《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effect of Feeding Regime on Biomass Productivity and Biodiesel Production in a High-Rate Pond for Post-Treatment of Domestic Wastewater
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本研究针对高负荷藻塘(HRP)在生活污水后处理中如何通过优化进料模式提升生物质与生物柴油产率的科学问题展开。研究人员通过对比每日2次与8次间歇进料模式发现，提高进料频率可使生物质生产力提升至52.1 g VSS·m-2·d-1，脂质产率达13.3 g·m-2·d-1，且不影响COD(60%)、总氮(74%)和总磷(56%)的去除效率。该成果为热带地区实现污水处理与能源回收协同优化提供了关键技术支撑。
在全球能源转型与碳中和战略推动下，利用微藻系统实现废水处理与生物能源协同生产已成为环境工程领域的前沿方向。高效藻塘（High-Rate Algal Pond, HRP）作为第三代生物燃料生产平台，尤其适合在光照充足的热带地区与污水处理系统耦合运行。然而，在实际应用中，HRP系统常面临处理效率与能源产出难以兼顾的挑战——较浅的水深（通常≤0.3米）虽有利于微藻光合作用，但限制了处理容量；而较长的水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）虽能提升污染物去除率，却会降低生物质产率。更关键的是，进料模式这一操作变量对系统稳定性和微藻群落动态的影响机制尚未明确，特别是在深水（0.5米）、短HRT（2天）的热带运行条件下。
为破解这一难题，巴西伯南布哥联邦大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表最新成果，通过106天的连续实验，首次系统揭示了进料频率对HRP系统多目标性能的调控规律。研究团队设计了两阶段对比实验：第一阶段采用每日2次、每次3小时的脉冲进料（HRT=2.4±0.4天），第二阶段升级为每日8次、每次45分钟的频密进料（HRT=2.2±0.2天），在保持相同水深（0.5米）和进水水质（UASB厌氧出水）条件下，同步监测污染物去除效率、生物质增长特性及脂质合成动态。
关键技术方法主要包括：①基于光学显微镜和纽鲍尔计数室的微藻群落动态监测；②采用重量法测定脂质含量并通过气相色谱分析脂肪酸甲酯组成；③通过氮质量平衡计算解析营养盐转化路径；④利用方差分析（ANOVA）和Tukey检验进行统计学显著性验证。
研究结果揭示了一系列重要发现：
3.1 环境条件
提高进料频率显著提升了系统稳定性，第二阶段溶解氧（DO）浓度升至9.7±2.7 mg/L，pH值达8.2±0.3，表明更密集的进料模式促进了光合作用强度。这种优化使系统始终符合巴西CONAMA 430/2011法规的pH排放标准（5-9），为实际工程应用提供了合规性保障。
3.2 微藻种类鉴定
群落结构分析显示，进料模式的改变引发了显著的生态演替。第一阶段以绿藻纲（Chlorophyceae）和硅藻纲（Diatomophyceae）为主（Scenedesmus sp.占37%），而第二阶段蓝藻纲（Cyanophyceae）比例显著上升。这种转变与进料频率增加引起的光限制效应和营养盐动态变化密切相关，证实了操作参数对微生物群落结构的定向调控能力。
3.3 有机负荷与营养盐去除
尽管进料模式改变，系统仍保持稳定的污染物去除性能：COD去除率60%、总氮去除率74%、总磷去除率56%，阶段间无统计学显著差异。氮质量平衡表明，氨氮同化是主要去除途径，而有限的硝化作用（硝酸盐积累较少）凸显了微藻主导的脱氮机制。
3.4 生物量与叶绿素生长
增加进料频率使生物质生产力从33.5±9.2 g VSS·m-2·d-1提升至52.1±18.2 g VSS·m-2·d-1，叶绿素a产率同步增长66%。这表明更连续的营养供应有效避免了底物限制，激发了微藻的生长潜能。
3.5 生物燃料生产
脂质生产率从4.1 g·m-2·d-1跃升至13.3 g·m-2·d-1，且脂肪酸甲酯（FAME）组成中棕榈酸（C16:0）比例达52.2%，饱和脂肪酸占比26.6%，符合高质量 biodiesel 的原料标准。叶绿素生产率与脂质生产率的高度正相关（r=0.8）证实了生物量积累与脂质合成的协同效应。
这项研究通过精巧的实验设计证实，在深水短HRT的HRP系统中，提高进料频率是实现污水处理与能源回收"双赢"的关键策略。该方法不仅避免了传统操作中常见的效率与产能此消彼长的矛盾，更通过优化微生物生长环境使系统综合性能得到全面提升。特别值得关注的是，研究揭示了进料模式对微藻群落结构的重塑作用——虽然蓝藻比例上升可能带来操作风险，但系统整体功能并未受损，这为后续通过群落调控进一步优化系统指明了方向。
从技术推广视角看，该研究为热带地区污水处理厂提供了低成本的升级方案：通过简单改造进料系统即可大幅提升能源回收效率，这对缺乏高级处理技术的地区具有重要实践价值。然而研究者也指出，更高频的进料需要更精确的流量控制，在放大应用中需权衡操作复杂度与效益增益。未来研究可聚焦于智能进料策略开发、蓝藻生长抑制方法以及脂质合成代谢调控，进一步释放HRP系统在循环经济中的潜力。
