利用集成固定植物膜活性污泥反应器（IPFAS）对其在水产养殖废水中的氮和磷去除机制进行的研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mechanistic insights into nitrogen and phosphorus removal in aquaculture wastewater using an integrated fixed-plant film activated sludge reactor (IPFAS)

　　

梁东辉|姜金金|胡永友

中国广东省广州市海珠区中凯路中凯农业工程学院城乡建设学院，邮编510225

摘要

本研究开发了一种IPFAS反应器，探讨根系分泌物如何缓解碳限制，并建立污泥、生物膜和植物根系之间的功能协同作用，以增强营养物的去除效果。合成水产养殖废水的初始总碳（TCO）浓度为60-360 mg/L，氨氮（NH??-N）浓度为30-90 mg/L，总氮（TN）浓度为30-90 mg/L，C/N比值为2-6。该系统表现出优异的运行稳定性，氨氮（NH??-N）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除率分别达到了98.17%、88.17%和83.64%。氮平衡计算表明，C/N比值直接影响IPFAS中的氮形态转化，进而影响氮的去除效率。较高的C/N比值会增加生物量氮（biosmass-N）和亚硝酸盐氮（NO??-N）的比例，同时降低硝酸盐氮（NO??-N）的比例，并增加气体氮和有机氮的比例。出水中的溶解有机物分析显示，在低碳条件下，生物膜利用EPS作为碳源进行反硝化作用，从而减少了出水中的有机物。功能分配分析表明，总氮的去除依赖于活性污泥（AS）和生物膜，而总磷的去除则受AS、生物膜和植物的共同作用。对功能基因和酶活性的综合分析发现，活性污泥中的硝化作用（amoA）和生物膜中的反硝化作用（narG/nirS）都与碳源的可用性密切相关。Dechloromonas和Novosphingobium在各个反应器区室中持续被检测到，这两种微生物以反硝化和产生EPS而闻名，表明其在该系统中的功能重要性。这些发现为碳限制的市政污水处理厂改造IPFAS反应器提供了机制基础。

引言

含氮和磷污染物的废水排放到水体中会导致富营养化，这已成为一个全球性的环境问题[1],[2]。在过去几十年中，活性污泥法一直是消除氮和磷等污染物的主要方法[3]。然而，通过活性污泥法进一步提高氮和磷的去除率较为困难[4]。因此，迫切需要采用成本效益高的方法来提升传统活性污泥系统的氮和磷去除效率。

集成固定膜活性污泥（IFAS）是一种将活性污泥与附着在载体上的生物膜相结合的系统[5],[6]。将生物填料引入活性污泥中可以提升传统废水处理过程的氮去除效率和运行稳定性，同时减少污泥的产生。因此，IFAS技术在最近的研究中受到了越来越多的关注[7],[8],[9]。Maza-Márquez等人（2023）报告称，在A2O-IFAS配置下，即使在污泥停留时间（SRT）缩短、混合液悬浮固体（MLSS）浓度降低以及C/N比值下降的操作条件下，氮和磷的去除效果也更为优异[10]。Yu等人（2023）的研究表明，IFAS反应器的出水总氮浓度可低至1.52 mg/L，而MBBR系统的出水总氮浓度为5.17 mg/L[11]。这些运行优势凸显了IFAS技术作为经济高效的改造方案的价值，可以在不新建反应器的情况下提升现有污水处理设施的氮去除能力[12]。关于IFAS系统中的磷去除，研究显示生物膜可以容纳多种磷酸盐水解菌（PAO）群体，悬浮生长相和附着生长相的共存为磷酸盐的吸收和储存创造了有利条件[13]。

在废水处理技术领域，众多近期研究表明，引入水生植物不仅可以显著提高污染物去除效率，还能通过创造生态环境带来多重环境效益[14],[15]。水生植物主要通过物理拦截、微生物协同降解以及植物自身的吸收作用去除污染物[16]。此外，增加根系生物量也被证明可以显著提高传统生物处理系统的污染物去除效果[17]。Zhang等人（2024b）的研究表明，将Canna indica、Acorus calamus和Thalia dealbata引入人工湿地后，总氮去除效率显著提升。与未种植植物的对照组相比，这些湿地物种共贡献了84-91%的总氮去除量，相比无植物情况下提高了29-158%[18]。对于磷的去除，水生植物通过直接吸收和同化起作用，同时其根系分泌物能刺激根际中磷酸盐溶解细菌和磷酸盐水解菌的活性，形成协同的磷去除环境[19]。尽管IFAS系统和基于植物的系统（例如人工湿地）能够增强营养物的去除效果，但它们之间的协同机制尚未得到系统研究。本研究重点探讨了活性污泥、生物膜和植物根系在单个曝气生物反应器中的相互作用，揭示了植物根系是否积极参与碳介导的微生物群落构建和磷酸盐去除过程的优化，并提供了植物-生物膜-污泥协同作用的机制解释，为碳限制的废水处理设施改造提供了新的思路。

本研究创新地将活性污泥、生物膜载体和水生植物通过功能协同作用结合起来，构建了一种集成植物-固定膜活性污泥系统（IPFAS），专门用于解决废水处理中的氮和磷去除技术难题。研究聚焦三个关键目标：（1）构建一种能有效结合活性污泥、生物膜和水生植物的IPFAS反应器，实现低浓度废水中的氮和磷同时去除。（2）研究C/N比值、进水氨氮（NH??-N）浓度和曝气时间（HRT）对总碳（TOC）、氨氮（NH??-N）、总氮（TN）和总磷（TP）去除效率的影响。（3）通过综合分析微生物群落结构、功能基因表达和关键酶活性，揭示IPFAS系统中硝化-反硝化和磷去除的协同机制。该研究的科学意义在于对其植物、生物膜和污泥之间协同作用的机制进行了阐释，为升级碳限制的废水处理设施提供了实用且经济可行的改造策略，特别适用于碳限制的城市和水产养殖废水处理场合。

章节节选

IPFAS系统配置

中试规模的IPFAS系统包括一个50升的好氧生物反应器和一个20升的二次澄清池（图1）。生物反应器内填充了直径12毫米、长度25毫米的Yulong生物载体，填充比例为30%。通过连续曝气将溶解氧（DO）维持在2.5至3.5 mg/L的范围内。虽然这一DO水平通常属于好氧条件，但由于扩散限制，载体表面形成的生物膜会导致氧气浓度梯度明显

IPFAS系统的启动

为确保IPFAS系统的稳定运行，进行了为期50天的启动阶段。该阶段分为两个主要部分：一是生物膜在载体和植物根系上的形成期，二是随后的稳定期。系统的成功启动通过监测进水中总碳（TCO）、氨氮（NH??-N）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率趋势来评估。如图S1所示，在生物膜形成阶段

结论

一种新型的IPFAS系统能有效去除低碳废水中的总氮（TN）和总磷（TP）。在C/N比为4、进水氨氮浓度为30 mg/L的条件下，最佳去除率分别为总碳91.80%、氨氮98.17%、总磷88.17%。系统各组成部分的作用不同：总氮的去除依赖于活性污泥（AS）和生物膜，而总磷的去除则依赖于活性污泥、生物膜和植物。氮平衡分析表明，C/N比值直接影响氮的转化形式，从而影响去除效果

CRediT作者贡献声明

姜金金：项目监督、行政管理、概念设计。胡永友：写作 – 审稿与编辑、资源准备、方法论制定、资金筹集、数据分析。梁东辉：撰写初稿、数据可视化、验证、方法论制定、资金筹集、数据分析、数据管理、概念设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究成果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号2018B080240006）、广东省教育厅高等教育研究平台青年创新人才项目（KA25YY059）以及广州市科学技术局青年启动项目（B32521310）提供的财政支持。