1. 技術(shù)原理與核心優(yōu)勢
微藻生物膜是由微藻細(xì)胞通過自產(chǎn)胞外多聚物（EPS）形成的三維動態(tài)群落，附著于固體表面（如旋轉(zhuǎn)圓盤、織物或水凝膠）。其結(jié)構(gòu)包含90%的EPS和10%的藻類細(xì)胞，EPS由蛋白質(zhì)、多糖等功能性物質(zhì)組成，既能保護(hù)細(xì)胞，又能增強(qiáng)基質(zhì)粘附性。與傳統(tǒng)懸浮培養(yǎng)相比，生物膜系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：
高生物量濃度：附著生長的微藻密度可達(dá)懸浮系統(tǒng)的20倍，顯著減少水需求與收獲成本。
高效分離：生物膜可直接刮取，避免離心等高能耗步驟。
環(huán)境適應(yīng)性：通過旋轉(zhuǎn)或周期性暴露于氣液兩相，優(yōu)化光、CO?和營養(yǎng)傳遞。
2. COD與氨氮協(xié)同去除機(jī)制
微藻細(xì)菌共生體系通過多途徑實現(xiàn)污染物去除：
COD降解：細(xì)菌利用污水中的有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)代謝，微藻通過光合作用釋放氧氣，促進(jìn)好氧細(xì)菌活性。例如，好氧菌分解COD生成CO?，微藻吸收CO?并合成生物質(zhì)，形成碳循環(huán)。
氨氮轉(zhuǎn)化：
短程硝化厭氧氨氧化（PN/A） ：微藻調(diào)節(jié)溶解氧（DO），在生物膜表層形成好氧區(qū)（硝化菌將NH??氧化為NO??），內(nèi)層為缺氧區(qū)（厭氧氨氧化菌將NH??與NO??轉(zhuǎn)化為N?）。
微藻直接吸收：微藻以NH??為氮源，通過硝酸鹽還原酶代謝為氨基酸，同時提升pH促進(jìn)氨揮發(fā)。
研究顯示，此類系統(tǒng)對COD和NH??的去除率分別可達(dá)95%和92%以上。
3. 微藻細(xì)菌共生體系的構(gòu)建方法
構(gòu)建高效共生體系需關(guān)注以下要素：
菌藻配比優(yōu)化：如接種比例5:1（微藻:活性污泥）可最大化氨氮去除。
載體設(shè)計：粗糙表面（如棉布、聚氯乙烯）增強(qiáng)附著；旋轉(zhuǎn)生物接觸器（RBC）通過周期性浸沒平衡營養(yǎng)與光照。
環(huán)境調(diào)控：
光照周期：光暗比6/4時，光合產(chǎn)氧與細(xì)菌耗氧達(dá)平衡，維持DO在0.5–2 mg/L。
CO?補(bǔ)充：CO?不足可使生產(chǎn)率下降80%，需通過氣液擴(kuò)散優(yōu)化供給。
水凝膠共培養(yǎng)：將微藻與Erythrobacter等細(xì)菌固定于明膠基質(zhì)，生長速率提升3倍，且穩(wěn)定性增強(qiáng)。
4. 藻生物質(zhì)回收與資源化
微藻生物膜富含脂質(zhì)（20–30%）和蛋白質(zhì)（40–50%），提取方法需兼顧效率與環(huán)保：
微波輔助提取（MAE） ：濕藻直接處理，溶劑用量減少90%，脂質(zhì)提取率提高2–10倍，適用于規(guī)?；a(chǎn)。
超臨界CO?萃取：無溶劑殘留，特別適合高附加值產(chǎn)品（如EPA、DHA）。
滲透壓沖擊：低成本破碎細(xì)胞，結(jié)合酶解釋放胞內(nèi)產(chǎn)物。
以Chlorella為例，生物質(zhì)產(chǎn)率可達(dá)20.1 g/m2/天，脂質(zhì)含量達(dá)30%。
5. 工程應(yīng)用案例
國內(nèi)外已有多個成功案例：
GrossWen Technologies（美國） ：旋轉(zhuǎn)藻類生物膜（RAB）系統(tǒng)用于市政污水，同步去除氮磷并生產(chǎn)生物燃料，生物質(zhì)產(chǎn)率24.57 g/m2。
英國巴斯大學(xué)試點(diǎn)：高產(chǎn)藻池處理3000 L/天污水，磷去除率80–96%，出水達(dá)一級A標(biāo)準(zhǔn)。
中國廣西大學(xué)：管式藻膜超濾裝置對TN和NH??去除率超80%，HRT 5天時COD去除率達(dá)91.69%。
6. 運(yùn)行成本與經(jīng)濟(jì)效益
與傳統(tǒng)懸浮系統(tǒng)對比，生物膜技術(shù)顯著降低成本：
能耗降低：直接收獲減少離心步驟，能耗下降40–60%。
培養(yǎng)成本：混合營養(yǎng)生物膜使生物質(zhì)產(chǎn)量提高2–3倍，脂質(zhì)積累增加10倍，灰分減少50%。
資源回收收益：每噸藻生物質(zhì)可產(chǎn)300 L生物柴油，同時蛋白質(zhì)可作為飼料添加劑，綜合收益提升30%。
7. 系統(tǒng)穩(wěn)定性與維護(hù)要求
長期穩(wěn)定運(yùn)行依賴以下措施：
環(huán)境參數(shù)控制：pH 7–8、溫度<40℃、CO?濃度>1%。
生物膜更新：定期刮除老化生物膜（如每21周），防止EPS過度積累影響傳質(zhì)。
填料維護(hù)：使用懸浮填料（如聚乙烯）增強(qiáng)藻菌附著，并通過排泥調(diào)節(jié)污泥齡，防止生物膜脫落。
實時監(jiān)測：安裝DO、pH傳感器，動態(tài)調(diào)整光照與曝氣，避免氧抑制或CO?限制。
8. 挑戰(zhàn)與未來方向
技術(shù)瓶頸：大規(guī)模CO?傳質(zhì)限制、極端條件（如低溫）下活性下降。
研究方向：
基因工程藻種：增強(qiáng)污染物耐受性與代謝效率。
智能反應(yīng)器設(shè)計：結(jié)合AI優(yōu)化光強(qiáng)、轉(zhuǎn)速等多參數(shù)協(xié)同。
碳中和集成：耦合沼氣提純、磷回收等工藝，實現(xiàn)污水廠能量自給。
結(jié)論
微藻生物膜技術(shù)通過藻菌共生實現(xiàn)了污水處理的“去污資源化低碳”三重目標(biāo)，其高生物量、低成本和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，為城市污水廠升級提供了可持續(xù)解決方案。未來需進(jìn)一步突破規(guī)?；款i，推動該技術(shù)從試點(diǎn)走向工業(yè)應(yīng)用。
