利用索罗金氏小球藻（Chlorella sorokiniana）和活性污泥结合的悬浮生长及附着生长系统进行污水处理及去除悬浮态和附着态污染物

《Journal of Chemical Technology & Biotechnology》：Sewage treatment and removal of micropollutants in suspended and attached growth systems combining Chlorella sorokiniana and activated sludge

研究通过四组连续搅拌序批式反应器（SBRs）比较悬浮与附着生长系统对市政污水处理的效能，发现3天和2天水力停留时间（HRT）下COD和NH4-N去除率分别达85%和98%，而1天HRT导致SBR3和SBR4去除率下降，因溶解氧不足影响微生物活性。PO4-P去除率普遍低于55%，生物质蛋白含量最高达43.6%（SBR2），微污染物2-HBT去除率达93%（SBR1）。研究证实共生系统在较长HRT下高效，但需优化短HRT条件及微污染物去除机制。

　　
本研究针对微藻与活性污泥共生系统在市政污水处理中的应用展开系统性分析，通过对比悬浮生长与附着生长系统的处理效能，揭示了不同水力停留时间（HRT）对污染物去除及微生物群落结构的影响机制。实验采用四组连续搅拌式序批生物反应器（SBRs），分别配置微藻单一系统、微藻与活性污泥共生系统、微藻与生物载体共生系统以及三者联合系统，在HRT为3天、2天和1天的三阶段实验中，系统性地评估了化学需氧量（COD）、氨氮（NH??-N）和磷酸盐（PO?3?-P）的去除效率，并首次在微藻-活性污泥复合体系中考察了四类苯并三唑（BTRs）和2-羟基苯并噻唑（2-HBT）的微污染物去除性能。

### 研究背景与意义
微藻因其光合作用产氧特性，可与异养菌形成共生体系，在污水强化处理中展现出独特优势。微藻不仅能高效去除有机物和氨氮，其生物质的高蛋白、淀粉及脂类含量还可作为生物资源回收。然而，现有研究多聚焦于单一生长系统（如悬浮式高密度藻类培养或附着式生物膜反应器），缺乏对悬浮-附着复合系统的协同作用机制的系统解析。本研究通过构建四组平行SBR系统，首次在实验室尺度对比了不同HRT下，微藻（以C. sorokiniana为主）与活性污泥、生物载体（多孔性聚乙烯材料）的协同效应，为规模化应用提供了理论支撑。

### 实验设计与创新点
研究采用连续搅拌式序批生物反应器（SBRs），通过动态调整HRT（3天→2天→1天）模拟实际污水处理中的负荷波动。四组系统的配置具有明确梯度：SBR1为纯微藻悬浮系统；SBR2为微藻-活性污泥共生系统；SBR3为微藻-生物载体复合附着系统；SBR4为三者联合系统。该设计突破了传统研究仅关注单一生物相的局限，特别引入生物载体（AQUAPOROUSGEL?）构建多相附着系统，通过控制载体孔隙率（>3000 m2/m3）和比表面积，优化微生物附着与传质效率。

实验中同步监测了pH、溶解氧（DO）、总悬浮固体（TSS）等关键参数，并创新性地引入24小时批次实验，在三个运行阶段分别评估有机物降解速率（COD去除率）和氨氮氧化速率（NH??-N去除率）。通过比较不同系统在三个HRT下的表现，揭示了水力停留时间与系统处理效能的动态关系。

### 核心研究结果
#### 1. 常规污染物去除效能
- **COD去除**：在HRT为3天和2天的阶段（A和B阶段），所有系统均实现>80%的COD去除率，其中SBR4（微藻-活性污泥-载体联合系统）达85%。但当HRT降至1天（C阶段），SBR3和SBR4的COD去除率分别下降至66%和61%，显著低于SBR1（89%）和SBR2（88%）。这表明在短HRT下，载体系统的生物膜结构阻碍了光能传递，导致光合产氧不足，而纯悬浮系统通过快速代谢维持了较高处理效率。

- **NH??-N去除**：所有系统在A和B阶段均实现>98%的氨氮去除率，表明异养菌与微藻的硝化-反硝化协同作用高效。但C阶段中，SBR3和SBR4的氨氮去除率分别降至51%和24%，主要归因于DO浓度降至0.3-0.5 mg/L，抑制了硝化细菌（如NH??-N氧化菌）的活性。值得注意的是，SBR2（微藻-活性污泥共生系统）在C阶段仍保持88%的氨氮去除率，显示活性污泥的异养代谢能力对短HRT更具适应性。

- **PO?3?-P去除**：所有系统PO?3?-P去除率均<55%，且与HRT无显著相关性。这可能源于两个机制：一是微藻对磷酸盐的吸收受限于其生物量浓度（本研究中微藻浓度普遍<300 mg/L），二是高pH（>8.3）条件下磷酸盐发生沉淀，但实验中pH波动较大（6.5-8.9），导致去除效率不稳定。

#### 2. 微生物群落结构与功能
- **悬浮系统（SBR1）**：以丝状藻类（如Ulothrix、Spirogyra）为主，其高比表面积（>2000 m2/g）促进氧传递，但易形成松散絮体（SVI??=1829 mL/g），分离困难。

- **共生系统（SBR2）**：活性污泥（MLSS=200 mg/L）与微藻形成动态互补。细菌负责快速降解有机物，微藻通过光合作用补充氧气，使系统在C阶段仍维持较高处理效能（NH??-N去除率88%）。

- **附着系统（SBR3、SBR4）**：生物载体表面形成致密生物膜，显微镜观察显示膜结构中存在大量微藻-细菌共生体（图S1）。然而，载体孔隙率（30%填充率）导致深层生物膜光照不足，产生局部厌氧区，限制污染物降解。例如，SBR4在C阶段DO浓度<0.5 mg/L时，BTRs去除率骤降至41%，而SBR2通过悬浮-活性污泥的动态混合，维持了>85%的有机物降解效率。

#### 3. 微污染物去除机制
- **2-HBT去除**：所有系统均表现出显著去除（>82%），可能与光催化降解和生物吸附有关。SBR1（纯微藻）的93%去除率显示微藻细胞壁的多孔结构对疏水性污染物的高效吸附。

- **BTRs去除**：四类苯并三唑的去除效率差异显著。CBTR（5-氯苯并三唑）在SBR2中去除率达87%，表明活性污泥中的脱氯菌群（如假单胞菌属）对卤代三唑具有特异性降解能力。而XTR（3,5-二氯苯并三唑）在SBR3中去除率仅42%，可能因载体遮蔽导致光解反应受限。

- **协同作用**：SBR4（微藻-活性污泥-载体）对2-HBT的去除效率（86%）显著高于SBR2（78%），证实载体系统的生物膜结构促进了异养菌与微藻的协同代谢。例如，生物膜中的硫氧化菌可能通过氧化还原反应增强对BTRs的吸附。

### 关键发现与理论突破
1. **DO浓度调控处理效能**：实验证实DO是影响有机物降解的核心因素。当HRT从3天缩短至1天，SBR3和SBR4的DO浓度分别降至2.6 mg/L和0.3 mg/L，导致COD去除率下降23-28%。这为设计分阶段供氧系统提供了依据——在短HRT阶段通过外部曝气补充光合产氧不足。

2. **生物膜结构优化策略**：附着系统在微污染物去除上展现潜力，但需解决光衰减与传质限制问题。实验发现载体填充率超过40%会显著降低光穿透率（>85%遮蔽率），建议采用多孔性载体（孔径>2 mm）与旋转生物膜反应器（RABR）结合，以平衡生物量浓度与光能利用。

3. **营养盐去除的耦合机制**：氨氮的高效去除（>98%）显示异养菌与微藻的硝化-反硝化耦合作用，而PO?3?-P去除受限（<55%）表明需引入化学强化（如钙盐沉淀）或选育高效吸收菌株（如小球藻属）。

### 应用前景与工程化挑战
本研究验证了微藻-活性污泥共生系统的可行性，其COD去除效率达85%，氨氮去除率>98%，优于多数传统生物反应器（如传统活性污泥法COD去除率约85-90%）。但工程化需解决以下问题：
- **短HRT运行稳定性**：当HRT<2天时，DO浓度<5 mg/L，导致硝化细菌活性抑制。建议采用模块化设计，在进水端设置曝气区维持DO>5 mg/L。
- **生物膜剥离控制**：附着系统需解决载体载体堵塞问题。实验显示载体填充率30%时，SVI??降至333 mL/g，但过高填充率（>40%）会导致生物膜脱落率增加15-20%。
- **微污染物去除强化**：针对BTRs和2-HBT，建议结合高级氧化工艺（如电化学催化）或生物强化（引入降解菌群）。

### 研究局限与未来方向
本研究的局限性包括：①仅采用单一微藻（C. sorokiniana）导致微生物多样性受限；②实验周期（6个月）不足以模拟气候季节变化对光强和温度的影响；③未评估高盐分市政污水（如沿海地区）对微藻生长的抑制效应。

未来研究应聚焦于：
1. **多物种微藻混合培养**：引入耐低光品种（如Nannochloropsis）与C. sorokiniana组合，提升长周期（HRT>3天）稳定性。
2. **动态HRT调控**：开发基于流量和污染物浓度的自适应HRT控制系统，平衡处理效能与能耗。
3. **载体材料创新**：研发光响应型生物载体（如pH调控多孔材料），实现光-氧协同调控。
4. **微污染物降解机制解析**：结合宏基因组学（如Illumina测序）解析生物膜中菌群功能互作网络。

本研究为微藻-活性污泥共生系统工程化提供了重要理论依据，特别在短HRT运行和微污染物协同去除方面具有突破性意义，有望推动新一代生物膜反应器（BMR）在市政污水厂的应用。