微藻-细菌动态膜系统提升脱氮性能及缓解膜污染机制研究

本研究创新性地构建了基于小球藻与菱形藻的微藻-细菌动态膜生物反应器（DMBR），系统解析了两种藻类在部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）体系中对脱氮效率与膜污染特性的差异化影响。研究发现小球藻系统（R1）在70 mg/L NH4+-N负荷下总氮去除率（TNRE）达81.5%，但其较小粒径（4–6 μm）导致膜污染速率较高；菱形藻系统（R2）虽TNRE较低（66.9%），但其胞外聚合物特性显著缓解膜污染。研究为优化藻类选择以协同提升DMBR脱氮效能与运行稳定性提供了关键依据。

　　

Highlight

Bioreactor setup and operation

本研究采用两个相同的丙烯酸酯圆柱形反应器（R1和R2），有效容积均为3升，直径为20厘米。反应器结构与运行模式详见补充材料。进水为合成废水，其组成包括：NH₄Cl（浓度根据实验调整）、NaHCO₃（500 mg/L）、MgSO₄·7H₂O（300 mg/L）、CaCl₂·2H₂O（180 mg/L）、KH₂PO₄（27 mg/L）、微量元素I（1 mL/L）和微量元素II（1 mL/L）。

Domestication of PN system stage

如图1所示，R1和R2的出水脱氮效率呈现显著差异。初始阶段为期50天，目标为部分硝化（PN）系统的驯化。初期，两反应器均将出水NH₄⁺-N浓度降至3 mg/L，对应氨去除效率（ARE）达94.0%。原因在于初始污泥取自污水处理厂好氧段，为成熟的全硝化污泥。通过抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）并筛选氨氧化菌（AOB），系统逐步向部分硝化模式过渡。

Conclusions

对比小球藻（R1）与菱形藻（R2）在微藻-细菌部分硝化/厌氧氨氧化动态膜系统中的表现，在进水NH₄⁺-N浓度为70 mg/L时，R1实现了更高的总氮去除率（TNRE）（81.5%）。AOB和NOB的优势菌属分别为Nitrosomonas和Nitrospira。R1形成疏松的污染层，但小球藻较小粒径导致不可逆膜污染；相反，R2的TNRE较低（66.9%），Nitrospira丰度为2.37%。R2因菱形藻较大尺寸（20–30 μm）及胞外聚合物中较低蛋白质/多糖比例，显著缓解了膜污染。