隨著人口的增加和環(huán)境要求變得更加嚴(yán)格，滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)并減少能源消耗的可持續(xù)水處理的需求已成為水行業(yè)的首要任務(wù)。為了解決這些問(wèn)題，人們對(duì)微藻處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將其作為傳統(tǒng)廢水處理工藝的低成本、環(huán)保廢水處理替代方案。通過(guò)將工業(yè)和市政公用事業(yè)與藻類系統(tǒng)相結(jié)合，以整體方法管理城市資源，藻類的營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)需求為先進(jìn)的生物修復(fù)和生物燃料生產(chǎn)提供了機(jī)會(huì)。近年來(lái)，一些研究將藻類光合作用與傳統(tǒng)的生物營(yíng)養(yǎng)去除過(guò)程結(jié)合起來(lái)。在這些系統(tǒng)中，藻類光合作用通過(guò)降低與機(jī)械通氣相關(guān)的能源成本（即植物能源成本的45-75%）來(lái)顯著降低能源消耗。然而，這些系統(tǒng)依靠快速生長(zhǎng)的微藻來(lái)提供氧氣和緩慢生長(zhǎng)的硝化細(xì)菌來(lái)進(jìn)行硝化/反硝化；從而限制了可用于支持兩種生物體的固體保留時(shí)間（SRT）。理想情況下，藻類和硝化細(xì)菌的SRT應(yīng)分開(kāi)，以提高營(yíng)養(yǎng)物去除效率。

研究人員提出了一種基于共生微藻的新型IFAS(MAIFAS)技術(shù)，作為減少能源消耗同時(shí)滿足嚴(yán)格的廢水標(biāo)準(zhǔn)的策略。本研究的總體目標(biāo)是確定所開(kāi)發(fā)的MAIFAS工藝是否可以通過(guò)解耦用于除磷的懸浮固體和用于硝化的生物膜之間的光曝氣來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的IFAS工藝。對(duì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的序批式反應(yīng)器(SBR)、懸浮微藻[陰性對(duì)照]）進(jìn)行了150天的操作和評(píng)估，以評(píng)估營(yíng)養(yǎng)物去除和光曝氣的情況。通過(guò)微電極剖面分析系統(tǒng)（Unisense）、下一代分子方法和一系列批量研究等多尺度研究，闡明了微藻和細(xì)菌之間的相互作用以及MAIFAS系統(tǒng)中N和P的去除機(jī)制。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用DO微傳感器（尖端直徑：50μm）和pH微傳感器（尖端直徑：10μm）(UNISENSE A/S，丹麥)測(cè)量DO濃度和pH微分布。DO微傳感器分別在氧飽和（曝氣：8.6 mg O2 L?1，23°C）和缺氧（氮?dú)夤呐荩?%DO）人工廢水中進(jìn)行校準(zhǔn)。pH微電極在標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（pH 4、7和10）中進(jìn)行校準(zhǔn)。為了進(jìn)行微觀輪廓測(cè)量，將K1生物膜載體從反應(yīng)器中取出，用手術(shù)刀輕輕切成兩半，然后放入定制的流動(dòng)池中，使廢水流過(guò)以2 mL/min的速率去除生物膜。使用夾具將樣品固定到位。使用三維(3D)顯微操作器（UNISENSE A/S，丹麥）完成微傳感器尖端在樣品中的定位和移動(dòng)，并使用帶有CCD相機(jī)的立體顯微鏡進(jìn)行觀察。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在新型MAIFAS SBR中對(duì)合成廢水中N和P的去除進(jìn)行了150天的研究。微藻光合作用能夠?yàn)楦呒?jí)廢水處理提供足夠的氧氣（MAIFAS反應(yīng)器中氨去除率超過(guò)99%，磷去除率超過(guò)51%）。通過(guò)unisense微電極剖面分析系統(tǒng)研究揭示了MAIFAS生物膜中的局部通氣情況。IFAS系統(tǒng)中添加微藻促進(jìn)了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多個(gè)細(xì)菌類群代謝活性的顯著變化?？傮w而言，這項(xiàng)研究代表了一種新穎的策略，使用基于混合共生微藻的IFAS技術(shù)來(lái)降低能源成本，同時(shí)滿足嚴(yán)格的廢水標(biāo)準(zhǔn)。

圖1、150天內(nèi)IFAS對(duì)照、MAIFAS和懸浮藻對(duì)照SBR中的(a)pH、(b)氨、(c)COD和(d)總磷(TP)出水變化。在階段I的需氧序列期間，對(duì)所有反應(yīng)器應(yīng)用機(jī)械曝氣。在階段II的需氧序列期間，僅對(duì)MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加光照。

圖2、(a)MLSS，(b)MLVSS，(c)Chl。a和(d)懸浮葉綠素。IFAS對(duì)照、MAIFAS和懸浮藻類對(duì)照SBR超過(guò)150天的a/生物量比率。在需氧階段采集生物質(zhì)樣品。在階段I的需氧序列期間，對(duì)所有反應(yīng)器應(yīng)用機(jī)械曝氣。在階段II的需氧序列期間，僅對(duì)MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加光。

圖3、(a)生長(zhǎng)30天、(b)60天和(c)90天后SBR循環(huán)期間的DO濃度。機(jī)械通氣僅應(yīng)用于需氧階段的IFAS控制。在有氧階段，向MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加76.2μmolm?2 S?1熒光（無(wú)機(jī)械通氣）。

圖4、(a)40天、(b)80天、(c)76.2μmol m?2 S?1白色熒光燈和黑暗條件下MAIFAS生物膜的DO濃度微分布)130天和(d)150天的生長(zhǎng)。參考線代表隨時(shí)間變化的生物膜厚度。

圖5、生長(zhǎng)140天后，MAIFAS生物膜在76.2μmol m?2 S?1白色熒光燈和黑暗條件下的(a)pH和(b)氨微分布。參考線代表隨時(shí)間變化的生物膜厚度。

結(jié)論：集成固定膜活性污泥(IFAS)工藝是一種先進(jìn)的生物廢水處理工藝，它將生物膜載體集成到傳統(tǒng)活性污泥中，以消除硝化細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌的污泥停留時(shí)間。在本論文研究中，研究人員將微藻納入IFAS配置中進(jìn)行光氧化，并評(píng)估了懸浮固體和IFAS生物膜介質(zhì)中微藻和細(xì)菌之間的共生反應(yīng)。在測(cè)序批量模式下，微藻-IFAS系統(tǒng)無(wú)需機(jī)械曝氣即可去除超過(guò)99%的氨和51%的磷。生物膜微觀剖面揭示了藻類生物膜的局部光氧化作用和IFAS介質(zhì)上硝化菌的硝化作用?；驕y(cè)序表明IFAS系統(tǒng)中添加微藻促進(jìn)了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的顯著變化，并改變了幾個(gè)細(xì)菌群的代謝活性。這項(xiàng)研究代表了一種利用混合共生微藻-IFAS技術(shù)降低能源消耗同時(shí)滿足嚴(yán)格廢水標(biāo)準(zhǔn)的新策略。