通过C3N4超薄纳米片改性的棉基碳纤维气凝胶，用于高效且连续的光催化还原Cr(VI)

本研究探究了不同水力停留时间（HRT）下细菌藻类共生移动床生物膜反应器（BAS-MBBR）对养殖废水处理的效果，发现16小时HRT时NH4+-N和COD去除效率分别达94.13%和91.38%，同时酶活性、微生物毒性及EPS含量处于最优水平，主要功能微生物包括脱氮菌、磷去除菌和光合藻类。

　　

李珊珊|朱新怡|王如东|李云|谢晓敏|严朵森|刘春霞

青岛农业大学资源与环境科学学院，中国青岛266109

摘要

本研究探讨了在不同水力停留时间（HRT）下，细菌-藻类共生移动床生物膜反应器（BAS-MBBR）处理海水养殖废水的氮和磷去除性能、酶活性、微生物毒性、胞外聚合物物质（EPS）以及微生物群落。在16小时的水力停留时间下，NH₄⁺-N和化学需氧量的平均去除效率分别为94.13%和91.38%。在24-8小时的水力停留时间范围内，TP的平均去除效率在92%-88%之间变化（p>0.05）。特定氨氧化率、特定亚硝酸盐还原率和特定磷释放率在16小时水力停留时间时达到最大值。酶活性的变化趋势与相应的去除率一致。16小时水力停留时间时，活性氧的产生量和乳酸脱氢酶的释放量分别为98.37%和97.53%，处于最低水平。与其它时间点相比，16小时水力停留时间时松散结合和紧密结合的EPS中的蛋白质和多糖含量显著降低。主要的功能微生物包括反硝化细菌（Denitromonas、Thauera和Pseudomonas）、除磷细菌（Candidatus_Competibacter、Saprospiraceae）以及光合藻类（Trebouxiophyceae和Chrysophyceae》）。研究结果为优化BAS-MBBR处理海水养殖废水的运行参数提供了有效参考。

引言

随着对海产品需求的增加，海水养殖业迅速发展，产生了大量养殖废水（Zhang等人，2021年）。海水养殖废水中含有污染物，如总氮（TN）通常低于20 mg/L（Liu等人，2025年），化学需氧量（COD）通常为50–150 mg/L（Zhao等人，2023年），总磷（TP）通常为0.93–32.5 mg/L（Akinbile和Yusoff，2012年；Hesni等人，2020年），以及悬浮固体。未经处理的养殖废水直接排放会导致有害微生物的增加，这些微生物对鱼类和虾类养殖动物具有毒性（Crini和Lichtfouse，2019年），还会加剧水生疾病爆发和环境污染问题，如水体富营养化（Xie等人，2013年）。因此，有必要开发有效的处理技术来去除养殖废水中的污染物。

目前的海水养殖废水处理方法包括物理方法、化学方法和生物方法。物理和化学方法可以有效去除废水中的颗粒污染物，但处理成本较高且容易引起二次污染（Fei和Hu，2023年）。相比之下，生物方法具有耐盐性、高去除效率和低成本优势（Chen等人，2023年；Gao等人，2019年；Liu等人，2024b年）。传统的生物方法包括微藻技术和细菌技术（活性污泥法和生物膜系统法）（Liu等人，2024b年）。Zhao等人（2025年）报告称，在单一微藻系统中，NH₄⁺-N和TP的去除效率分别为48.51%-96.77%和82.7%-99.7%。Luo等人（2013年）发现，使用活性污泥法时，TN的去除效率从68.2%下降到52.3%。然而，由于单一微藻和细菌的局限性，污染物去除效果受限。藻类可以通过光合作用产生氧气，支持细菌生长，而细菌则为藻类的光合作用提供二氧化碳（CO₂）（Rong等人，2023年）。因此，一些研究人员提出了结合细菌和微藻的系统（BAS）来处理海水养殖废水。Zhang等人（2025年）发现，在BAS系统中处理海水养殖废水时，NH₄⁺-N和COD的去除效率分别达到99.33%和90.83%。Liu等人（2022年）发现，BAS系统可以促进氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和反硝化细菌完成硝化和反硝化过程。Qu等人（2021年）证明，在BAS系统中处理海水养殖废水时，NH₄⁺-N和PO₄^3?-P的去除效率分别为98.10%-99.52%和96.06%-100%。移动床生物膜反应器（MBBR）以其低污泥产生量、小体积和耐盐性而闻名（Tiwari和Pophali，2025年），并且能够处理低C/N比的海水养殖废水（Xiang等人，2022年）。Xiang等人（2023年）和Song等人（2021年）证明，MBBR可以耐受30‰至65‰的盐度。Chen等人（2025年）和Zhu等人（2025年）将MBBR和BAS结合使用，具有较高的污染物去除效率，TN和TP的平均去除效率超过90%。因此，本研究提出了结合细菌-藻类共生系统与MBBR（BAS-MBBR）以增强海水养殖废水的处理效果。

水力停留时间（HRT）对整个系统的经济性有很大影响，是重要的影响因素之一。适当的水力停留时间有助于去除多余的悬浮微生物，为生物膜的形成提供良好条件，并进一步提高氮的去除效率（Wei等人，2023年）。较短的水力停留时间（≤6-8小时）可能足以去除大部分污染物，但系统的有机负荷率会增加（Persson等人，2014年）。Sátiro等人（2025年）发现，随着水力停留时间的缩短，处理海水养殖废水的NO₃^?-N和TP的去除效率分别从53.4%和85%下降到50.2%和31%。水力停留时间会影响BAS-MBBR的处理效率，因此有必要研究不同水力停留时间下BAS-MBBR对氮和磷的去除性能、酶活性、微生物毒性、胞外聚合物以及微生物群落的影响。

因此，本研究的目标是：(a) 分析不同水力停留时间下BAS-MBBR去除氮和磷的性能；(b) 评估不同水力停留时间对氮和磷去除速率及生物酶活性的影响；(c) 研究不同水力停留时间对胞外聚合物含量、活性氧（ROS）产生量和乳酸脱氢酶（LDH）释放量的影响；(d) 分析不同水力停留时间对细菌和藻类水平微生物群落的影响。本研究可为BAS-MBBR处理海水养殖废水的运行参数提供有效参考。

实验材料与设备

BAS-MBBR是一个有机玻璃柱，内径为15厘米，有效高度为40厘米，工作体积为6升。出水口位于BAS-MBBR中部，运行时体积交换率为50%。通过电磁阀和时间继电器自动控制出水、厌氧、缺氧、好氧、沉淀和排水过程。合成海水养殖废水通过蠕动泵连续供应，并通过重力排出。

不同水力停留时间下BAS-MBBR的污染物去除性能

图1a显示了不同水力停留时间下的COD去除性能。在24小时水力停留时间阶段，平均进水COD浓度为63.2±0.6 mg/L，平均出水COD浓度为7.8±2.6 mg/L。第26天时，出水COD浓度为4.42 mg/L，去除效率稳定在93.4%。这种稳定现象归因于细菌-藻类关系从早期对有限有机底物和营养物质的竞争转变为协同作用。

结论

在24小时和16小时的水力停留时间下，氮和TP的平均去除效率超过90%。随着水力停留时间的延长，氮和TP的去除效率下降，这与相关酶的活性变化一致。16小时水力停留时间下的活性氧产生量和乳酸脱氢酶释放量低于其他水力停留时间，表明此时细菌和藻类之间的相互毒性较低。在16小时水力停留时间下，PN、PS和DNA的浓度明显低于其他水力停留时间。

未引用参考文献

NEPA, 2002; Rezvani和MHS, 2023; Yang和Li, 2009.

作者贡献声明

李珊珊：撰写 – 审稿与编辑，数据管理，概念构建。 朱新怡：撰写 – 初稿撰写，实验研究，数据管理。 王如东：实验研究。 李云：数据可视化，资源协调。 谢晓敏：项目管理。 严朵森：实验研究。 刘春霞：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2020QD114）、青岛农业大学高层次人才研究基金（663/1120105）、青岛农业大学高层次人才基金（665/1120042）、山东省高校青年创新团队人才引进与培养项目（2021-05）以及青岛农业大学商业研究基金（20230390）的支持。