冷冻藻菌颗粒污泥在快速启动微咸水水产养殖废水处理系统中的可行性与性能

《Bioresource Technology Reports》：Feasibility and performance of frozen algal-bacterial granular sludge for rapid startup of brackish aquaculture wastewater treatment system

本研究评估了利用冷冻（-20℃）保存盐耐受性藻菌絮体（ABGS）处理咸水养殖废水（BAW）的可行性。经24天解冻适应后，R1（freshwater培养絮体）和R2（BAW培养絮体）的CODMn去除效率均接近100%。R1恢复TIN去除效率94.5%、PO4^3?-P去除效率70.0%；R2恢复分别为87.8%和75.8%。R1因丝状菌（如Saprospiraceae）富集导致絮体沉降性恶化，而R2保持良好沉降性，可能与盐耐受菌（Proteobacteria）及藻类丰富性相关。研究表明冷冻再激活策略可快速启动ABGS系统处理BAW，但需进一步优化。

　　

刘永杰|柯忠成|何蕾蕾|方淑琪|黄文丽|雷忠芳|杨飞|黄薇薇

中国海南省海口市海南大学环境科学与技术学院农业林业环境过程与生态调控重点实验室，邮编570228

摘要

本研究评估了使用冷冻（-20°C）技术保存耐盐功能菌在藻-细菌颗粒污泥（ABGS）中的活力和功能的可行性，以快速启动处理微咸水养殖废水（BAW）的工艺。经过24天的冷冻复活适应期后，R1组（新鲜水产养殖废水，FAW）和R2组（BAW）均表现出稳定的性能，并且其冷冻前的高锰酸盐指数（COD_Mn）去除效率几乎完全恢复。R1组恢复了94.5%的冷冻前总无机氮（TIN）去除率和70.0%的PO₄^3?-P去除率，而R2组分别恢复了87.8%和75.8%的去除率。丝状微生物（如norank_f__Saprospiraceae、Leptothermofonsia和Jaaginema）的快速生长导致R1组的颗粒沉降性恶化及生物量损失。相比之下，尽管R2组的生物量积累速度较慢，但其颗粒稳定性良好。R2组ABGS的良好沉降性可归因于EPS分泌细菌（变形菌门）的富集以及藻类种类的增加。参与有机碳代谢、磷去除和硝化-反硝化的关键耐盐细菌在R2组中得到了有效保存。冷冻复活技术显示出作为快速启动BAW处理ABGS工艺的潜力，尽管仍需进一步优化以确保功能完全恢复。

引言

微咸水养殖产业已成为全球水产养殖的重要组成部分，能够以相对较低的成本养殖高价值物种，并利用边际土地（Ray等人，2025年）。然而，其快速发展引发了人们对微咸水养殖废水（BAW，盐度为0.5%至3%）处理的紧迫关注。藻-细菌颗粒污泥（ABGS）是处理咸水废水的一种有前景的方法。与传统活性污泥（AS）相比，ABGS具有更密集、更紧凑的结构，从而增强了其对盐度的耐受性并提高了整体处理效果。此外，ABGS中的藻类不仅提高了颗粒的稳定性，还增强了其去除营养物质的能力（刘等人，2023年；孟等人，2019年；张等人，2025年）。尽管具有这些优势，ABGS仍面临颗粒形成缓慢和在渗透压应力下易分解的挑战（孟等人，2019年）。因此，开发耐盐ABGS对于提高其在BAW处理中的应用至关重要。

过去十年中，研究探讨了盐度对ABGS稳定性和性能的影响。孟等人（2019年）发现，形成成熟ABGS所需的时间随NaCl浓度的增加而延长：在0%盐度下需要20天，在1%盐度下需要30天，在2%盐度下需要50天，在3%盐度下需要80天。耐盐ABGS的形成依赖于关键的微生物群体，包括耐盐营养物质去除菌、有效的胞外聚合物物质（EPS）产生菌和信号分子生成菌（陈等人，2025年）。将好氧颗粒污泥（AGS）或现有的ABGS适应咸水条件比直接从AS培养更快，这利用了现有微生物群落的适应性，从而更快地形成稳定且耐盐的ABGS。孟等人（2020年）在一个连续流反应器中逐步将盐度从0%增加到2%，使用AGS作为种子，结果ABGS的性能稳定，并且耐盐微生物（如Denitromonas、Halomonas、Nitzschia和Navicula）得到富集。张等人（2025年）证明，淡水培养的ABGS在30天内就能在1.5%盐度下稳定处理BAW，总磷（TP）去除效率达到60%，总无机氮（TIN）去除效率达到70%，化学需氧量（COD）去除效率达到98%。尽管通过AGS或ABGS进行适应有效，但获取新鲜AGS/ABGS并将其长距离运输以启动新的BAW处理设施既昂贵又不方便。

冷冻是一种通过减缓微生物代谢来保存颗粒中关键菌种的有效策略，从而维持其活力和功能。解冻后，这些微生物会迅速恢复代谢活动，恢复颗粒的污染物降解能力。例如，在-20至-80°C下冷冻且不添加任何保护介质可以有效地保持AGS的结构完整性，微生物群落在12天内即可快速恢复代谢潜力（Tanavarotai等人，2022年）。最近的一项研究验证了一种冷冻保存方案（最初在二甲基亚砜或甘油溶液中冷冻-80°C，然后冷冻干燥并在4°C下储存），可以保持36种微污染物的关键功能微生物群体和生物转化潜力（Kalt等人，2025年）。然而，虽然大多数菌株在-20°C下冷冻40天无需保护介质即可存活，但某些细菌群（如Verrucomicrobiaceae和Rhodocyclaceae）的活性会降低，而具有强黏附能力的Xanthomonadaceae等菌株则会得到富集（Lv等人，2013年）。此外，刘等人（2022年）证明，在去离子水中将ABGS冷冻-25°C可以保持目标藻类（Scenedesmus）的活力。沈等人（2021年）进一步表明，水冻的ABGS在充氧和非充氧条件下都能成功恢复。现有研究表明，冷冻作为ABGS保存策略的实用性和有效性。然而，大多数关于ABGS复活的研究都集中在淡水培养的颗粒上。迄今为止，尚未系统探讨过耐盐ABGS等功能化ABGS的冷冻和复活的可行性和有效性。

本研究旨在探讨冷冻作为耐盐ABGS保存方法的潜力，并评估解冻后的复活性能，以期为快速启动微咸水和咸水废水处理系统提供见解。

实验部分

耐盐ABGS的培养

使用来自当地污水处理厂的活性污泥（AS）作为接种剂，培养了两个圆柱形光测序批式反应器（PSBRs，直径6厘米×高度110厘米，工作体积2.0升）中的ABGS。两个反应器的设置如下：R2组使用合成BAW（盐度1.5%，w/v）进行培养，作为实验组；R1组使用合成淡水养殖废水（FAW）进行培养，作为对照组。反应器的操作条件如下：

ABGS的生物量和沉降性生长

图1a显示了实验过程中R1和R2组MLVSS浓度的变化。在R1组中，MLVSS从第8天的1.3克/升下降到1.2克/升，这可能是由于微生物对复活环境的适应。随后在第32天达到2.0克/升的峰值，然后在第52天持续下降到1.1克/升。这一模式与Zeng等人（2025年）的研究结果一致，他们研究了在原位湿储存60天后AGS的复活情况。他们报告称MLVSS有所增加

结论

本研究表明，冷冻的ABGS在FAW和BAW中均可在24天内复活。然而，R1组和R2组在沉降性、污染物去除效率和微生物群落结构方面存在显著差异。R1组恢复了99.9%的原始COD_Mn去除效率和94.5%的TIN去除效率，但沉降性有所恶化，这可能是由于丝状norank_f__Saprospiraceae、Leptothermofonsia和Jaaginema的富集。

CRediT作者贡献声明

刘永杰：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据分析。柯忠成：方法论。何蕾蕾：软件开发。方淑琪：验证。黄文丽：资金获取、数据管理。雷忠芳：概念构思。杨飞：监督。黄薇薇：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。

未引用参考文献

陈等人，2023年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了海南省科学技术专项资金（ZDYF2023GXJS165）和国家自然科学基金（52470039）的财政支持。