沸石固定床循环光生物反应器(CFBP)强化尿液微藻培养的机制研究与性能评估

针对尿液高氨氮(1793.85→129.03 mg/L)与盐度(1.22%→0.62%)抑制微藻生长的难题，同济大学团队开发了搭载斜发沸石(clinoptilolite)的循环固定床光生物反应器(CFBP)，通过三阶段运行模式(沸石循环处理-微藻悬浮培养-微藻-沸石协同培养)，实现微藻生物量达1.09 g/L，同步回收脂质与色素。该研究为源头分离尿液的低碳处理提供了创新性解决方案。

　　

尿液虽仅占生活污水体积的1%，却贡献了80%的氮(N)和50%的磷(P)负荷，其高达8100 mg/L的氨氮和32 mS/cm的电导率对微藻产生双重抑制——游离氨会破坏微藻的遗传信息处理和光合作用，而高盐度则减缓细胞分裂。传统稀释或硝化工艺存在耗水量大、成本高等缺陷，亟需开发兼顾资源回收与低碳处理的新技术。

同济大学团队在《Environmental Research》发表的研究中，创新性地将天然沸石(clinoptilolite)与光生物反应器(PBR)结合，构建循环固定床光生物反应器(CFBP)。该系统通过三阶段运行：模式1中沸石通过离子交换将氨氮从1793.85 mg/L降至129.03 mg/L，同时置换出Ca²⁺、Mg²⁺等促生长离子；模式2进行微藻悬浮培养；模式3则利用污染物饱和沸石作为缓释肥料。研究采用3D荧光光谱(EEM)解析代谢产物，发现微藻分泌的类腐殖酸物质可能参与污染物转化。

主要技术方法
团队通过沸石预处理(1-3 mm粒径筛选)、三阶段动态培养(合成尿液V_flush:V_urine=1:1)、离子色谱分析及EEM荧光指纹技术，系统评估污染物迁移规律。微藻生物量通过干重法测定，脂质与色素含量采用氯仿-甲醇萃取及分光光度法分析。

研究结果

1. 斜发沸石与合成尿液特性：沸石的Na⁺/K⁺交换使尿液中这两种离子分别下降31.5%和76.9%，同时释放Fe³⁺等微量元素。
2. CFBP系统的废水特性：模式1盐度降低49.2%，模式3中沸石作为缓释载体使微藻生物量达1.03 g/L，与模式2(1.09 g/L)相当。
3. 结论：CFBP突破传统PBR的光限制问题，沸石床层置于暗区实现空间优化，三阶段模式较单一处理减少46%的淡水消耗。

讨论与意义
该研究首次证实沸石-微藻协同系统可同步实现污染物去除(氨氮去除率92.8%)与资源转化(脂质产率提升21%)。临床转化方面，适用于缺水地区公厕源分离系统，每处理1吨尿液可固定1.8 kg CO₂。未来研究可优化沸石再生周期，并探索微藻衍生生物燃料的产业化路径。