400 L中试规模跑道池处理城市废水过程中高密度藻菌絮体生物质的形成

《Applied Sciences》：Formation of a High-Density Algal-Bacterial Flocculent Biomass in a Pilot-Scale Raceway Pond Treating Municipal Wastewater Styliani E. Biliani, Dimitrios Kakavas and Ioannis D. Manariotis

　　

本研究为中试规模跑道池废水处理系统中藻菌自絮凝生物质的渐进式构建提供了新见解，旨在提升可持续性并最小化环境足迹。藻菌共生体的协同作用可在提高生物质浓度的同时改善营养物去除效果。研究人员首先通过将运行体积从60 L逐步提升至400 L，实现了微藻-细菌生物质的渐进式构建。运行80天后，生物质浓度达到约4 g L?1的平台期，并表现出优异的沉降特性，初始沉降速度为14.8 cm min?1，仅需3 min即可实现高效分离。第80天后，反应器对有机物、氮和磷等所有营养物的去除效率均达到约95%。动力学分析显示，营养物去除遵循一级动力学，可溶性化学需氧量（sCOD）和氨氮（sNH3-N）的去除速率常数分别达到0.017 h?1和0.020 h?1。研究结果展示了高污染物去除效率，并为城市废水处理中高浓度微藻-细菌共生体的应用提供了设计指导，为解决当前废水处理问题提供了一种替代性的绿色途径。

论文解读

随着全球水资源与能源压力持续增大，可持续废水处理技术成为研究热点。传统活性污泥法能耗高达0.3–0.6 kWh/m3，且藻类生物质收获成本占微藻生产总成本的20%–30%，限制了藻菌系统的规模化应用。现有研究多集中于低生物质浓度（0.8–1.0 g L^?1）下的藻菌共生体系，对高生物质浓度下的长期稳定性、絮体形成及沉降行为关注不足。此外，多数研究依赖高能耗收获方法或化学絮凝剂，缺乏自然沉降型藻菌体系的工程化验证。针对上述问题，希腊帕特雷大学研究团队在《Applied Sciences》发表研究，通过体积递增策略在中试规模跑道池中构建了高密度自絮凝藻菌生物质，系统评估了其处理城市废水的效能与机制。

研究人员采用的关键技术方法包括：构建400 L椭圆型不锈钢跑道池，由30 W电机驱动桨轮维持18.5 cm s^?1流速；接种源自5.5 L实验室规模跑道池的絮凝态藻菌生物质，采用体积递增协议将运行体积从120 L逐步提升至400 L，水力停留时间（HRT）最终稳定在8天；通过零阶与一阶动力学模型拟合营养物去除过程，结合光学显微镜观察絮体结构与群落组成，采用标准方法测定总悬浮固体（TSS）、挥发性悬浮固体（VSS）、叶绿素a（Chl-a）、可溶性化学需氧量（sCOD）、总凯氏氮（sTKN）、氨氮（sNH₃-N）、硝酸盐氮（sNO₃-N）、总磷（sTotal-P）等指标，并通过脂类、蛋白质、糖类的生化组分分析表征生物质特性。

3.1 生物质发育与特征

研究人员通过体积递增策略成功构建了高浓度藻菌体系。运行70天后，生物质浓度稳定在3.8 g TSS L^?1，叶绿素a浓度为2180 mg m^?3，生物质生产率达17.4 g TSS m^?2d^?1。pH值在进水前为8.5–10.3，进水后降至8–9.3；溶解氧（DO）浓度始终高于10 mg L^?1，表明微藻光合产氧效率显著。值得注意的是，VSS/TSS比值仅为0.5，说明生物质中包含大量无机沉淀物（如碳酸盐、磷酸盐），这是高pH条件下非生物过程的结果。生化组分分析显示，运行100天后，脂质含量从8.0%升至18.5%，蛋白质含量从9%增至70%，糖类含量从0.07%升至2.5%，表明体系进入稳态代谢平衡。

3.2 生物质分离

显微镜观察证实，体系中同时存在Chlorella、Scenedesmus等微藻，以及细菌、原生动物与浮游动物，形成复杂共生生态系统。运行28天后，分散细胞逐渐形成致密絮体，嵌入细菌与原生动物，絮体凝聚力随生物质浓度升高而增强。沉降实验显示，生物质初始沉降速度达14.8 cm min^?1，完全沉降时间小于4 min，远快于传统活性污泥系统。碱性pH（最高达10.3）通过降低细胞间静电斥力促进了生物絮凝，胞外聚合物（EPS）的分泌进一步增强了絮体结构稳定性。

3.3 有机物与营养物去除

第80天后，体系对sCOD、sTotal-P、sNH₃-N的去除效率均接近95%。营养物去除由生物与理化过程共同驱动：微藻与细菌的同化作用是主要途径，同时高pH（9.3–10.3）与高DO（>10 mg L^?1）促进了氨吹脱与磷沉淀。具体而言，氨氮去除中约10%源于氨挥发，其余为生物同化；硝酸盐浓度低于0.5 mg NO₃-N L^?1，因高DO抑制了反硝化作用；磷去除则结合了藻类吸收、细胞表面吸附与化学沉淀。能量消耗分析显示，该跑道池桨轮能耗仅为0.225 kWh/m3，显著低于传统活性污泥法。

3.4 有机物与营养物去除动力学

在第126–130天的稳态阶段，研究人员对营养物去除动力学进行拟合。结果显示，除sCOD更符合零阶动力学外，其余指标均符合一级动力学。sCOD、sTotal-P、sTKN、sNH₃-N的一级速率常数分别为0.017 h^?1、0.010 h^?1、0.016 h^?1、0.020 h^?1；硝酸盐因初始浓度极低（0.45 mg L^?1），去除速率常数高达0.270 h^?1。模型验证表明，一级动力学更能反映生物摄取主导的去除过程。

讨论与结论

本研究首次在中试规模验证了高密度自絮凝藻菌体系的可行性，突破了传统藻菌系统对低生物质的限制。研究发现，通过体积递增策略可诱导形成稳定絮体，其快速沉降特性可降低收获成本；高pH条件下的理化协同作用显著提升营养物去除效率；低能耗特性使其适用于地中海气候区等高温区域。研究结论强调，维持适宜的初始生物质浓度是实现光利用、营养物去除与藻菌共生平衡的关键。该体系为城市废水处理提供了一种绿色替代方案，可通过整合至现有污水处理厂，降低运行成本并促进资源回收。