利用微藻连续管式膜光生物反应器提高海水养殖废水中的氨氮去除率

《Chemical Engineering Science》：Enhancing ammonia nitrogen removal rate from marine aquaculture wastewater using a microalgal continuous tubular membrane photobioreactor

微藻膜光生物反应器（MPBR）有效去除养殖废水中氨氮（NH4+），处理浓度达35 mg/L时去除率97.23%，生物质浓度3.90 g/L。

　　

谢善宇|董宇|张一仪|刘静超|姜双成|王远鹏

厦门大学化学与化学工程学院化学与生物化学工程系，中国厦门361005

摘要

海洋水产养殖废水中氨氮（NH₄⁺-N）的处理仍然是一个全球性的挑战。微藻光生物反应器（PBR）系统为这种废水处理提供了一种潜在的可持续方法。然而，传统的PBR系统通常表现出NH₄⁺-N去除效果不稳定，且生物质积累有限。在本研究中，使用Nannochloropsis oculata接种的膜光生物反应器（MPBR）对海洋水产养殖废水进行了处理，在不同 influent 浓度下均实现了有效的NH₄⁺-N去除，并同时增加了微藻生物质。所有连续管式MPBR均在固定的水力停留时间（HRT）24小时和固体停留时间（SRT）50天的条件下运行。当 influent 中的NH₄⁺-N浓度为10 mg L^?1时，系统达到了3.90 g L^?1的生物质浓度，并去除了超过99%的NH₄⁺-N；即使在30 mg L^?1的浓度下，去除效率仍保持在97.23%。扫描电子显微镜（SEM）和流式细胞术显示，在两种负荷条件下，N. oculata在30天内占藻类群落的90%以上，表明其在氮去除中的主导作用。生化结果显示，细胞蛋白质含量与NH₄⁺-N浓度之间存在正相关关系，而在NH₄⁺-N限制条件下，总脂质积累得到促进。此外，绿色程度评估表明，微藻方法在环境可持续性方面具有优势。在本MPBR系统中，当 influent 中的NH₄⁺-N浓度为35.21 mg L^?1时，实现了最高的NH₄⁺-N去除率（35.25 mg NH_{4⁺-L^?1 d^-1）和97.68%的去除效率。这些结果为使用MPBR高效去除废水中的NH4⁺-N提供了实用策略。}

引言

近年来，全球水产养殖业迅速发展，2022年的总产量估计达到了1.309亿吨（Shovon等人，2025年）。这一增长伴随着水产养殖废水量持续增加，尤其是在发展中国家，这些废水往往未经充分处理就被排放到环境中（Kashem等人，2023年；Sangamnere等人，2023年）。水产养殖废水通常含有高水平的有机物、氮化合物、代谢副产物、藻类和浮游生物，这些物质会降解接收水体，消耗溶解氧，并导致水生生物死亡（Abou-Okada等人，2025年；Li等人，2025b年；Liu等人，2025年）。在这些污染物中，氨氮（NH₄⁺-N）尤其令人关注，因为其浓度升高会引发富营养化，并损害水生动物的健康和免疫功能（Li等人，2025a年）。因此，管理水产养殖废水中的含氮化合物已成为一个核心问题，迫切需要有效的处理策略。

为了解决这一挑战，已经开发了多种物理和化学技术来去除水产养殖废水中的NH₄⁺-N（Chin等人，2020年；Yu等人，2021年）。基于膜的分离过程可以实现高效率的NH₄⁺-N去除。例如，膜蒸馏已被报道可以从合成水产养殖废水中去除97.5%的NH₄⁺-N（NH₄⁺-N浓度：20 mg L^?1）（Zhang等人，2023年）。化学沉淀和电化学氧化也被广泛研究用于去除水产养殖废水中的NH₄⁺-N。struvite沉淀已被广泛应用于从低浓度海水废水中去除NH₄⁺-N（NH₄⁺-N浓度：10 mg L^?1），去除率可达98%（Ong等人，2025年）。然而，这种方法会产生struvite（MgNH₄PO₄·6H₂O）这种固体副产物，需要进一步处理。同样，使用PtRu/石墨电极的电化学间接氧化也几乎可以完全去除合成水产养殖废水中的NH₄⁺-N（NH₄⁺-N浓度：50 mg L^?1）（Qing等人，2021年）。因此，物理和化学方法在水产养殖废水中的NH₄⁺-N去除方面显示出有效性。然而，这些方法通常成本较高，会产生二次固体废物，并可能引入额外的污染物，这限制了它们的大规模应用。

生物方法已成为处理废水中NH₄⁺-N最广泛和可持续的方法。特别是微藻因其能够将无机氮（如NH₄⁺-N）直接转化为有机氮，并将废水污染物转化为生物质而受到研究人员的广泛关注（Xie等人，2025年）。此外，与池塘等开放系统相比，封闭的PBR为微藻生长提供了更稳定和可控的环境，降低了污染风险（Wang等人，2024年；Xie等人，2025年）。例如，Liao等人使用Chlorella-细菌联合体在玻璃PBR中处理虾废水（NH₄⁺-N浓度：1.25 mg L^?1），7天内实现了99.2%的NH₄⁺-N去除率（Liao等人，2025年）。同样，圆柱形PBR也被用于通过微藻和细菌连续处理合成水产养殖废水（NH₄⁺-N浓度：5 mg L^?1）。尽管NH₄⁺-N去除率超过了90%，但生物质从3.5 g L^?1下降到了1.8 g L^?1（Liu等人，2025年）。因此，这些研究表明，尽管PBR具有优势，但仍面临NH₄⁺-N处理能力有限和生物质浓度随时间下降的问题（Tian等人，2024年）。

膜光生物反应器（MPBR）通过在PBR出口处使用孔径远小于微藻细胞的膜模块，实现了微藻富集和高效的NH₄⁺-N去除。值得注意的是，MPBR作为一种有效处理海洋水产养殖废水的方法显示出巨大潜力，这归功于其在去除NH₄⁺-N方面的卓越效率（You等人，2025年）。Ye等人使用聚甲基丙烯酸甲酯制成的充气MPBR处理虾废水（NH₄⁺-N浓度：4.2 mg L^?1），实现了97.37%的NH₄⁺-N去除率。10天内，生物质从0.33 g L^?1增加到了大约1.33 g L^?1（Ye等人，2025年）。同样，一个配备聚偏二氟乙烯（PVDF）中空纤维膜模块的圆柱形MPBR也被用于处理水产养殖废水（NH₄⁺-N浓度：2 mg L^?1）。连续运行14天后，NH₄⁺-N去除率超过了99%，生物质增加了六倍（Qian等人，2022年）。此外，将MPBR应用于盐度在0.5%到3.2%之间的废水处理表明，生物膜反应器与微藻-细菌联合体的结合增强了微藻的生产力和氮吸收，从而提高了总无机氮的去除率（Xia等人，2025年）。然而，仍需进一步研究以提高MPBR中的NH₄⁺-N去除率和生物质积累。此外，关于微藻在MPBR中反硝化过程中的作用以及NH₄⁺-N对微藻生化组成的影响，目前还缺乏了解。

在本研究中，我们报告了微藻可以在连续管式MPBR中有效去除海洋水产养殖废水中的NH_{+-N，同时富集微藻生物质并调节细胞生化组成。首先，改变了 influent 中的NH4⁺-N浓度，并评估了MPBR中的NH4⁺-N去除率和微藻生物质积累情况。其次，在不同阶段量化了反应器内的微藻比例，并明确了微藻对NH4⁺-N去除的具体贡献。第三，总结了 influent 中NH4⁺-N浓度对藻类蛋白质和总脂质含量的影响。同时，通过碳平衡和成本分析以及工艺性能评估，评估了使用连续管式MPBR进行基于微藻的海洋水产养殖废水处理的实际可行性。这项工作为微藻在连续管式MPBR系统中高效去除水产养殖废水中的NH+-N提供了宝贵的见解。}

材料

Nannochloropsis oculata（N. oculata）由厦门大学国家海洋微生物学重点实验室的海洋细菌和浮游植物收集中心（CCMBP）提供。用于培养的海水取自中国福建省厦门市的白城海滩。本研究中使用的水产养殖废水来自中国福建省漳州市的玉海兰科虾苗养殖场。

不同浓度NH₄⁺-N对微藻生物质的影响

在连续管式反应器中，评估了不同 influent NH₄⁺-N浓度下微藻OD₆₈₀的变化（图2a）。当 influent 中的NH₄⁺-N浓度为10 mg L^?1时，OD₆₈₀从第0天到第30天逐渐增加，达到2.39后趋于稳定。当 influent 中的NH₄⁺-N浓度随后从10 mg L^?1增加到35 mg L^?1时，更高的浓度与更高的OD₆₈₀值相关联。这一趋势主要归因于NH₄⁺-N的刺激作用

结论

总之，本研究表明，连续管式MPBR可以同时实现高效的NH₄⁺-N去除率和微藻生物质富集。在处理含有10 mg L^?1 NH₄⁺-N的水产养殖废水时，所有反应组都去除了超过99%的NH₄⁺-N。配备U形膜模块的组中，微藻生物质达到了3.90 g L^?1，比无膜反应组（1.18 g L^?1）高出2.32倍。在本MPBR系统中，实现了最高的NH₄⁺-N去除率

CRediT作者贡献声明

谢善宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。 董宇：可视化、验证、正式分析、数据管理。 张一仪：可视化、调查。 刘静超：验证、数据管理。 姜双成：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。 王远鹏：撰写——审阅与编辑、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（22038012、U24A20543）、福建省科学技术计划（2025Y4001）、福建省促进海洋和渔业产业高质量发展专项项目（FJHYF-L-2023-34）以及福建省海洋和渔业综合服务专项项目（FYZF-YJYB-2025-1-2）的支持。