摘要

在一個新型微藻集成固定化活性污泥（MAIFAS）序批式反應器（SBR）中研究了從合成廢水中去除氮（N）和磷（P），以更好地理解廢水處理中的微藻/細菌生物膜。MAIFAS系統在不需要機械曝氣的情況下去除了>99%的氨氮和51%的磷，這明顯優于懸浮微藻污泥對照，后者僅從合成廢水中去除了57%的氨氮和49%的磷。

使用微電極進行的微觀研究表明，MAIFAS生物膜具有明確的光氧合作用，表面DO濃度達到6.7 mg O?/L，而體相溶液中為1.2 mg O?/L。這種局部氧合似乎有助于生物膜內氨氮去除的增加。氨氮微剖面顯示生物膜的藻類部分沒有顯著的氨氮去除，表明MAIFAS反應器中藻類生物膜的作用主要是輔助光氧合。基因測序顯示，在IFAS系統中添加微藻促進了細菌群落結構的顯著變化，并改變了幾種細菌群體的代謝活性。特別是，與IFAS對照相比，MAIFAS生物膜顯示出大量的Candidatus Accumulibacter種群（55% vs. <1%）。

總體而言，這項研究代表了一種使用混合共生微藻基IFAS技術降低能耗同時滿足嚴格出水標準的新策略。

引言

隨著人口的增長和環境要求變得更加嚴格，需要滿足監管標準并降低能耗的可持續水處理已成為水行業的首要任務。為了解決這些問題，微藻處理系統已被研究作為一種低成本、環境友好的廢水處理替代方案，以替代傳統的廢水處理工藝。藻類的營養和化學需求為高級生物修復和生物燃料生產提供了機會，通過將工業和市政設施與藻類系統整合，以實現城市資源的整體管理。

例如，微藻（如普通小球藻）已被用于處理廢水，因為它們具有吸收營養物（氮[N]和磷[P]）的潛力，而不必依賴有機碳源。此外，微藻作為一種可再生能源引起了關注，因為它們具有高生物量和脂質生產力的潛力（比傳統作物生產生物柴油高15-300倍）。

近年來，幾項研究將藻類光合作用與傳統的生物營養物去除工藝相結合。在這些系統中，藻類光合作用通過減少與機械曝氣相關的能源成本（即，工廠能源成本的45-75%）來顯著降低能耗。例如，Karya等人實現了在沒有機械曝氣的情況下從廢水中完全去除氨氮（50 mg NH??-N L?1），并發現85%的去除是由于硝化作用。同樣，Wang等人使用微藻-細菌群落從消化的豬糞中去除超過90%的總氮，并將80%的去除歸因于短程硝化/反硝化。

然而，這些系統依賴于快速生長的微藻來提供氧氣和緩慢生長的硝化細菌進行硝化/反硝化；從而限制了可以用于支持兩種生物體的固體停留時間。理想情況下，藻類和硝化細菌的SRT應解耦以提高營養物去除效率。

在過去的二十年中，美國許多污水處理廠發現固定膜技術（即，移動床生物反應器[MBBR]和集成固定膜活性污泥[IFAS]）為擴展或改進現有污水處理設施提供了有效的替代方案，特別是在硝化方面，因為其占地面積相對較小。這是因為硝化細菌傾向于在生物膜載體上定殖，因此即使懸浮硝化菌被沖出系統（例如，在低溫或短固體停留時間下），也可以被保留。雖然MBBR和IFAS系統都適用于通過硝化進行生物脫氮，但IFAS系統可以優化用于生物脫氮和除磷，因為硝化菌和聚磷菌的SRT是解耦的。先前的研究表明，硝化菌在IFAS介質上定殖，而聚磷菌主要存在于懸浮液中。通過將此概念應用于藻類-細菌廢水工藝，假設藻類生物膜可以在IFAS介質上形成，并為硝化生物膜提供足夠的氧氣，同時保持適合懸浮藻類-細菌群落除磷的SRT。

本研究提出了一種新型共生微藻基IFAS（MAIFAS）技術，作為降低能耗同時滿足嚴格出水標準的策略。這項研究的總體目標是確定開發的MAIFAS工藝是否可以通過解耦懸浮固體（用于除磷）和生物膜（用于硝化）之間的光曝氣來改進現有的IFAS工藝。為此，運行了三個實驗室規模的序批式反應器（即，MAIFAS、IFAS[對照]、懸浮微藻[陰性對照]），并評估了150天的營養物去除和光曝氣情況。使用多尺度研究闡明了MAIFAS系統中微藻和細菌之間的相互作用以及N和P的去除機制，這些研究包括微電極、下一代分子方法和一系列批次研究。

材料與方法

微藻培養、細菌接種和合成廢水制備

普通小球藻通常用于研究微藻廢水處理，因此被選為本研究的模型微藻。將小球藻菌株在含有500 mL Bold基礎培養基的1L玻璃瓶中培養。將瓶子在室溫下，在20μmol m?2 s?1光合有效輻射的連續冷白色熒光燈光照下孵育，并以50 rpm攪拌。最初，使用魚缸氣泵對培養物進行曝氣，以向藻類供應CO?。達到穩定期后，將培養物用于接種SBR實驗。從當地污水處理廠收集活性污泥用于接種SBR。使用具有以下組成的合成廢水作為生長培養基：240 mg L?1乙酸鈉，57.5 mg L?1 NH?Cl, 51 mg L?1 K?HPO?, 83 mg L?1 MgSO?, 13 mg L?1 CaCl?, 65 mg L?1酵母提取物和65 mg L?1牛肉提取物，相當于總化學需氧量300 mg L?1，總氮30 mg TN L?1和總磷10 mg P L?1。還添加了500 mg L?1 NaHCO?以提供足夠的堿度用于硝化。