微藻生物质回收策略显著提高了基于微藻的污水处理厂二级出水高级处理技术的效率

《Algal Research》：The microalgal biomass recycling strategy significantly improves the efficiency of microalgal-based advanced treatment of secondary effluent from wastewater treatment plants

微藻生物膜回用与磷调控协同优化次级 Effluent 处理，通过参数优化（HRT 2-3天、回用比0-2/3、磷添加0-0.8 mg/L）及藻种筛选（Chlorella sp. SAK2、Scenedesmus sp. WXZ），实现氮磷高效去除（TDN去除率90.8%，TP去除率超80%）与藻体产率提升（143 mg/L·天），为规模化应用提供技术支撑。

　　

刘一珂|李海阳|乔荣浩|杨艳艳|高鹏程|李明

西北农林科技大学资源与环境学院，中国陕西省杨陵市，712100。

摘要

市政污水处理厂（WWTPs）通常会排放二级出水，即经过生物处理和二次沉淀后得到的处理过的废水。尽管这种出水符合常规排放标准，但它仍可能含有残留的氮和磷，这些物质可能导致接收水体的营养积累和富营养化。基于微藻的先进处理技术能够同时实现营养物质的去除和生物量的生产。然而，大规模应用往往受到微藻生物量浓度低和运行条件不稳定的限制。为了解决这些问题，本研究开发了一种半连续处理系统，该系统结合了微藻生物量的回收和磷的调控。确定了关键的操作参数，包括回收率（0–2/3）、水力停留时间（HRT）（2–3天）和磷添加量（0–0.8 mg P L^?1），并进行了微藻菌株的筛选。结果表明，在HRT为3天、磷添加量为0.4 mg L^?1、回收率为1/3的条件下，Chlorella sp. SAK2表现出最佳的整体性能，总溶解氮（TDN）去除效率达到90.8%，生物量生产力为143 mg L^?1天^?1。所有回收处理方法均优于非回收对照组。在较长的HRT下，磷的补充效果有限；但当HRT缩短至2天时，为了保持氮的去除效果，磷的补充变得必要。在测试的六种菌株中，Scenedesmus sp. WXZ在回收率为2/3时表现出优异的性能，其氮去除率高达79.4%，生物量生产力为74.5 mg L^?1天^?1，沉淀效果良好（66.5%）。总之，微藻生物量的回收在高级WWTP出水处理和可持续资源回收方面显示出巨大潜力。

引言

再生处理过的生活废水是缓解水资源短缺的重要方法。目前，来自污水处理厂（WWTPs）的处理过的废水通常直接排放到地表水中。然而，由于总氮浓度相对较高，仍存在富营养化的风险[1]、[2]、[3]。尽管如此，由于可生物降解的有机碳不足，WWTP二级出水中硝酸盐的进一步去除经常受到限制，在严格的标准下可能需要外部碳的添加，从而增加了处理成本。此外，这些过程会产生大量的氧化亚氮，这是一种具有极高全球变暖潜能的温室气体（Law等人，2012年）。相比之下，微藻可以在光合作用过程中直接吸收废水中的硝酸盐和磷，因此在硝酸盐去除方面具有天然优势[4]。因此，基于微藻的先进处理技术将成为同时解决水资源短缺和富营养化问题的有前景的方法。

目前，基于微藻的废水处理系统主要采用批处理或半连续模式运行[2]、[5]。在批处理模式下，处理通常从相对较低的微藻接种浓度开始。随着微藻的生长，废水中溶解的营养物质（如总溶解氮和总溶解磷）浓度逐渐降低。例如，Eida等人[6]使用家用二级出水和Bold基础培养基（BBM）的混合物，在250毫升锥形烧瓶中培养了从埃及Gharbia省废水分离出的Scenedesmus obliquus。经过14天的培养，总溶解氮（TDN）的最大去除效率达到了95.2%，生物量生产力为37.8 mg L^?1天^?1。虽然TDN的去除效率很高，但14天的培养周期在工程应用中是不可接受的。在批处理模式下，由于WWTP二级出水中氮和磷浓度较低，基于微藻的先进废水处理的生物量积累受到限制。因此，这种模式下的微藻生物量生产力通常较低[7]。多项研究表明，在不添加额外碳源的情况下，基于微藻的序列批处理模式进行高级废水处理的微藻生物量生产力范围为7.3至37.8 mg L^?1天^?1，但TDN去除效率通常超过90%[6]、[8]、[9]、[10]、[11]。尽管在这种模式下由于水力停留时间（HRT）较长以及WWTP二级出水中氮和磷浓度较低，TDN去除效率通常较高，但微藻生物量的积累和单位时间内的总氮（TN）去除量相对较低。

半连续模式在初始微藻接种浓度较高的条件下运行，通过连续（或间歇）输入废水和排放培养液[12]。由于初始藻类密度较大，这种模式显著缩短了HRT。然而，基于微藻的连续模式废水处理技术的总氮去除效率通常低于序列批处理模式，因为HRT相对较短[5]、[13]、[14]。因此，在低HRT下如何提高半连续模式中的营养物质去除效率是一个亟待解决的技术问题。提高反应器中微藻的生物量生产力将有助于解决这一问题。在传统的废水处理过程中，污泥回收被认为是维持曝气池中足够微生物生物量浓度的有效策略[15]。因此，进一步探索将这种回收策略引入连续模式微藻生物反应器是否可以在低HRT下提高污染物去除效率是值得的。

此外，WWTP二级出水中氮磷（N/P）的比例通常在20:1到40:1之间[16]。然而，在微藻正常生长过程中，藻细胞内的N/P比例通常为7:1[17]。这种化学计量差异导致使用WWTP二级出水培养微藻时出现磷的限制。这种磷的限制会抑制微藻的生长，从而降低硝酸盐的去除效率。为了解决这个问题，Choi和Lee[18]研究了N/P比例对Chlorella vulgaris在城市废水处理过程中生物量生产和营养物质去除的影响。结果表明，当N/P比例为10时生物量生产力达到峰值，随后随着N/P比例的进一步增加而显著下降。在N/P比例范围为11–30的情况下，总氮（TN）去除效率保持较高（约82%），而在N/P比例≤20的所有条件下，总磷（TP）去除效率超过80%。此外，发现藻细胞内的N/P比例与进水N/P比例呈线性相关（R² = 0.988），表明微藻可以根据外部营养物质的可用性调整其内部化学计量比。他们的研究进一步表明，在高N/P比例或磷限制条件下，微藻的生长受到抑制，从而降低了污染物去除性能。然而，WWTP二级出水中磷的浓度通常非常低，导致N/P比例相对较高。因此，适当补充磷是必要的，以减轻磷限制对微藻生长的抑制作用。

此外，微藻菌株对整个系统性能有显著影响。不同的微藻菌株在污染物去除效率、环境适应性和沉淀性能方面存在显著差异。因此，对于上述基于微藻生物量回收的连续废水处理系统，筛选微藻菌株仍然是必要的。

本研究旨在开发一种结合微藻生物量回收和磷调控的半连续处理系统。在不同操作条件下系统性能进行了系统评估，包括HRT（2–3天）、回收率（0、1/3、1/2和2/3）和磷添加量（0、0.4和0.8 mg P L^?1）。此外，筛选了多种微藻菌株，以找到一种兼具高氮去除效率和良好沉淀效率的强健菌株，从而提高大规模应用的工程可行性。

实验设计

本研究进行了两项实验。实验A研究了不同回收条件对使用Chlorella sp. SAK2处理污水处理厂（WWTP）二级出水效果的影响。实验B重点关注微藻生物量回收操作下的微藻菌株筛选。

生物量和水质随时间的变化

图1中观察到的出水TDN浓度波动可能是由于在半连续操作条件下定期收集WWTP实际二级出水时，进水TDN的变化所致。如图1所示，在实验的前八天，Chlorella sp. SAK2的生物量逐渐减少，随后在S1阶段结束时稳定下来。

回收微藻生物量的优势

在阶段1开始时引入了相对较高的初始生物量浓度（约2.0 g L^?1），以确保系统启动期间有足够的生物量保留，并在初始生物量较低的情况下最小化潜在的冲刷效应。然而，在最初的几天内生物量浓度迅速下降，随后所有处理组的生物量水平都较低。这一结果表明，操作过程中的生物量浓度受到营养物质的限制

结论

本研究探讨了微藻生物量回收在WWTP二级出水高级处理中的作用。在S1阶段回收率为1/3的条件下，Chlorella sp. SAK2表现出最佳的整体性能，TDN去除效率为90.8%，生物量生产力为143 mg L^?1天^?1，出水TDN浓度为0.94 mg L^?1。出水TDN浓度与微藻生物量显著负相关，所有回收处理方法均优于

CRediT作者贡献声明

刘一珂：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理。李海阳：软件，方法学，调查，正式分析。乔荣浩：方法学，调查，正式分析。杨艳艳：软件，调查，正式分析。高鹏程：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督。李明：撰写 – 原稿，验证，监督，资源管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了Cyrus Tang基金会的支持。