利用光合生物膜系统高效去除低碳氮比（C/N）城市废水中的营养物质，该系统同时实现硝化-反硝化作用及磷的去除（SND）

《Environmental Research》：Efficient nutrient removal from low C/N municipal wastewater using a phototrophic biofilm system integrating simultaneous nitrification–denitrification and phosphorus removal (SND)

　　

孟青刚|曾伟|张佳宇|刘洪军|李双双|彭永珍

摘要

基于聚磷菌（PAOs）的微藻-细菌系统为废水处理提供了低能耗和低碳排放的解决方案，但在低碳氮比（C/N）的市政废水中，其处理效果会下降。本研究开发了一种光合生物膜系统，该系统能够同时实现硝化-反硝化作用和磷的去除（P-SNDPRB），以改善低碳氮比（3.32–4.11）市政废水的处理效果。在生物膜集成之前，总氮（TN）的去除率低于75%；集成后，TN的去除率提高到82%以上，而有机物的去除率和磷的去除率分别保持在85%和90%。微藻的光合作用为生物膜提供了氧气，促进了反硝化过程。化学计量学和宏基因组分析表明，反硝化和聚磷代谢（PAM）是氮和磷去除的关键途径。流式细胞术分析显示，生物膜的空间分布促进了Accumulibacter、Competibacter、Nitrosomonas、Chlorella和Cyanobacteria之间的协同作用，进一步增强了氮和磷的去除效果。本研究为处理低碳氮比的市政废水提供了一种低能耗且可持续的方法。

引言

传统的生物营养物去除（CBNR）系统通常伴随着较高的能耗和大量的温室气体排放，其中二氧化碳（CO₂是主要排放源（van Loosdrecht和Brdjanovic，2014）。在这些过程中，机械曝气占能耗的最大比例（Stenstrom等人，2008）。基于微藻的技术提供了一种替代方案，但需要较大的表面积，并且无法完全满足CBNR的营养物去除要求（Mahapatra和Murthy，2021）。相比之下，微藻-细菌系统通过利用微藻和细菌之间的协同作用实现了更高的营养物去除效率（Tang等人，2024）。在这些系统中，微藻释放的氧气支持细菌的代谢活动，而细菌产生的CO₂被微藻吸收；同时，微藻吸收无机营养物质（如氨（NH₄⁺-N）以支持其生长（Kant Bhatia等人，2022；Tang等人，2024）。这些系统已有效处理了养猪场和工业废水（Kant Bhatia等人，2022）。然而，由于营养物去除效率有限、污泥沉降性能差以及反应时间较长，这些技术在处理低碳氮比（C/N）的市政废水时仍存在局限性（Shi等人，2024）。因此，需要先进的微藻-细菌技术来克服这些挑战。

近年来，光合增强型生物磷去除（PEBPR）系统作为一种有效策略出现，它结合了微藻和聚磷酸盐积累菌（PAOs），能够在低能耗下高效去除有机物和磷，并具有良好的污泥沉降性能和较短的水力停留时间（HRT）（Carvalho等人，2018；Mohamed等人，2021）。然而，这些系统的氮去除效率有限。为了解决这一问题，Carvalho等人（2021；2023）将硝化和反硝化过程整合到了PEBPR系统中。尽管有这一进展，但由于反硝化效率低下，这种方法仍不足以处理低碳氮比的废水。基于絮凝污泥的光合同步硝化-反硝化及磷去除（P-SNDPR）系统被开发出来，其中SND过程被整合到了光合增强型生物磷去除（PEBPR）系统中（Meng等人，2024b）。这一创新使得低氮比废水的有效处理成为可能。然而，在实际应用中，P-SNDPR系统的营养物去除效果仍然有限。在这些系统中，反硝化和同化作用是氮去除的主要途径（Meng等人，2024b）。通常，提高同化作用需要通过增加光照能量密度来实现。然而，过高的光照能量密度（Es）会抑制硝化相关基因的表达，从而降低PAO的活性（Meng等人，2024a；Wang等人，2021a）。因此，改善反硝化作用对于促进P-SNDPR系统长期高效处理市政废水至关重要。

生物膜是复杂的、多功能的生物集合体，它们附着在载体表面上，作为微生物过程的活性场所（Iannacone等人，2019）。在生物膜发育过程中，溶解氧（DO）的时空异质性导致生物膜基质内部逐渐形成不同的好氧和厌氧微环境（Zhao等人，2023）。因此，生物膜系统促进了具有不同氧气需求的多种微生物的共存，并保持了稳定的运行。在先前的研究中，与絮凝系统相比，SNDPR生物膜系统中反硝化聚磷菌（DPAOs）和反硝化糖原积累菌（DGAOs）的活性显著增强，从而显著提高了反硝化过程的效果（Iannacone等人，2019；Massoompour等人，2022）。在P-SNDPR系统中，微藻/氨氧化细菌（AOB）和PAOs/GAOs分别分布在好氧区和厌氧区，这可以有效增强氮的去除效果（Meng等人，2024b）。生物膜提供了结构和化学上异质的栖息环境，支持多种功能微生物的共存和活动（Zhang等人，2024）。然而，P-SNDPR系统目前仅限于基于絮凝的配置，尚未有生物膜技术的整合报道。这种未探索的组合为进一步研究提供了巨大潜力。

本研究旨在将生物膜技术整合到P-SNDPR系统中，以处理低碳氮比的市政废水。系统地比较了传统P-SNDPR系统和生物膜增强型P-SNDPR（P-SNDPRB）系统的氮和磷去除效果及其相关转化途径。通过BONCAT-FACS结合高通量测序技术，研究了两种系统中功能微生物群落的结构和活性变化。通过荧光原位杂交和宏基因组测序进一步分析了P-SNDPRB系统中的微生物分布、组成、功能基因的丰度以及微生物代谢，为系统的进一步应用和优化提供了理论基础。

章节摘录

反应器设计和操作条件

建立了一个实验室序批反应器（SBR），有效工作体积为4升，其中包含微藻-细菌协同作用，用于研究从低碳氮比市政废水中高效稳定地去除氮和磷。反应器持续接收来自居民区的市政废水。进水废水的详细特性总结在表S1中。该接种物来源于一个稳定的微藻-细菌系统，该系统用于处理合成废水

P-SNDPR和P-SNDPRB系统处理市政废水的运行性能

在第一阶段（第1-60天），P-SNDPR系统的絮凝种子污泥来自一个之前建立的用于处理低碳氮比合成废水的系统。操作条件与先前系统使用的条件一致（Meng等人，2024b）。结果，P-SNDPR系统有效去除了有机物和PO₄^3--P，使出水中的COD和PO₄^3--P浓度分别低于50 mg/L和0.5 mg/L（图1A和B）。P的释放量减少

结论

本研究开发了P-SNDPRB系统，以实现低碳氮比市政废水中高效的营养物去除。结果表明，由于市政废水的浊度波动，P-SNDPR系统的总氮去除率低于75%。引入生物膜技术后，P-SNDPRB系统的总氮去除率提高到82%以上。P-SNDPRB系统的有机物和磷的去除率也得到了改善。

CRediT作者贡献声明

李双双：正式分析、数据管理。刘洪军：验证、监督。张佳宇：软件开发、调查。曾伟：写作——审稿与编辑、资源获取。孟青刚：写作——初稿撰写、方法学设计、数据管理。彭永珍：资源协调、项目管理

Chen等人，2019；Zhang等人，2021。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52470021）的支持。