无机械曝气连续流藻菌颗粒污泥生物反应器在循环水产养殖废水处理中的可行性研究

为解决循环水产养殖系统(RAS)高能耗、氮磷去除效率低及资源回收困难等问题，研究人员创新性地将藻菌好氧颗粒污泥(AGS)与连续流反应器(CFR)结合，构建了无需机械曝气的生物处理系统。该研究证实系统可实现NH4+-N日去除量17-31 mg/g-VSS，总无机氮去除率>90%，同步回收28%氮资源，且颗粒结构稳定（完整性系数<20%）。这一成果为可持续水产养殖提供了低能耗、高效率的技术方案。

　　

研究背景
全球水产养殖产量已突破1.3亿吨，但传统养殖模式面临水资源浪费和氮污染的双重挑战。循环水产养殖系统(RAS)虽能减少90%的废水排放，却因高昂的曝气能耗（占系统总能耗35%）和复杂的氮磷控制技术难以推广。更棘手的是，现有生物膜法需长期驯化且无法回收氮资源，而微藻悬浮系统又存在光利用效率低、藻细胞逃逸等问题。如何实现"低能耗处理+资源回收"的双赢，成为水产养殖绿色转型的核心难题。

研究方法
筑波大学与国内合作团队创新性地将藻菌好氧颗粒污泥(AGS)应用于连续流反应器(CFR)，通过60天实验评估系统性能。采用6年陈化AGS接种，合成废水模拟RAS水质（NH₄⁺-N 30 mg/L，PO₄^3--P 5 mg/L），控制水力停留时间(HRT)仅4分钟。监测指标包括氮磷去除率、颗粒完整性系数、叶绿素a(Chl-a)含量及微生物群落演变。

研究结果

1. 脱氮性能
   系统在18天后实现>90%总无机氮去除，NH₄⁺-N去除负荷达31 mg/(g-VSS·d)。初期以硝化/反硝化为主，后期转为微藻同化主导（贡献率28%氮回收）。

2. 节能特性
   仅依靠光合作用和水流湍流即维持溶解氧>5 mg/L，完全替代机械曝气。颗粒沉降速度达35 m/h，远高于传统活性污泥。

3. 颗粒稳定性
   完整性系数始终<20%，60天后仍保持致密结构。电镜显示藻菌形成分层共生体系，外层微藻分泌EPS（胞外聚合物）增强结构稳定性。

研究意义
该研究首次证实藻菌AGS在CFR模式下的工程可行性，突破传统SBR（序批式反应器）的批次限制。通过光合供氧与颗粒污泥技术的耦合，实现"处理-回收-节能"三重效益，为RAS的可持续发展提供全新解决方案。据估算，该技术可使水产养殖系统能耗降低40%以上，同时回收的藻生物质可作为饲料添加剂，形成闭环生产模式。

技术展望
未来研究可优化光照策略提升藻类同化效率，并探索低温条件下的颗粒稳定性。该技术路线也有望拓展至畜禽养殖废水处理领域，推动农业面源污染治理的革新。