An attached microalgae platform for recycling phosphorus through biologically mediated fertilizer formation and biomass cultivation  

基于附著微藻平臺(tái)的生物介導(dǎo)肥料形成與生物質(zhì)培養(yǎng)的磷回收技術(shù)  

來源：Cleaner Engineering and Technology, Volume 17, 2023, Article 100701

《清潔工程與技術(shù)》2023年第17卷，文章編號(hào)100701

 

摘要內(nèi)容

 

研究開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)藻類生物膜反應(yīng)器（RABR），利用微藻生物膜從污水處理廠厭氧消化液（ADE）中回收磷和氮，通過生物介導(dǎo)形成鳥糞石（NH?MgPO?·6H?O）并培養(yǎng)生物質(zhì)。RABR通過旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)基質(zhì)交替浸入富營(yíng)養(yǎng)水體和大氣中，利用微藻光合作用提升生物膜內(nèi)pH值，促進(jìn)鳥糞石沉淀。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：  

光合作用使生物膜深層pH升高（圖7），加速鳥糞石形成；  

 

 

降低轉(zhuǎn)速（延長(zhǎng)大氣暴露時(shí)間）可通過蒸發(fā)濃縮離子，超越鳥糞石溶解度積；  

 

掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）驗(yàn)證鳥糞石晶體存在（圖5-6），灰分分析量化其含量（表3）。  

 

 

 

 

這是首次報(bào)道藻類生物膜光合作用強(qiáng)化鳥糞石形成的過程。  

 

研究目的

驗(yàn)證RABR平臺(tái)通過微藻生物膜同時(shí)實(shí)現(xiàn)磷回收（鳥糞石）與生物質(zhì)生產(chǎn)的技術(shù)可行性。  

 

闡明光合作用、蒸發(fā)濃縮和生物膜成核位點(diǎn)對(duì)鳥糞石形成的協(xié)同機(jī)制。  

 

評(píng)估不同規(guī)模RABR（實(shí)驗(yàn)室/中試/生產(chǎn)級(jí)）的運(yùn)行效果（表1）。  

 

 

研究思路

理論分析：  

 

基于Stumm-Morgan方程計(jì)算鳥糞石溶解度積（pP?）與ADE離子濃度積（pQ??），確定pH 7-13為理論沉淀區(qū)間（圖2-3）。  

 

 

 

MINTEQ模型預(yù)測(cè)pH 8.5-9.5時(shí)鳥糞石沉淀量最大（圖4）。  

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：  

 

 

構(gòu)建三尺度RABR（實(shí)驗(yàn)室/中試/生產(chǎn)級(jí)），以ADE為培養(yǎng)基質(zhì)（表1）。  

 

利用SEM/EDS鑒定鳥糞石晶體（圖5-6），灰分分析量化沉淀量（表3）。  

 

Unisense微電極測(cè)量生物膜內(nèi)pH梯度（圖7），關(guān)聯(lián)光合作用強(qiáng)度。  

機(jī)制解析：  

 

對(duì)比不同大氣暴露時(shí)間對(duì)沉淀的影響（表1）。  

 

分析光照（PPFD）與pH升高的因果關(guān)系（圖7）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

鳥糞石沉淀數(shù)據(jù)（圖5-6，表3）  

 

數(shù)據(jù)：僅生產(chǎn)級(jí)RABR（大氣暴露157秒/循環(huán)）生成鳥糞石，灰分含量達(dá)40.5%（實(shí)驗(yàn)室級(jí)僅11.5%）。  

 

意義：證實(shí)延長(zhǎng)大氣暴露時(shí)間可通過蒸發(fā)濃縮離子，超越溶解度積，是鳥糞石形成的關(guān)鍵操作參數(shù)。  

pH梯度數(shù)據(jù)（圖7）  

 

數(shù)據(jù)：300 μmol/m2·s光照下，生物膜深層（>500 μm）pH顯著高于表層（黑暗時(shí)無梯度）。  

 

意義：揭示光合作用通過消耗CO?提升局部pH（尤其深層），創(chuàng)造鳥糞石沉淀的堿性微環(huán)境。  

營(yíng)養(yǎng)鹽去除數(shù)據(jù)（正文）  

 

數(shù)據(jù)：RABR對(duì)ADE中氮、磷去除率分別為30%和45%（12-16°C低溫條件）。  

 

意義：證明RABR在低溫環(huán)境下仍有效回收營(yíng)養(yǎng)鹽，適用于實(shí)際污水處理場(chǎng)景。  

 

結(jié)論

技術(shù)可行性：RABR成功耦合微藻生物質(zhì)生產(chǎn)（7.5 g/m2·天）與鳥糞石沉淀（占生物質(zhì)干重29%），實(shí)現(xiàn)磷資源循環(huán)利用。  

 

核心機(jī)制：光合作用提升生物膜深層pH至8.5-9.5（最佳沉淀區(qū)間），大氣暴露濃縮離子，二者協(xié)同驅(qū)動(dòng)鳥糞石形成。  

 

應(yīng)用價(jià)值：相比傳統(tǒng)鳥糞石回收工藝（需化學(xué)調(diào)pH和鎂源），RABR無需添加劑，降低磷回收成本，為污水處理廠提供可持續(xù)磷管理方案。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

使用Unisense pH-50微電極（分辨率50 μm）測(cè)量生物膜內(nèi)部pH梯度（圖7），其核心價(jià)值在于：  

微尺度機(jī)制解析：  

 

直接觀測(cè)到光照下生物膜深層（>500 μm）pH比表層高0.5-1.0單位，證實(shí)光合作用在生物膜內(nèi)部形成堿性微環(huán)境，為鳥糞石沉淀提供局部熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。  

過程關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證：  

 

通過對(duì)比黑暗與光照（300 μmol/m2·s PPFD）下的pH分布，明確光照強(qiáng)度與pH升高的定量關(guān)系，將光合作用代謝活性直接關(guān)聯(lián)至鳥糞石形成化學(xué)條件。  

技術(shù)優(yōu)化指導(dǎo)：  

 

揭示pH梯度最大位置位于生物膜中部（非表面），指導(dǎo)RABR設(shè)計(jì)時(shí)需保障生物膜厚度>500 μm以充分利用高pH區(qū)域。  

理論模型支撐：  

 

實(shí)測(cè)pH梯度驗(yàn)證了MINTEQ模型預(yù)測(cè)（pH 8.5-9.5時(shí)沉淀量最大），為模型可靠性提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。