藻菌共生膜曝气生物膜反应器（AB-MABR）强化低C/N废水脱氮的协同机制与效能研究

为解决低碳氮比（C/N）废水脱氮效率低、传统工艺依赖外源碳源等问题，研究人员开发了藻菌共生膜曝气生物膜反应器（AB-MABR），通过整合微藻自养脱氮与细菌异养反硝化，在C/N=4时实现最优脱氮效能（藻类同化贡献达50%），并揭示了微生物活性（SOUR/SOGR）提升、群落结构稳定性增强及氮代谢功能基因富集等协同机制，为低碳污水处理提供了创新技术路径。

　　

氮污染治理的困境与突破
随着农业化肥和含氮产品的广泛使用，污水中的氮负荷持续攀升，而低碳氮比（C/N）特征使得传统生物脱氮工艺陷入两难：硝化需大量曝气能耗，反硝化又因碳源不足效率低下。更棘手的是，补充外源碳源会抬高成本，而单纯延长水力停留时间（HRT）可能导致碳源进一步耗竭。微藻与细菌的共生系统曾被寄予厚望——藻类光合产氧可驱动硝化，分泌的胞外聚合物（EPS）又能为反硝化菌提供碳源。然而，藻菌生长速率失衡、传统曝气干扰生物膜稳定性等问题，始终制约着该技术的实际应用。

创新融合：当藻菌遇见膜曝气
来自河北和天津的研究团队独辟蹊径，将藻菌共生系统与膜曝气生物膜反应器（Membrane Aerated Biofilm Reactor, MABR）技术结合，构建了藻菌共生膜曝气生物膜反应器（AB-MABR）。这一设计巧妙利用了MABR的两大特性：一是膜表面作为生物膜载体可防止藻菌流失，二是无泡曝气减少了对藻类附着的干扰。通过对比传统MABR（B-MABR），研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究证实，AB-MABR在C/N=2、4、6条件下均表现出更优脱氮性能，尤其在C/N=4时脱氮效率提升最为显著。

关键技术方法
研究采用Chlorella sp.藻种与活性污泥共培养，通过扫描电镜（SEM）观察生物膜形态，结合氨氮去除动力学分析量化藻类同化贡献。采用比氧摄取率（SOUR）和比生长速率（SOGR）评估微生物活性，并通过高通量测序解析群落结构与功能基因分布。

研究结果
1. 污染物去除效能分析
AB-MABR在C/N=4时总氮去除率显著高于B-MABR，藻类同化贡献占比达50%。反应器内叶绿素a（Chl-a）浓度稳定在300μg/L，SEM显示生物膜结构致密。

2. 微生物活性与群落特征
AB-MABR中微生物生物量浓度提高，SOUR和SOGR值显著增加，表明藻类引入增强了系统代谢活力。群落分析显示，脱氮功能菌（如Nitrosomonas）与藻类促生菌富集，且群落结构稳定性更高。

3. 功能基因预测
藻类存在上调了氮转移通路相关基因（如narG、nirK）的表达，证实了藻菌代谢互作对脱氮的协同增强效应。

结论与意义
该研究揭示了AB-MABR中藻菌通过物理共生（生物膜载体）、代谢互补（O₂/EPS交换）和基因调控三重协同机制实现高效脱氮。尤其在C/N=4时，藻菌生长达到动态平衡，为低C/N废水处理提供了无需外源碳源的可持续解决方案。技术推广后，有望降低污水处理厂30%以上的曝气能耗，助力“双碳”目标实现。