水力停留时间与环境参数对基于微藻的三级废水处理中营养物去除的影响：一项长达一年的研究

《Journal of Water Process Engineering》：Effect of hydraulic retention time and environmental parameters on nutrient removal in a microalgae-based tertiary wastewater treatment: A yearlong study

本期文章推荐：为应对日益严格的废水排放法规，尤其是在氮(N)、磷(P)方面，研究人员开展了一项长达一年的中试研究，探讨了在不同季节变化下，水力停留时间(HRT)如何影响基于微藻的三级废水处理（精处理）的性能。研究结果显示，在全年操作中，所有测试均能实现氮含量降至法定标准（< 8 mg N.L?1），磷的达标则与季节和HRT密切相关。在环境条件不利的季节，需要更长的HRT才能实现磷的有效去除。此项研究为微藻系统作为大型废水处理设施的精处理步骤的实际应用提供了关键的操作参数优化依据。

　　

随着全球环保意识的增强，污水处理行业正面临着一场深刻的变革。日益严格的排放法规，特别是针对氮和磷等易导致水体富营养化的营养物，对现有污水处理设施提出了升级换代的要求。在这一背景下，将微藻培养技术与污水处理相结合，作为一种既能去除污染物又能回收资源（如氮、磷）的潜在解决方案，吸引了越来越多的研究目光。然而，尽管微藻在初级和二级污水处理中的应用已被广泛研究，但其作为三级“精处理”步骤的应用仍存在知识缺口，尤其是在如何适应季节变化、优化操作参数以实现稳定高效的营养物去除方面，仍需进一步的探索。为了解决这些实际问题，推动这项绿色技术走向大规模应用，一项持续整整一年的中试研究应运而生。

这篇题为“Effect of hydraulic retention time and environmental parameters on nutrient removal in a microalgae-based tertiary wastewater treatment: A yearlong study”的论文，发表于《Journal of Water Process Engineering》。研究深入探究了水力停留时间(HRT)和季节变化这两个关键因素，如何影响开放式微藻系统对二级出水（已进行高级氮去除的活性污泥系统出水）的净化效果。研究旨在回答的核心问题是：在不同季节的环境条件下，需要多长的HRT才能确保处理后的废水满足最新的排放标准？微藻系统的稳定性和处理效率如何随季节变化？主要的营养物去除机制是什么？

为了回答这些问题，研究团队采用了几项关键技术方法。首先，他们构建了两个中试规模的跑道式反应器（RW），在葡萄牙一座处理规模约19.7万人口当量的污水处理厂进行了为期一年的现场实验。实验使用了未经接种的本土天然微藻群落，在没有任何营养盐补充的情况下，以半连续补料-排水模式运行。其次，他们系统地设置了不同的HRT条件（7、5.5、4和3天），并在一年四季中进行了测试，以评估季节效应。再者，研究进行了全面的水质和生物质分析，包括常规监测溶解态的氮（N-NO₃^-， N-NH₄⁺， TN）、磷（P-PO₄^3-， TP）和碳（TIC, TOC, TC），以及测量生物质干重和元素组成（C、N、P）。同时，利用光学显微镜对微藻群落和污染性微型动物进行半定量监测。此外，研究还通过原位探针连续监测培养液的温度、pH和溶解氧(DO)，并结合现场气象站数据获取光照、气温和降水等环境参数。最后，研究者运用物质平衡计算来量化N、P、C的主要去除途径，并利用主成分分析(PCA)和相关性分析，从庞杂的数据集中识别出影响系统性能的最关键操作和环境因子。

研究结果

3.1. 环境参数和原位培养参数

研究全年监测了环境参数。在光照方面，春、夏季平均日PAR（光合有效辐射）辐照度（约500 μmol·m^?2·s^?1）显著高于秋、冬季（约220 μmol·m^?2·s^?1）。水温则按夏 > 春 ≈ 秋 > 冬的顺序递减。培养液pH和溶解氧(DO)表现出明显的昼夜波动，且平均pH值在光照充足、水温较高的季节（夏、春）更高。这些数据为理解后续性能的季节性差异提供了环境背景。

3.2. 生物质生产与特性

通过对微藻群落的显微镜观察发现，在冬、春、夏三季，群落组成相对稳定，以Scenedesmussp.（栅藻）为优势种，但到了秋季，群落发生了显著演替，出现了Tetradesmussp.、Nitzschiasp.（菱形藻）等新的优势种。污染性微型动物的丰度在冬季和秋季较高，在春季和夏季较低，且在较高HRT条件下有时观察到更高的污染生物丰度。生物质的面积产率在春季和夏季（6.39 ± 2.64 g·m^?2·day^?1）显著高于冬季和秋季（3.07 ± 1.78 g·m^?2·day^?1），并且在同一季节内，生物质产率与HRT呈反比，即更低的HRT（更快的周转）带来了更高的产率。生物质的元素组成也随季节变化，在光照和温度较低的秋、冬季，生物质中的氮、磷含量有升高的趋势，表明微藻在生长受限时倾向于积累营养盐。

3.3. 溶解态营养盐

在营养物去除方面，所有测试条件下，出水中的总氮(TN)浓度均能稳定达到低于8 mg N·L^?1的排放标准。铵氮(N-NH₄⁺)只要在进水中存在，几乎能被完全去除。硝酸盐氮(N-NO₃^-)和总氮(TN)的面积去除率在大多数季节显示出与HRT的负相关关系，即更短的HRT带来了更高的去除率。总磷(TP)的去除表现则更复杂，与季节和HRT紧密耦合。在春、夏季，即使采用较短的HRT（如3或4天），也能实现出水TP稳定低于0.5 mg P·L^?1的标准。但在秋、冬季，则需要更长的HRT（7天）才能获得较高的达标率。在秋季进行的3天HRT测试达标率高，主要是由于该时段进水TP本底值较低。总无机碳(TIC)和总碳(TC)的去除率也普遍与HRT呈负相关。值得注意的是，单位生物质对氮、磷的比去除率在光照充足的春、夏季反而低于光照较弱的秋、冬季，这表明在春、夏季，微藻的生长可能受到了进水中相对较低的营养盐浓度的限制。

3.4. N、P和C的物质平衡

通过物质平衡计算，量化了营养物的主要归趋。结果表明，生物质吸收是贯穿整个实验期间最主要的氮、磷、碳去除机制。在春、夏季，碳平衡中出现了负的“其他”项(C_Other)，表明系统从大气中吸收了额外的CO₂。在秋、冬季，氮、磷平衡中出现了正的“其他”项(N_Other, P_Other)，暗示了除生物质吸收外的其他去除途径，如高pH条件下氨的挥发（对N）和磷酸盐的化学沉淀（对P）。对秋季生物质洗涤水的分析证实了磷酸盐沉淀的存在。

3.5. 通过相关性量化和主成分分析评估系统变量

最后，研究通过主成分分析(PCA)和相关性分析，从数据集中提炼出关键影响因素。分析指出，室外气温、辐照度与生物质产率呈正相关。HRT与进水营养盐浓度呈负相关，这解释了为何循环初期的营养盐浓度与进水浓度相关性不高（因为HRT影响了稀释比例）。PCA结果显示，需要多达8个主成分才能解释90%以上的数据方差，说明影响系统性能的变量之间具有较高的独立性，系统行为是多种环境与操作参数复杂相互作用的结果。

结论与意义

这项长达一年的中试研究系统地评估了HRT和季节变化对微藻三级废水处理系统性能的影响，得出了具有重要实践意义的结论。首先，在技术可行性上，研究证实了基于天然微藻群落的开放式跑道池系统，可以有效作为二级出水的精处理步骤，能够持续地将出水总氮降至法定限值以下。其次，在操作优化上，研究明确了HRT的设定需与环境条件（尤其是光照和温度）协同考虑。在光照充足、温度较高的春、夏季，可以采用较短的HRT（如3-4天），在实现营养物高效去除的同时，获得更高的生物质产率，从而降低占地面积和运行成本。而在光照较弱、温度较低的秋、冬季，则需要适当延长HRT（如7天）来保证磷的稳定达标，但这也可能增加污染生物风险。再者，在机制阐释上，研究通过物质平衡明确了生物质吸收是营养物去除的主导途径，同时量化了其他途径（如大气碳吸收、磷酸盐沉淀）的贡献，为全面评估该技术的资源回收潜力和环境效益提供了依据。

本研究的发现为微藻精处理技术在未来大型污水处理厂的应用提供了关键的决策支持。它表明，为了实现全年的稳定运行和达标排放，操作策略需要具备一定的灵活性和季节性适应性，而非采用固定不变的HRT。这项研究填补了微藻技术在三级处理领域长期、中试规模研究的空白，其基于真实环境条件和实际废水所得的详实数据，对于推动该技术从实验室走向工程化应用具有重要的参考价值。论文作者为Sofia Vaz, Rui C. Martins, Helena M. Pinheiro, Laura Monteiro，其研究成果为可持续废水处理和水资源回收领域贡献了宝贵的见解。