旋转藻菌生物膜系统高效降解锂电池废水中的N-甲基吡咯烷酮(NMP)及其机制研究

针对锂电池行业废水中难降解有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)处理难题，研究人员创新性采用旋转藻菌生物膜系统(RAB)，通过藻菌协同作用实现NMP作为唯一碳氮源的高效降解。实验表明，该系统对1000-4000 mg/L NMP废水的COD、TOC、TN去除率均超95%，并揭示Chitinophagales、Phormidesmiales等功能菌群与微食物链的协同机制，为工业废水处理提供绿色解决方案。

　　

随着全球锂电池产能爆发式增长，其生产过程中大量使用的有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)已成为环境治理的棘手难题。这种高水溶性化合物不仅具有生殖毒性，传统物化处理方法如蒸发、臭氧氧化等更面临能耗高、二次污染等瓶颈。尽管已有研究尝试采用细菌纯培养或活性污泥处理NMP，但实际废水中高达1000-5000 mg/L的浓度常导致系统崩溃。如何开发适应工业实际的高效生物处理技术，成为制约行业绿色发展的关键痛点。

来自中国的研究团队在《Algal Research》发表的研究中，创新性地构建了旋转藻菌生物膜系统(RAB)。该系统利用Chlorella sorokiniana藻类与细菌的天然共生关系，通过光合作用供氧替代机械曝气，在降解NMP的同时实现资源回收。研究采用序批式与半连续流两种模式，分别处理1000 mg/L和4000 mg/L NMP废水，结合高通量测序解析微生物群落结构。关键技术包括：1)从淡水藻种库获取FACHB-26藻株进行NMP梯度驯化；2)构建RAB反应器实现藻菌生物膜旋转培养；3)采用COD、TOC、TN等多参数监测降解效率；4)通过16S rRNA测序分析Chitinophagales等功能菌群动态。

污染物在低浓度NMP下的去除
当处理1000 mg/L NMP废水时，RAB系统72小时内使COD降至4-12 mg/L，去除率近100%。关键在于预驯化的藻菌体系能快速启动降解，且生物膜中异养菌与自养藻形成物质循环：异养菌将NMP分解为NH₄⁺-N，藻类则吸收铵态氮促进生长。这种协同作用使TOC和TN去除率分别达92.4±0.7%和37.8±8.9%。

微生物群落分析
高通量测序显示，NMP显著提升生物膜物种丰富度。异养菌Chitinophagales和Phormidesmiales成为优势菌群，负责TOC降解；自养藻类Trebouxiophyceae、Chlorella与Chloroflexales则参与NH₄⁺-N固定。值得注意的是，原生动物Amphileptus和线虫Rhabditida的出现，证实系统形成了完整的微食物链，通过捕食作用强化污染物去除。

结论与意义
该研究首次证实RAB系统可处理实际浓度NMP废水，突破传统ABGS系统150 mg/L的处理极限。其创新性体现在：1)将NMP转化为碳氮资源实现"以废治废"；2)通过旋转设计优化光暗周期与传质效率；3)构建包含生产者-分解者-消费者的完整生态链。研究成果为锂电池行业提供了一种低能耗、低排放的废水处理范式，相关技术已获国家自然科学基金等多项资助支持。