建筑立面微藻生物膜系统回收黄水中氮磷的营养循环模型研究

本研究针对建筑废水处理难题，创新性地提出利用建筑立面微藻光生物反应器(PBR)系统回收黄水(尿液)中的氮(NH4+)和磷(PO43-)。通过耦合微藻生长模型、营养消耗模型和动态尿液排放模型，发现优化HRT(水力停留时间)和dWW(稀释率)可使50%生物膜面积处理全部尿液，实现90%营养回收，同时减少40%CO2eq排放，为建筑-微藻系统物质循环提供新范式。

　　

随着欧盟《城市污水处理指令》(91/271/EEC)对出水氮(<6 mg L^-1)、磷(<0.5 mg L^-1)标准的收紧，传统污水处理面临巨大挑战。黄水(尿液)虽仅占污水体积1%，却贡献了85%的氮负荷，其富含的尿素经脲酶水解后生成可被微藻利用的NH₄⁺和HCO₃^-。法国国家科学研究中心(CNRS)与建筑科学技术中心(CSTB)合作开展的Green Building项目发现，将微藻光生物反应器(PBR)集成于建筑立面形成的"生物膜"，既能生产高值生物质，又能通过建筑-微藻物质循环实现废水处理。

研究团队创新性地整合三大模型：Pruvost等开发的微藻生长模型、Hadj-Romdhane营养消耗模型和Matar等建立的动态尿液排放模型。针对1000 m²办公建筑(日均100人)场景，模拟分析不同水力停留时间(HRT)和尿液稀释率(dWW)下系统性能。

恒定光照条件下的优化
在年均光强270 μmol_hv m^-2 s^-1的模拟中，发现HRT存在最优值：过短导致营养利用不充分，过长则因藻类自遮效应降低生产率。夏季工况下，HRT=3天、dWW=10%时，50%生物膜面积即可处理全部尿液，氮磷去除率达90%，但整体生物质产量降低40%。

动态光照的适应性
考虑昼夜和季节光强变化后，冬季需将HRT延长至5天以补偿光照不足。系统表现出显著环境效益：相比全合成营养供给，尿液利用可使CO₂eq减排50%，同时减少对化学合成氮(哈伯法)和磷矿资源的依赖。

该研究首次通过多模型耦合量化了建筑-微藻系统的物质循环效益，证明尿液分离式生物膜可实现"废水处理-资源回收-碳减排"三重目标。尽管生物质产量有所牺牲，但环境收益显著，为可持续建筑提供了创新解决方案。未来需进一步研究尿液稳定化处理(防氨挥发)与不同藻种的适配性，以推动该技术在实际工程中的应用。论文发表于《Journal of Cleaner Production》。