微藻生物膜是由微藻細胞通過自產胞外多聚物（EPS）形成的三維動態(tài)群落，附著于固體表面（如旋轉圓盤、織物或水凝膠）。其結構包含90%的EPS和10%的藻類細胞，EPS由蛋白質、多糖等功能性物質組成，既能保護細胞，又能增強基質粘附性。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)境適應性：通過旋轉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)同去除機制

微藻細菌共生體系通過多途徑實現(xiàn)污染物去除：

COD降解：細菌利用污水中的有機物進行異養(yǎng)代謝，微藻通過光合作用釋放氧氣，促進好氧細菌活性。例如，好氧菌分解COD生成CO?，微藻吸收CO?并合成生物質，形成碳循環(huán)。

氨氮轉化：

短程硝化厭氧氨氧化（PN/A） ：微藻調節(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??），內層為缺氧區(qū)（厭氧氨氧化菌將NH??與NO??轉化為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95%和92%以上。

3. 微藻細菌共生體系的構建方法

構建高效共生體系需關注以下要素：

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。

載體設計：粗糙表面（如棉布、聚氯乙烯）增強附著；旋轉生物接觸器（RBC）通過周期性浸沒平衡營養(yǎng)與光照。

環(huán)境調控：

光照周期：光暗比6/4時，光合產氧與細菌耗氧達平衡，維持DO在0.5–2 mg/L。

CO?補充：CO?不足可使生產率下降80%，需通過氣液擴散優(yōu)化供給。

水凝膠共培養(yǎng)：將微藻與Erythrobacter等細菌固定于明膠基質，生長速率提升3倍，且穩(wěn)定性增強。

4. 藻生物質回收與資源化

微藻生物膜富含脂質（20–30%）和蛋白質（40–50%），提取方法需兼顧效率與環(huán)保：

微波輔助提?。∕AE） ：濕藻直接處理，溶劑用量減少90%，脂質提取率提高2–10倍，適用于規(guī)?；a。

超臨界CO?萃?。簾o溶劑殘留，特別適合高附加值產品（如EPA、DHA）。

滲透壓沖擊：低成本破碎細胞，結合酶解釋放胞內產物。

以Chlorella為例，生物質產率可達20.1 g/m2/天，脂質含量達30%。

5. 工程應用案例

國內外已有多個成功案例：

GrossWen Technologies（美國） ：旋轉藻類生物膜（RAB）系統(tǒng)用于市政污水，同步去除氮磷并生產生物燃料，生物質產率24.57 g/m2。

英國巴斯大學試點：高產藻池處理3000 L/天污水，磷去除率80–96%，出水達一級A標準。

中國廣西大學：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91.69%。

6. 運行成本與經濟效益

與傳統(tǒng)懸浮系統(tǒng)對比，生物膜技術顯著降低成本：

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)生物膜使生物質產量提高2–3倍，脂質積累增加10倍，灰分減少50%。

資源回收收益：每噸藻生物質可產300 L生物柴油，同時蛋白質可作為飼料添加劑，綜合收益提升30%。

7. 系統(tǒng)穩(wěn)定性與維護要求

長期穩(wěn)定運行依賴以下措施：

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。

填料維護：使用懸浮填料（如聚乙烯）增強藻菌附著，并通過排泥調節(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

技術瓶頸：大規(guī)模CO?傳質限制、極端條件（如低溫）下活性下降。

研究方向：

基因工程藻種：增強污染物耐受性與代謝效率。

智能反應器設計：結合AI優(yōu)化光強、轉速等多參數(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。

結論

微藻生物膜技術通過藻菌共生實現(xiàn)了污水處理的“去污資源化低碳”三重目標，其高生物量、低成本和穩(wěn)定性的特點，為城市污水廠升級提供了可持續(xù)解決方案。未來需進一步突破規(guī)?；款i，推動該技術從試點走向工業(yè)應用。