膜生物反应器将液态厌氧消化液转化为液体肥料的概念验证研究：微生物群落调控与植物生长促进机制

本研究针对传统化肥依赖不可再生资源的问题，开发了一种基于膜生物反应器（MBR）的生物硝化技术，将液态厌氧消化液（LAD）转化为富含氮磷钾（N-P-K）的液体肥料。通过7个月实验，系统实现了446±48 mgN?L-1 ?d-1 的高硝化速率和80%总有机碳（TOC）去除率，并发现NOB:AOB菌群比例>5可缩短58%水力停留时间（HRT）。所得肥料在罗勒水培试验中使鲜生物量较商业肥料提升100%，为废弃物资源化与可持续农业提供了创新解决方案。

　　

现代农业长期依赖不可再生资源制造的化肥，不仅面临资源枯竭风险，还加剧了碳排放。液态厌氧消化液（LAD）作为厌氧消化副产物，虽富含氮磷钾等营养元素，却因污染物风险和严苛环保法规难以直接农用。如何将这种"废物"转化为高附加值肥料，成为推动循环生物经济的关键挑战。

悉尼科技大学的研究团队在《Water Research》发表了一项突破性研究，首次将膜生物反应器（MBR）与生物硝化技术结合，成功将LAD转化为高效液体肥料。研究通过实验室规模MBR系统（配备浸没式超滤膜）处理真实LAD，结合微生物群落分析和植物生长实验，系统评估了技术可行性与农业应用价值。

关键技术方法包括：1）pH设定点控制的MBR连续运行（7个月）；2）LC-OCD-OND（液相色谱-有机碳检测-有机氮检测）分析有机组分；3）16S rRNA基因测序解析微生物群落；4）以罗勒（Ocimum Basilicum）为模型的水培对比实验；5）ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）检测重金属含量。样本来自悉尼水务公司的LAD，每月采集200升。

3.1 启动阶段
系统在4周内完成微生物驯化，初始NH₄
-N浓度为426±20 mg?L^-1
。通过逐步降低稀释倍数，HRT稳定至28±1.5小时，NH₄
⁺
转化率达57%。

3.2 亚硝酸盐积累事件
两次pH失控事件导致亚硝酸盐积累，NOB活性受FNA（游离亚硝酸）抑制（>0.01 mg?L^-1
）。通过调节pH至5.9、投加NaHCO₃
和增加排泥量，系统在1-2周内恢复。

3.3 稳态运行
处理未稀释LAD时，系统在HRT 12±1.5小时下维持54%的NH₄
⁺
转化率。硝化速率达446 mgN?L^-1
?d^-1
，TOC去除率80%。能耗分析显示MBR比电驱动工艺节能10倍。

3.4 有机质组分演变
LC-OCD-OND显示MBR渗透液中腐殖质（HS）占有机质45%，其中富里酸有助于铁磷的生物有效性。生物聚合物（BP）的N/C比从0.25降至0.19，表明蛋白质类物质被选择性保留。

3.5 微生物群落分析
16S测序揭示Nitrosococcus（AOB）和Nitrospira（NOB）为优势菌属。稳态运行时NOB:AOB比例>5，Nitrospira nitrosa菌群的共代谢活性可能促进HRT缩短。

3.6 罗勒水培实验
MBR肥料（ADF-HC）使罗勒鲜生物量较商业肥料（CF-HC）增加100%，干重根冠比0.16表明营养吸收高效。腐殖质和氨基酸等生物刺激素协同提升了作物生长。

该研究开创性地证明了MBR技术处理LAD的双重效益：既实现废弃物资源化，又生产出性能优于商业产品的有机-无机复合肥料。通过调控酸性pH下的NOB:AOB比例，系统在保持54% NH₄
⁺
转化率的同时显著缩短HRT，为工程化放大提供了关键参数。微生物群落分析为工艺优化提供了理论依据，而5 gC?L^-1
的腐殖质含量则赋予肥料独特的植物生长促进功能。这项技术有望成为传统化肥的绿色替代方案，推动农业向"零碳"目标迈进。