隨著人口的增加和環境要求變得更加嚴格，滿足監管標準并減少能源消耗的可持續水處理的需求已成為水行業的首要任務。為了解決這些問題，人們對微藻處理系統進行了研究，將其作為傳統廢水處理工藝的低成本、環保廢水處理替代方案。通過將工業和市政公用事業與藻類系統相結合，以整體方法管理城市資源，藻類的營養和化學需求為先進的生物修復和生物燃料生產提供了機會。近年來，一些研究將藻類光合作用與傳統的生物營養去除過程結合起來。在這些系統中，藻類光合作用通過降低與機械通氣相關的能源成本（即植物能源成本的45-75%）來顯著降低能源消耗。然而，這些系統依靠快速生長的微藻來提供氧氣和緩慢生長的硝化細菌來進行硝化/反硝化；從而限制了可用于支持兩種生物體的固體保留時間（SRT）。理想情況下，藻類和硝化細菌的SRT應分開，以提高營養物去除效率。

研究人員提出了一種基于共生微藻的新型IFAS(MAIFAS)技術，作為減少能源消耗同時滿足嚴格的廢水標準的策略。本研究的總體目標是確定所開發的MAIFAS工藝是否可以通過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改進現有的IFAS工藝。對三個實驗室規模的序批式反應器(SBR)、懸浮微藻[陰性對照]）進行了150天的操作和評估，以評估營養物去除和光曝氣的情況。通過微電極剖面分析系統（Unisense）、下一代分子方法和一系列批量研究等多尺度研究，闡明了微藻和細菌之間的相互作用以及MAIFAS系統中N和P的去除機制。

Unisense微電極系統的應用

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（氮氣鼓泡：0%DO）人工廢水中進行校準。pH微電極在標準緩沖溶液（pH 4、7和10）中進行校準。為了進行微觀輪廓測量，將K1生物膜載體從反應器中取出，用手術刀輕輕切成兩半，然后放入定制的流動池中，使廢水流過以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，并使用帶有CCD相機的立體顯微鏡進行觀察。

實驗結果：在新型MAIFAS SBR中對合成廢水中N和P的去除進行了150天的研究。微藻光合作用能夠為高級廢水處理提供足夠的氧氣（MAIFAS反應器中氨去除率超過99%，磷去除率超過51%）。通過unisense微電極剖面分析系統研究揭示了MAIFAS生物膜中的局部通氣情況。IFAS系統中添加微藻促進了細菌群落結構和多個細菌類群代謝活性的顯著變化。總體而言，這項研究代表了一種新穎的策略，使用基于混合共生微藻的IFAS技術來降低能源成本，同時滿足嚴格的廢水標準。

圖1、150天內IFAS對照、MAIFAS和懸浮藻對照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，對所有反應器應用機械曝氣。在階段II的需氧序列期間，僅對MAIFAS和懸浮反應器施加光照。

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

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

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。參考線代表隨時間變化的生物膜厚度。

圖5、生長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。參考線代表隨時間變化的生物膜厚度。

結論：集成固定膜活性污泥(IFAS)工藝是一種先進的生物廢水處理工藝，它將生物膜載體集成到傳統活性污泥中，以消除硝化細菌和異養細菌的污泥停留時間。在本論文研究中，研究人員將微藻納入IFAS配置中進行光氧化，并評估了懸浮固體和IFAS生物膜介質中微藻和細菌之間的共生反應。在測序批量模式下，微藻-IFAS系統無需機械曝氣即可去除超過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介質上硝化菌的硝化作用。基因測序表明IFAS系統中添加微藻促進了細菌群落結構的顯著變化，并改變了幾個細菌群的代謝活性。這項研究代表了一種利用混合共生微藻-IFAS技術降低能源消耗同時滿足嚴格廢水標準的新策略。