聚羟基脂肪酸酯作为碳源和生物膜载体在流化床生物反应器中的反硝化性能与微生物群落研究

推荐：本研究针对传统碳源在反硝化过程中成本高、安全性差等问题，创新性地采用聚羟基丁酸酯(PHB)作为固体碳源(SCS)和生物膜载体，在流化床生物反应器(FBBR)中实现了1.02 kg N/(m3·d)的氮负荷去除率，NO3--N去除率达99.5%。研究揭示了Pseudomonadota和Bacteroidota等优势菌群的关键作用，为废水处理提供了可持续解决方案。

　　

随着全球水环境氮污染问题日益严峻，污水处理厂每年向水体排放超过8万吨氮元素，导致富营养化、藻类暴发等生态危机。传统生物脱氮技术依赖甲醇等液态碳源，存在成本高、易产生亚硝酸盐积累等缺陷。固体碳源(SCS)因其缓释特性成为研究热点，但固定床反应器易堵塞、传质效率低等问题制约了其应用。

北京PhaBuilder生物技术有限公司的研究团队在《Polymer Degradation and Stability》发表创新研究，首次将聚羟基丁酸酯(PHB)同时作为SCS和生物膜载体应用于流化床生物反应器(FBBR)。该设计通过水力剪切力调控生物膜厚度，有效解决了传统反应器的堵塞难题。

研究采用高通量测序分析微生物群落结构，通过批次实验测定PHB碳释放特性，并监测不同水力停留时间(HRT)下的脱氮效率。当HRT为0.88小时时，反应器实现了1.02 kg N/(m³·d)的氮负荷去除率，硝酸盐去除率超过99.5%，且亚硝酸盐积累极低。微生物分析显示Pseudomonadota(68.3～88.7%)和Bacteroidota(2.3～13.5%)为优势菌门，其中Dechloromonas、Zoogloea和Thauera被鉴定为关键反硝化及PHB降解菌属。

【PHB有机碳释放】
研究发现PHB在无菌水中几乎不释放总有机碳(TOC)，但与微生物接触后TOC显著增加，证明微生物降解是碳释放的主要途径。这种特性使PHB既能持续供碳又可避免碳源浪费。

【结论与展望】
该研究证实PHB在FBBR中具有双重功能：既作为可生物降解碳源，又作为高效生物膜载体。其创新性体现在：(1)流化床设计克服了固定床易堵塞的缺陷；(2)水力剪切力优化了生物膜厚度与传质效率；(3)明确了PHB降解与反硝化的微生物耦合机制。研究成果为废水处理提供了绿色解决方案，同时为可降解塑料废弃物资源化利用开辟了新途径。未来研究可进一步优化PHB载体物理特性，探索不同水质条件下的规模化应用参数。

（注：作者Zhuang Wang等声明无利益冲突，研究受宁波甬江人才引进计划[2023A136G]资助，数据详见论文附件。）