使用微藻的光曝氣

在整個實驗（第一階段和第二階段）期間仔細監測DO，以評估微藻光曝氣作為能源密集型機械曝氣的替代方案。在接種后30天、60天和90天，在每個反應器的整個SBR周期內，監測藻類反應器在沒有機械曝氣情況下的體相DO濃度（圖3-4）。看來微藻在30天和60天（第一階段）時沒有提供足夠的DO用于硝化，需要改變進水水質和更多時間讓系統中的藻類穩定生長。在90天（第二階段），MAIFAS和懸浮SBRs中的DO濃度分別增加到1.3 mg O? L?1和0.6 mg O? L?1，表明存在光曝氣。IFAS對照反應器在SBR循環的好氧階段進行機械曝氣；因此，DO在此階段達到飽和。這一發現表明，微藻可以提供硝化和COD去除所需的足夠氧氣，特別是當葉綠素a與生物量比率超過7.9 mg g?1時（90天后MAIFAS的葉綠素a與生物量比率）。Wang等人（2015）的一項研究對用于處理厭氧消化豬糞液體部分的光SBR發現了類似的結果。他們發現，大約24 mg g?1的葉綠素a與生物量比率能夠提供硝化所需DO的74%。

圖3-4. 生長(a) 30天, (b) 60天 和 (c) 90天后一個SBR周期內的DO濃度。在好氧階段對IFAS對照進行機械曝氣。在好氧階段對MAIFAS和懸浮反應器施加76.2 μmol m?2 s?1的熒光燈光照（無機械曝氣）。

雖然體相中的DO濃度提供了一些光曝氣的指示，但微藻-細菌生物膜內直接氧轉移測量提供了有價值的動力學信息。因此，使用DO微電極測量了MAIFAS和IFAS SBRs生物膜從體相到內部的DO濃度微剖面，這些剖面在運行40、80、130和150天后采集（圖3-5）。微剖面測量在黑暗和光照條件下進行，以確認藻類生物膜的光曝氣作用。生物膜厚度在運行40、80、130和150天時分別為600、1,300、1,800和2,100μm。生物膜生長40天后的DO濃度微剖面（圖3-5(a)）顯示，DO從體相中的3.0 mg O? L?1下降到基底處的0.2 mg O? L?1，擴散邊界層（DBL）為100 μm，這表明生物膜內好氧細菌（硝化菌和異養菌）的活性。當燈光關閉時，從1,500到600 μm，DO初始下降了0.5 O? mg L?1，之后O?濃度下降到0.32 mg O? L?1。80天后，生物膜厚度增加到1,300 μm。DO剖面顯示，由于微藻光合作用產氧，生物膜表面的DO增加了1 mg O? L?1（圖3-5(b)）。運行130天（第二階段55天）后，在光照下，生物膜表面的DO濃度增加到6.8 mg O? L?1。光照和黑暗之間的ΔDO為3.3 mg O? L?1（圖3-5(c)）。生物膜表面產生的大量氧氣使得DO能夠滲透到整個生物膜，在基底處存在DO（0.3 mg O? L?1），這意味著底層的硝化生物膜有充足的氧氣供應用于硝化。沒有光照時，體相DO僅滲透了總生物膜厚度的69%。

圖3-5. MAIFAS生物膜在76.2 μmol m?2 s?1白色熒光燈光照和黑暗條件下的DO微剖面，生長時間為(a) 40天, (b) 80天, (c) 130天 和 (d) 150天。參考線代表隨時間變化的生物膜厚度。

150天后，生物膜厚度增加到2,100 μm（圖3-5(d)），光照和黑暗之間的ΔDO為2.3 mg O? L?1。DBL厚度從40天時的100 μm增加到150天時的400 μm。這種增加可能是由于生物膜表面附近湍流減少所致，因為生物膜變得更厚、更密集。在光照條件下，DO滲透到整個生物膜，在基底處測量到0.5 mg O? L?1。在黑暗條件下，DO僅滲透到距離表面1,000 μm處，表明生物膜底部1,100 μm處于缺氧狀態。這些結果表明，微藻產生的氧氣足以支持厚達2,100 μm的生物膜的硝化活性。

圖3-6. 130天和160天時MAIFAS生物膜的橫截面圖像（放大倍數x40，厚度50μm）。生物膜包埋在組織冷凍介質中。

藻類和細菌生物膜之間的相互作用

為了研究藻類和細菌生物膜之間的相互作用，在MAIFAS生物膜生長140天后測量了pH和氨氮微剖面（圖3-7）。在光照條件下，生物膜表面的pH從體相溶液中的7.6增加到8.2。這種增加可能是由于藻類光合作用消耗CO?所致。在黑暗條件下，生物膜表面的pH降低到7.4，這可能是由于細菌呼吸釋放CO?。氨氮微剖面顯示，在光照和黑暗條件下，氨氮濃度從體相溶液中的25 mg N L?1下降到生物膜基底處的0 mg N L?1。然而，在光照條件下，氨氮的消耗發生在生物膜內更靠近表面的位置（距表面約200 μm），而在黑暗條件下，氨氮的消耗發生在更深處（距表面約600 μm）。這表明藻類產生的氧氣可能增強了生物膜上部的硝化作用。

藻類和細菌生物膜之間的相互作用

為了研究藻類和細菌生物膜之間的相互作用，在MAIFAS生物膜生長140天后測量了pH和氨氮微剖面（圖3-7）。在光照條件下，生物膜表面的pH從體相溶液中的7.6增加到8.2。這種增加可能是由于藻類光合作用消耗CO?所致。在黑暗條件下，生物膜表面的pH降低到7.4，這可能是由于細菌呼吸釋放CO?。氨氮微剖面顯示，在光照和黑暗條件下，氨氮濃度從體相溶液中的25 mg N L?1下降到生物膜基底處的0 mg N L?1。然而，在光照條件下，氨氮的消耗發生在生物膜內更靠近表面的位置（距表面約200 μm），而在黑暗條件下，氨氮的消耗發生在更深處（距表面約600 μm）。這表明藻類產生的氧氣可能增強了生物膜上部的硝化作用。

圖3-7. (a) pH 和 (b) 氨氮微剖面，顯示MAIFAS生物膜在76.2 μmol m?2 s?1白色熒光燈光照和黑暗條件下生長140天后的情況。參考線代表生物膜厚度。