生物膜集成微藻-细菌膜光生物反应器处理人工海水养殖废水的温度依赖性能及膜污染机理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Temperature-dependent performance and membrane fouling mechanisms of a biofilm-integrated microalgae–bacteria membrane photobioreactor for synthetic mariculture wastewater treatment

　　

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  开发了膜生物反应器（MPBR）用于不同温度条件下的废水处理。
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  温度影响了膜生物反应器的处理性能及膜污染行为。
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  中等温度有利于营养物质去除，总氮去除率达到95.24%。
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  低温降低了营养物质去除效率，并与严重的滤饼层污染相关。

引言

近年来，水产养殖行业越来越强调环境友好、生态平衡和可持续发展实践[1]。因此，经济有效地处理水产养殖废水对于减少营养物质排放和防止水环境污染至关重要[2]。在各种处理技术中，微藻-细菌膜光生物反应器（MPBR）受到了越来越多的关注，因为微藻-细菌共生体系可以通过微藻和细菌之间的互利相互作用实现营养物质去除、工艺稳定性和节能[3], [4], [5]。此外，从废水处理中回收的微藻生物量可进一步用作生物肥料、生物炭和生物燃料的原料，支持资源回收和循环生物经济发展[6]。膜分离使MPBR能够将水力停留时间（HRT）与生物量停留时间（BRT）解耦，从而增强生物量截留并提高连续流运行期间的系统稳定性[7]。同时，微藻-细菌生物膜提供了附着生长表面，并具备简单且经济高效的生物量收获优势[8]。为了结合膜光生物反应器和微藻生物膜的优势，已开发出膜生物反应器用于废水处理，显示出改善的营养物质去除和减少的膜污染[9], [10]。此外，我们之前的研究开发了一种与灌注式微藻生物膜相结合的膜光生物反应器用于海水养殖废水处理，表现出比单一膜光生物反应器更效且更稳定的营养物质去除效果[11]。本研究主要关注反应器构型设计与优化，利用微藻共培养实现高效废水处理。然而，不同温度条件下微藻-细菌共生膜生物反应器的性能及膜污染行为仍缺乏深入了解。特别是温度相关的共生体系性能变化、细菌群落组成、胞外污染物特征、絮体性质与膜污染行为之间的关系需要进一步研究。

温度是影响微藻和细菌生长及代谢过程的关键环境因子，从而影响营养物质去除效率[12]。低温通常由于微生物活性降低而减少营养物质去除[13], [14]，而过高温度可能通过抑制微藻生长而对废水处理产生不利影响[15]。然而，最适温度因系统而异，取决于藻种、细菌群落和反应器构型。例如，20℃有利于Chlorella vulgaris-细菌体系的营养物质去除，但在Chlamydomonas sp.-细菌共生体系中却表现不佳[13], [15]。此外，微藻-细菌共生体系比单一微藻或细菌体系更为复杂，因为温度不仅单独影响微藻和细菌的群落结构，还改变微藻-细菌之间的关系和种间相互作用[16], [17]。因此，膜生物微藻-细菌MPBR的温度响应需要进一步阐明。

膜污染是膜反应器中不可避免的现象，通常表现为跨膜压力（TMP）逐渐升高和膜通量相应下降[5]。因此，有效的污染管理对于膜生物反应器的成功实施和长期运行至关重要。膜污染源于各种污染物的聚集和沉积，包括微藻细胞、细菌细胞、细胞碎片、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物产物（SMP）和其他胞外有机物（EOM）[18]。环境条件和物种特征已被证明显著影响膜污染[18]。温度作为最重要的环境因子之一，调节微生物生长、细胞表面性质、EOM合成和液体黏度，从而影响污染物黏附、滤饼层形成和孔隙堵塞过程[19], [20]。一般来说，由于EPS/SMP产生减少和液体黏度降低，在高温下单培养微藻或污泥细菌的污染速率较低[19], [20], [21]。然而，关于温度诱导污染的研究主要集中在微藻或污泥细菌的单培养上。此外，尽管在微藻-细菌膜光生物反应器中已研究了污泥停留时间（SRT）、微藻与细菌比、氮磷比和光周期等因素[5], [22], [23], [24]，但温度对膜生物微藻-细菌MPBR膜污染的影响及其机制仍不明确。

因此，本研究旨在系统研究温度对膜生物微藻-细菌膜光生物反应器（膜生物MPBR）处理海水养殖废水的运行性能和膜污染机制的影响。相应地，以低温（约10°C）、中等温度（约20°C）和高温（约30°C）作为主要实验变量。膜生物MPBR最初以批式运行，随后在HRT为3天的连续流条件下运行。具体目标为：(i) 评估悬浮培养和生物膜中微藻-细菌共生体系的生长动态和生理性能；(ii) 评估不同温度下氨氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率；(iii) 表征温度相关的细菌群落结构变化和EPS/SMP动态；(iv) 研究不同温度条件下的膜污染行为及其与胞外污染物特征和絮体性质的关系。

部分摘要

微藻菌株、活性污泥和废水

Oocystis sp.菌株来源于中国科学院水生生物研究所淡水藻类培养保藏中心（FACHB），中国。微藻细胞在500mL锥形瓶中预培养，瓶中装有200mL BG-11培养基，在25 ± 2℃下持续光照50 μmol/m²/s。锥形瓶放置于摇床上以150rpm的速度混合。达到稳定期后，收集微藻细胞用于后续实验。活性污泥取自污水处理厂

温度和生长悬浮及附着微藻-细菌共生体系

温度影响了膜生物MPBR中悬浮和附着微藻-细菌共生体系的不同生长模式（图2）。悬浮生物量在运行期间逐渐增加，表明在所有温度条件下微藻-细菌共生体系均成功建立并持续发展（图2a）。在三台反应器中，中等温度反应器通常表现出较高的悬浮生物量积累，尤其是

结论

本研究调查了温度对膜生物MPBR中营养物质去除、微藻-细菌生长、微生物群落演替和膜污染的影响。在第60至75天的稳定期内，中等温度下平均总氮去除效率达到95.24%，而低温和高温下分别为83.27%和91.33%，同时氨氮去除接近100%，所有温度条件下总磷去除率约为88%。低

未引用的参考文献

[27], [28]

作者贡献声明

周雨萌：撰写——初稿，调查研究。黄剑科：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。黄志平：可视化，方法学。王晓宇：调查研究，形式化分析。薛希文：撰写——初稿，可视化，调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述工作的内容。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32273157）的资助。

周雨萌|黄志平|黄剑科|薛希文|王晓宇