可扩展膜池反应器与灌注式微藻生物膜联用系统实现海水养殖废水高效脱氮除磷及胞外多糖生产

面对海水养殖废水排放标准趋严和抗生素使用受限的行业痛点，中科院团队创新性地开发了灌注式微藻生物膜耦合膜池反应器(MPRPB)系统，通过共培养蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和紫球藻(Porphyridium cruentum)，实现NH4+-N、TN、TP去除率分别达100%、95.6%和98.9%，同时持续提升胞外多糖(EPS)产量，为构建"废水处理-资源回收"一体化体系提供新范式。

　　

随着海水养殖业规模扩大，富含氮磷的养殖废水直接排放导致海洋富营养化、赤潮频发等生态问题。更棘手的是，抗生素使用限制令行业面临病害防控难题。传统物理化学处理方法成本高且难以资源化，而常规微藻悬浮培养系统存在光能利用率低、生物量收获困难等瓶颈。如何实现废水高效净化与高值产物联产，成为制约产业绿色发展的关键科技难题。

中国科学院相关团队创新设计出灌注式微藻生物膜耦合膜池反应器(MPRPB)系统。该系统突破性地将垂直排列的灌注生物膜与膜池反应器结合，通过共培养蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和紫球藻(Porphyridium cruentum)，构建起光-藻-菌协同作用的新型处理体系。研究采用光强梯度测定、微生物高通量测序等技术，系统评估了不同生物膜数量下的营养盐去除效率、胞外多糖(EPS)积累规律及菌群结构演变特征。

【Characteristics of light intensity distribution in MPRPB system】

研究发现垂直生物膜的引入形成独特的光梯度环境：顶部光强100 μmol m^-2s^-1，中底部因生物膜遮光效应降至50-70 μmol m^-2s^-1。这种光重分布显著促进喜弱光的紫球藻生长(生物量提升37%)，而需强光的蛋白核小球藻密度下降21%，揭示光照调控是实现藻种协同的关键。

【Nutrient removal performance】

批式培养阶段MPRPB展现惊人净化能力：氨氮(NH₄⁺-N)24小时完全去除，总氮(TN)和总磷(TP)去除率分别达95.6%和98.9%，较传统膜反应器提升20%以上。连续流阶段仍保持TN 86.4%、TP 91.2%的稳定去除率，证明生物膜持留功能菌群的能力。

【EPS production dynamics】

伴随运行时间延长，EPS产量持续增长至2.8 g/L，其中紫球藻贡献率达73%。值得注意的是，中低光强区域(50-70 μmol m^-2s^-1)的EPS合成效率是强光区的1.5倍，为定向调控提供了参数依据。

【Microbial community analysis】

16S rRNA测序显示生物膜显著改变菌群结构：变形菌门(Proteobacteria)相对丰度提升至58.3%，浮霉菌门(Planctomycetota)和绿弯菌门(Chloroflexi)等功能菌群形成稳定共生网络。这种藻-菌互作体系使硝化效率提升40%，有机质降解率提高25%。

该研究开创性地将灌注生物膜的光调控优势与膜反应器的生物量持留特性相结合，不仅解决了传统微藻废水处理系统光能利用率低、生物量收获难的技术瓶颈，更实现了营养盐去除与高值EPS生产的协同增效。特别是建立的垂直光梯度模型，为多藻种协同培养提供了新思路。研究提出的MPRPB系统原型，每吨废水处理成本可降低32%，同时获得价值280元的EPS产物，为海水养殖业"碳中和"目标提供了可产业化的技术方案。这些发现发表在环境工程领域权威期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为废水处理从"单纯净化"向"资源循环"转型提供了重要范式参考。