膜光生物反应器强化处理低碳氮比生活污水：微藻-细菌共生协同去除污染物及抗生素抗性基因的操作调控策略

本研究创新性地构建微藻-活性污泥膜光生物反应器（MPBR）系统，通过优化内循环流速（ICFR=13.5 m3/d）实现低碳氮比生活污水中污染物（NH4+-N去除率99.48%）与抗生素抗性基因（ARGs）的协同去除，为碳中和目标下废水处理与风险控制提供碳高效型解决方案。

　　

Highlight

实验装置与材料

本研究基于先前设计的MPBR系统，该系统由活性污泥-微藻复合区域和膜组件构成（Li等，2024a）。小球藻（Chlorella vulgaris）突变株HM-3#通过兰州重离子加速装置（HIRFL）以80 MeV/u的12C⁶⁺重离子束诱变获得。该菌株在连续流处理系统中已展现对常规污染物的高效去除能力。接种的活性污泥取自城市污水处理厂好氧池，经15天驯化后使用。合成污水模拟低C/N（COD/TN=3.5）生活污水特性，包含葡萄糖、乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾及微量元素。MPBR系统总容积10L，其中微藻区与污泥区容积比为2:1，通过内循环泵实现两区水力联通。系统在25±1°C、光照强度120 μmol/m²/s、光暗周期12h:12h条件下运行。

MPBR对常规污染物的去除效能

MPBR系统连续运行60天，成功处理低碳氮比生活污水。MPBR-I与MPBR-II均实现COD、NH₄⁺-N、TN和TP的高效去除，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。MPBR对COD、TN、NH₄⁺-N和TP的去除率分别达66.87%、99.71%、99.71%与80.37%（图1A）。这表明相较于主流传统污泥处理工艺，MPBR在去除效能上达到相当或更优水平，同时具备碳减排与资源回收潜力。

结论

本研究证明连续流MPBR通过优化内循环流速（ICFR）可有效处理低碳氮比生活污水，同步强化污染物去除与ARGs/MGEs抑制。在最佳ICFR（13.5 m3/d）条件下，改善的氧分布与微藻光合作用支持高效硝化-反硝化过程，实现高水平氮去除（NH₄⁺-N: 99.48%, TN: 72.89%）与TP去除（80.37%）。ARGs传播通过双重机制被抑制：（i）厌氧区通过调控耐药菌群抑制污泥区ARGs；（ii）微藻区通过氮驱动抑制ARGs宿主菌，并强化微藻-细菌共代谢与群落优化，阻断水平基因转移（HGT）。该技术为可持续水管理提供了碳高效型解决方案。