隨著人口的增加和環(huán)境要求變得更加嚴(yán)格，滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)并減少能源消耗的可持續(xù)水處理的需求已成為水行業(yè)的首要任務(wù)。為了解決這些問題，人們對微藻處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將其作為傳統(tǒng)廢水處理工藝的低成本、環(huán)保廢水處理替代方案。通過將工業(yè)和市政公用事業(yè)與藻類系統(tǒng)相結(jié)合，以整體方法管理城市資源，藻類的營養(yǎng)和化學(xué)需求為先進(jìn)的生物修復(fù)和生物燃料生產(chǎn)提供了機(jī)會。近年來，一些研究將藻類光合作用與傳統(tǒng)的生物營養(yǎng)去除過程結(jié)合起來。在這些系統(tǒng)中，藻類光合作用通過降低與機(jī)械通氣相關(guān)的能源成本（即植物能源成本的45-75%）來顯著降低能源消耗。然而，這些系統(tǒng)依靠快速生長的微藻來提供氧氣和緩慢生長的硝化細(xì)菌來進(jìn)行硝化/反硝化；從而限制了可用于支持兩種生物體的固體保留時間（SRT）。理想情況下，藻類和硝化細(xì)菌的SRT應(yīng)分開，以提高營養(yǎng)物去除效率。

研究人員提出了一種基于共生微藻的新型IFAS(MAIFAS)技術(shù)，作為減少能源消耗同時滿足嚴(yán)格的廢水標(biāo)準(zhǔn)的策略。本研究的總體目標(biāo)是確定所開發(fā)的MAIFAS工藝是否可以通過解耦用于除磷的懸浮固體和用于硝化的生物膜之間的光曝氣來改進(jìn)現(xiàn)有的IFAS工藝。對三個實(shí)驗室規(guī)模的序批式反應(yīng)器(SBR)、懸浮微藻[陰性對照]）進(jìn)行了150天的操作和評估，以評估營養(yǎng)物去除和光曝氣的情況。通過微電極剖面分析系統(tǒng)（Unisense）、下一代分子方法和一系列批量研究等多尺度研究，闡明了微藻和細(xì)菌之間的相互作用以及MAIFAS系統(tǒng)中N和P的去除機(jī)制。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用DO微傳感器（尖端直徑：50μm）和pH微傳感器（尖端直徑：10μm）(UNISENSE A/S，丹麥)測量DO濃度和pH微分布。DO微傳感器分別在氧飽和（曝氣：8.6 mg O2 L?1，23°C）和缺氧（氮?dú)夤呐荩?%DO）人工廢水中進(jìn)行校準(zhǔn)。pH微電極在標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（pH 4、7和10）中進(jìn)行校準(zhǔn)。為了進(jìn)行微觀輪廓測量，將K1生物膜載體從反應(yīng)器中取出，用手術(shù)刀輕輕切成兩半，然后放入定制的流動池中，使廢水流過以2 mL/min的速率去除生物膜。使用夾具將樣品固定到位。使用三維(3D)顯微操作器（UNISENSE A/S，丹麥）完成微傳感器尖端在樣品中的定位和移動，并使用帶有CCD相機(jī)的立體顯微鏡進(jìn)行觀察。

實(shí)驗結(jié)果：在新型MAIFAS SBR中對合成廢水中N和P的去除進(jìn)行了150天的研究。微藻光合作用能夠為高級廢水處理提供足夠的氧氣（MAIFAS反應(yīng)器中氨去除率超過99%，磷去除率超過51%）。通過unisense微電極剖面分析系統(tǒng)研究揭示了MAIFAS生物膜中的局部通氣情況。IFAS系統(tǒng)中添加微藻促進(jìn)了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多個細(xì)菌類群代謝活性的顯著變化?？傮w而言，這項研究代表了一種新穎的策略，使用基于混合共生微藻的IFAS技術(shù)來降低能源成本，同時滿足嚴(yán)格的廢水標(biāo)準(zhǔn)。

圖1、150天內(nèi)IFAS對照、MAIFAS和懸浮藻對照SBR中的(a)pH、(b)氨、(c)COD和(d)總磷(TP)出水變化。在階段I的需氧序列期間，對所有反應(yīng)器應(yīng)用機(jī)械曝氣。在階段II的需氧序列期間，僅對MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加光照。

圖2、(a)MLSS，(b)MLVSS，(c)Chl。a和(d)懸浮葉綠素。IFAS對照、MAIFAS和懸浮藻類對照SBR超過150天的a/生物量比率。在需氧階段采集生物質(zhì)樣品。在階段I的需氧序列期間，對所有反應(yīng)器應(yīng)用機(jī)械曝氣。在階段II的需氧序列期間，僅對MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加光。

圖3、(a)生長30天、(b)60天和(c)90天后SBR循環(huán)期間的DO濃度。機(jī)械通氣僅應(yīng)用于需氧階段的IFAS控制。在有氧階段，向MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加76.2μmolm?2 S?1熒光（無機(jī)械通氣）。

圖4、(a)40天、(b)80天、(c)76.2μmol m?2 S?1白色熒光燈和黑暗條件下MAIFAS生物膜的DO濃度微分布)130天和(d)150天的生長。參考線代表隨時間變化的生物膜厚度。

圖5、生長140天后，MAIFAS生物膜在76.2μmol m?2 S?1白色熒光燈和黑暗條件下的(a)pH和(b)氨微分布。參考線代表隨時間變化的生物膜厚度。

結(jié)論：集成固定膜活性污泥(IFAS)工藝是一種先進(jìn)的生物廢水處理工藝，它將生物膜載體集成到傳統(tǒng)活性污泥中，以消除硝化細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌的污泥停留時間。在本論文研究中，研究人員將微藻納入IFAS配置中進(jìn)行光氧化，并評估了懸浮固體和IFAS生物膜介質(zhì)中微藻和細(xì)菌之間的共生反應(yīng)。在測序批量模式下，微藻-IFAS系統(tǒng)無需機(jī)械曝氣即可去除超過99%的氨和51%的磷。生物膜微觀剖面揭示了藻類生物膜的局部光氧化作用和IFAS介質(zhì)上硝化菌的硝化作用。基因測序表明IFAS系統(tǒng)中添加微藻促進(jìn)了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的顯著變化，并改變了幾個細(xì)菌群的代謝活性。這項研究代表了一種利用混合共生微藻-IFAS技術(shù)降低能源消耗同時滿足嚴(yán)格廢水標(biāo)準(zhǔn)的新策略。