键RWWTP

本研究选择了三个典型的RWWTP，分别是G-RWWTP、X-RWWTP和W-RWWTP（位于中国北京），它们分别负责不同区域的市政污水处理，其接收水体分别为通惠河、凉水河和新开运河。这三个选定的RWWTP的服务区域完全不含工业企业，其进水仅来自居民区的生活污水。

RWWTP进水中微藻和细菌群落的多样性

为了确定RWWTP进水中的细菌和微藻群落多样性，分别在1月、3月和4月对G-RWWTP进行了高通量微生物测序分析。

结论

本研究探讨了三个典型RWWTP中微生物组随季节的变化。结果表明，微藻在RWWTP中被收集、传输并繁殖。RWWTP的进水不仅含有大量细菌，还含有微藻，且进水中的微藻和细菌群落组成随时间发生变化。此外，微藻在RWWTP中广泛存在，其群落组成和相对丰度也有波动。

启示

• (1)
  在RWWTP中检测到微藻及其在不同处理单元中的分布特征，证实了细菌-微藻共生系统在实际污水处理中的可行性。这进一步表明这种新型细菌-微藻共生系统在大型污水处理厂应用中的巨大潜力。
• 细菌与微藻之间的相互作用关系为相关研究提供了理论支持。

CRediT作者贡献声明

张楠：撰写——初稿、方法论、调查、数据管理。刘秀红：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金争取、概念构思。齐琳雪：方法论、调查、数据管理。杨青：资源管理、项目协调。张世勇：数据可视化、软件应用。荆如贤：数据可视化、数据分析。王亚欣：数据可视化、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52270018）和北京工业大学北京都柏林国际学院的共同支持。