随着人口的增加和环境要求变得更加严格，满足监管标准并减少能源消耗的可持续水处理的需求已成为水行业的首要任务。为了解决这些问题，人们对微藻处理系统进行了研究，将其作为传统废水处理工艺的低成本、环保废水处理替代方案。通过将工业和市政公用事业与藻类系统相结合，以整体方法管理城市资源，藻类的营养和化学需求为先进的生物修复和生物燃料生产提供了机会。近年来，一些研究将藻类光合作用与传统的生物营养去除过程结合起来。在这些系统中，藻类光合作用通过降低与机械通气相关的能源成本（即植物能源成本的45-75%）来显着降低能源消耗。然而，这些系统依靠快速生长的微藻来提供氧气和缓慢生长的硝化细菌来进行硝化/反硝化；从而限制了可用于支持两种生物体的固体保留时间（SRT）。理想情况下，藻类和硝化细菌的SRT应分开，以提高营养物去除效率。


研究人员提出了一种基于共生微藻的新型IFAS(MAIFAS)技术，作为减少能源消耗同时满足严格的废水标准的策略。本研究的总体目标是确定所开发的MAIFAS工艺是否可以通过解耦用于除磷的悬浮固体和用于硝化的生物膜之间的光曝气来改进现有的IFAS工艺。对三个实验室规模的序批式反应器(SBR)、悬浮微藻[阴性对照]）进行了150天的操作和评估，以评估营养物去除和光曝气的情况。通过微电极剖面分析系统（Unisense）、下一代分子方法和一系列批量研究等多尺度研究，阐明了微藻和细菌之间的相互作用以及MAIFAS系统中N和P的去除机制。


Unisense微电极系统的应用


使用DO微传感器（尖端直径：50µm）和pH微传感器（尖端直径：10µm）(UNISENSE A/S，丹麦)测量DO浓度和pH微分布。DO微传感器分别在氧饱和（曝气：8.6 mg O2 L−1，23°C）和缺氧（氮气鼓泡：0%DO）人工废水中进行校准。pH微电极在标准缓冲溶液（pH 4、7和10）中进行校准。为了进行微观轮廓测量，将K1生物膜载体从反应器中取出，用手术刀轻轻切成两半，然后放入定制的流动池中，使废水流过以2 mL/min的速率去除生物膜。使用夹具将样品固定到位。使用三维(3D)显微操作器（UNISENSE A/S，丹麦）完成微传感器尖端在样品中的定位和移动，并使用带有CCD相机的立体显微镜进行观察。


实验结果：在新型MAIFAS SBR中对合成废水中N和P的去除进行了150天的研究。微藻光合作用能够为高级废水处理提供足够的氧气（MAIFAS反应器中氨去除率超过99%，磷去除率超过51%）。通过unisense微电极剖面分析系统研究揭示了MAIFAS生物膜中的局部通气情况。IFAS系统中添加微藻促进了细菌群落结构和多个细菌类群代谢活性的显著变化。总体而言，这项研究代表了一种新颖的策略，使用基于混合共生微藻的IFAS技术来降低能源成本，同时满足严格的废水标准。

图1、150天内IFAS对照、MAIFAS和悬浮藻对照SBR中的(a)pH、(b)氨、(c)COD和(d)总磷(TP)出水变化。在阶段I的需氧序列期间，对所有反应器应用机械曝气。在阶段II的需氧序列期间，仅对MAIFAS和悬浮反应器施加光照。

图2、(a)MLSS，(b)MLVSS，(c)Chl。a和(d)悬浮叶绿素。IFAS对照、MAIFAS和悬浮藻类对照SBR超过150天的a/生物量比率。在需氧阶段采集生物质样品。在阶段I的需氧序列期间，对所有反应器应用机械曝气。在阶段II的需氧序列期间，仅对MAIFAS和悬浮反应器施加光。

图3、(a)生长30天、(b)60天和(c)90天后SBR循环期间的DO浓度。机械通气仅应用于需氧阶段的IFAS控制。在有氧阶段，向MAIFAS和悬浮反应器施加76.2µmolm−2 S−1荧光（无机械通气）。

图4、(a)40天、(b)80天、(c)76.2µmol m−2 S−1白色荧光灯和黑暗条件下MAIFAS生物膜的DO浓度微分布)130天和(d)150天的生长。参考线代表随时间变化的生物膜厚度。

图5、生长140天后，MAIFAS生物膜在76.2µmol m−2 S−1白色荧光灯和黑暗条件下的(a)pH和(b)氨微分布。参考线代表随时间变化的生物膜厚度。


结论：集成固定膜活性污泥(IFAS)工艺是一种先进的生物废水处理工艺，它将生物膜载体集成到传统活性污泥中，以消除硝化细菌和异养细菌的污泥停留时间。在本论文研究中，研究人员将微藻纳入IFAS配置中进行光氧化，并评估了悬浮固体和IFAS生物膜介质中微藻和细菌之间的共生反应。在测序批量模式下，微藻-IFAS系统无需机械曝气即可去除超过99%的氨和51%的磷。生物膜微观剖面揭示了藻类生物膜的局部光氧化作用和IFAS介质上硝化菌的硝化作用。基因测序表明IFAS系统中添加微藻促进了细菌群落结构的显着变化，并改变了几个细菌群的代谢活性。这项研究代表了一种利用混合共生微藻-IFAS技术降低能源消耗同时满足严格废水标准的新策略。