运行参数对单级藻菌柱光生物反应器处理生活污水性能的影响

《Algal Research》：Influence of operational parameters on the performance of domestic wastewater treatment in a single-stage algal-bacterial column photobioreactor

高效有机碳、氮、磷同步去除及微藻菌群调控研究；单阶段光生物反应器；水力停留时间；光照面积体积比；生物质生产力；氮磷转化机制；菌群多样性；资源回收；低成本水处理；微藻-细菌共生体系

　　这项研究评估了一种单级光生物反应器（PBR）在连续运行系统中的性能表现。实验在192天内进行，通过调整水力停留时间（HRT）、生物质浓度（2.7和1.6 g TSS L?1）以及光照面积与体积比（17.8和26.7 m2 m?3）来分析其对有机碳、氮和磷去除效率的影响。研究结果表明，无论操作条件如何变化，系统都能实现高达94–96%的总有机碳（TOC）去除率、92–97%的总氮（TN）去除率以及91–100%的磷酸盐（P-PO?3?）去除率。这说明该单级PBR具有高效的污染物去除能力，其性能与传统双级厌氧-好氧光生物反应器相当，但更具有成本效益和可持续性，为废水处理和资源回收提供了新的可能性。

### 氮去除机制

氮的去除主要依赖于微生物的同化作用，即通过藻类和细菌的协同作用，将氨氮（N-NH??）转化为藻类和细菌的生物量。在实验过程中，未观察到硝酸盐（N-NO??）和亚硝酸盐（N-NO??）的积累，N?O的生成也微乎其微，表明系统在去除氮的同时，有效地避免了温室气体的排放。此外，研究发现，提高光照强度能够显著提升生物质的生产率，最高可达335.7 ± 77.8 g m?3 d?1。这说明光照是影响氮去除效率的重要因素之一，同时，高光照强度有助于提高藻类的光合作用效率，从而增强整个系统的氮去除能力。

### 生物质浓度与微生物群落变化

实验中还发现，降低生物质浓度会显著影响藻类的浓度和多样性，尤其是对丝状细菌造成不利影响。例如，当生物质浓度从2.7 g TSS L?1降至1.6 g TSS L?1时，藻类的生物量和种类多样性有所下降。这表明，生物质浓度不仅影响系统的处理效率，还可能改变微生物群落的结构，进而影响整体的生物活性和污染物去除能力。此外，高生物质浓度可能会导致自阴影效应，从而限制光合作用效率。因此，在设计PBR时，需要在提高处理效率和避免自阴影效应之间找到平衡点。

### 光照强度与系统性能

光照强度的增加对系统的性能产生了积极影响，特别是在提高生物质生产率方面。实验结果显示，当光照面积与体积比从17.8增加到26.7 m2 m?3时，生物质生产率提高到了339.7 ± 70.1 g m?3 d?1。然而，研究也指出，过高的光照强度可能会对某些微生物（如硝化细菌）产生不利影响，因为它们对光的敏感度较高。相比之下，藻类和好氧氨氧化菌（AOB）对光照的耐受性更强，能够在持续光照条件下保持较高的活性。因此，系统中微藻和细菌的协同作用是实现高效氮去除的关键。

### 系统稳定性与环境参数

在实验过程中，环境参数如pH、溶解氧（DO）和温度被定期监测。研究发现，pH值在实验初期保持在7.4 ± 0.3，而在第四阶段由于生物质浓度的降低，pH值有所上升，达到7.8 ± 0.4。这一变化可能与系统内二氧化碳的消耗有关，因为藻类的光合作用会提高pH值。同时，DO水平随着HRT的减少而上升，这表明在较低的停留时间下，藻类的光合作用强度显著增强，能够满足更高的氧气需求。然而，高DO水平也可能对某些微生物产生负面影响，如诱导活性氧（ROS）的形成，从而限制藻类的生长。

### 系统优势与未来展望

单级PBR系统的优势在于其操作简单、成本较低以及较高的污染物去除效率。与传统的多级系统相比，单级系统能够在更短的HRT下实现高效的氮和磷去除，这为实际应用提供了更大的灵活性。此外，研究还发现，通过优化HRT、SRT和光照强度，可以在不增加能耗的情况下提升系统的处理能力。未来的研究可以进一步探索不同废水类型对单级PBR性能的影响，特别是那些具有不同碳氮磷比例的废水，以扩大其适用范围和可扩展性。同时，研究还可以关注系统中同时硝化-反硝化过程的发生，以进一步提高氮去除效率。

### 生物量与营养物质回收

实验中，生物量的生产不仅有助于提高处理效率，还为资源回收提供了可能。藻类和细菌的协同作用可以实现氮和磷的高效同化，这些营养物质可以被用于生产生物燃料、生物肥料或其他高附加值产品。此外，研究还表明，通过调整操作参数，可以有效控制生物量的浓度，从而避免排放超过欧盟规定的限值。这为实际应用中如何平衡处理效率和环境合规性提供了重要的参考。

### 微观分析与生物多样性

通过对微生物群落的微观分析，研究揭示了不同操作阶段下藻类和细菌的相对丰度变化。例如，在实验初期，丝状细菌占主导地位，但随着HRT的减少和生物质浓度的调整，藻类的相对丰度逐渐增加。这种变化可能与营养物质的可用性和光照条件的变化有关。此外，研究还发现，当SRT减少时，藻类的多样性和丰富度也会下降，这表明SRT的调整对微生物群落的稳定性有重要影响。因此，在实际应用中，需要合理设计SRT，以维持微生物群落的多样性和活性。

### 系统的环境影响

除了高效的污染物去除，该研究还关注了系统对环境的影响。例如，N?O的排放量非常低，仅占进水氮负荷的0.1%，远低于通常用于环境影响评估的1.6%。这表明，单级PBR系统在减少温室气体排放方面具有显著优势。此外，研究还强调了系统在减少能耗方面的潜力，这为可持续废水处理提供了新的思路。

### 总结

综上所述，这项研究为单级光生物反应器在废水处理中的应用提供了有力的支持。通过调整HRT、SRT和光照强度，系统能够实现高效的氮、磷和有机碳去除，同时减少能耗和温室气体排放。这些发现不仅有助于推动废水处理技术的发展，也为资源回收和环境可持续性提供了新的方向。未来的研究可以进一步优化系统设计，探索其在不同废水类型和环境条件下的适用性，从而推动其在实际工程中的应用。