微藻-菌颗粒污泥工艺：未来环境可持续污水处理的新曙光

传统市政污水处理工艺基于生物氧化原理，面临能耗大、温室气体排放量大、资源回收效率低等挑战。近年来，微藻-菌颗粒污泥(MBGS)工艺展现出低碳、低耗、高效等优势，有望同步实现污水净化及能源和资源回收，为未来市政污水处理面向环境可持续发展提供了新的思路。来自新加坡南洋理工大学和武汉科技大学的研究团队针对MBGS工艺在市政污水处理中的应用现状进行了系统分析和总结，并对该工艺面临的挑战和未来发展方向进行了探讨。”

1.当前污水处理工艺的挑战

传统活性污泥法(CAS)作为主流污水处理技术已应用百年。污水中有机物、氮和磷主要通过细菌的同化和异化作用去除。其与曝气相关能耗约占到该工艺总能耗需求的一半，同时还会带来大量温室气体的产生，如CO₂, N₂O和CH₄；污水中约50%的有机物会转化为剩余污泥；氨氮通过硝化-反硝化等转化为氮气。因此，CAS由于高能耗、大量温室气体排放及资源回收效率低等挑战，难以实现未来环境和经济可持续，亟需拓展污水处理技术新方向。

2.微藻-菌颗粒污泥工艺

相较传统活性污泥处理工艺，微藻-菌工艺可减少曝气，降低污水处理所需的能耗，然而其存在水力停留时间较长（6~10天）、固液分离困难（1~2天）等弊端，难以大规模应用。MBGS作为其升级版，其颗粒态使得微藻与细菌间可形成强共生关系，高效易分离。越来越多的基础研究表明，MBGS具有能耗低、温室气体排放量少、资源回收潜力大等优势，且其具有较强的光和温度的适应性，并在处理含四环素、盐度的污水等方面展现了潜力。

MBGS污泥容积指数通常为17~57 mL/g，压缩沉降速度为14~22 m/h。研究表明，MBGS表观化学式可表示为C₁₀₀H₁₅₈O₃₈N₁₇P，尤其适用于碳氮比为5左右的污水处理。而对于低碳含量的污水，可通过补充二氧化碳来保证较高效率的碳、氮去除，且MBGS中的聚磷微生物可保证磷的高效去除。另外，MBGS系统可维持昼夜间的氧气-二氧化碳平衡，无需外界供氧便能实现自然光昼-夜循环中污染物的高效同化去除，避免了由曝气带来的能耗。同时，由于微藻可固定细菌产生的二氧化碳，避免了温室气体的排放；产生的生物质可进一步用作资源能源的回收。综上，MBGS工艺可被视为水-能源-资源-碳中和的“复合工厂”（图1）。

 

图1 微藻-菌颗粒污泥的多重功能特质^[1]

 

3.微藻-菌颗粒结构

目前报道的MBGS包括单层和双层结构，通常小于1 mm的MBGS可具有均匀的单层结构，大于1 mm的MBGS可具有典型的双层结构——内层主要为细菌，外层主要为微藻（图2）。较小粒径的MBGS由于具有较大的可接受光照的比表面，微藻的含量相对较高，相应的产氧量也会更高；而较大粒径的MBGS外层较致密、内层具有疏松的蜂窝结构，有利于充分利用微藻光合作用产生的氧气，因此双层MBGS较单层MBGS氧气利用效率高。

 

图2 微藻-菌颗粒的两种典型结构^[1]

另外，MBGS粒径也是影响MBGS中微藻与细菌比例的直接因素，关系到颗粒的特性和功能。一般而言，较大尺寸颗粒粒径的MBGS有利于形成营养物质和氧气浓度梯度，从而提高颗粒微生物的丰富度和沉降性。但需要注意的是，粒径较大的MBGS由于其大尺寸，也会带来光衰减，降低其光接受率和产氧能力。初步研究表明，MBGS最优粒径在0.5~1.7 mm范围之内，实际上，很可能是介于单层和双层结构之间的粒径，即1mm左右最佳。因此，实际工程应用中，应采用合理的反应器构型、适当的水力剪切力，以维持颗粒最优粒径。

 

4.MBGS工艺对污染物的去除

MBGS除污方程式可表达为：100CH₂O+17NH₄⁺+H₂PO₄^-+16OH^-=C₁₀₀H₁₅₈O₃₈N₁₇P+9O₂+64H₂O。根据上述方程式，MBGS理论污泥产率系数为0.74 g VSS/g COD，理论的氧气产率系数为0.10gO₂/g COD。图3为光环境下污染物的去除机理。一般而言，较长的水力停留时间（如，HRT=24 h）和外源曝气会加强异养代谢；较短水力停留时间（如，HRT = 6~12 h）和无外源曝气会使得污染物主要通过同化代谢作用去除。研究发现，在暗反应环境下，污水中的有机物和营养物质等也能得到较好去除，主要可能机制如下：一是光周期产生的氧气可供暗周期细菌和藻类的有氧呼吸代谢；二是藻类可利用小分子有机物进行异养代谢；三是兼养细菌可将复杂有机物水解成小分子供藻类同化吸收。

 

图3光环境下微藻-菌颗粒污泥中污染物去除的过程^[1]

5. 能量-资源回收及碳减排

鉴于MBGS无需外界曝气、具有优沉降性能和高生物质产率，其能量-资源回收效益显著，且能同时实现碳减排。表₁评估了传统活性污泥法（CAS）和MBGS用于污水处理过程的能量消耗、生物质产率、厌氧消化甲烷产率、能量回收和净能量消耗。理论计算结果表明，CAS的净能量消耗约为0.32kWh/m³，而MBGS的净能量消耗为0，表明其有望实现污水处理过程中的能量中和。相较CAS工艺，MBGS工艺可实现大约63%的碳减排。进一步，如果MBGS系统可利用外源二氧化碳，有可能实现碳中和甚至负碳排放目标。需要注意的是，厌氧消化用于MBGS很可能并不是MBGS回用的最优选择。MBGS用于能量和资源回收过程中，应优先考虑将其回收为高附加值资源，然后再考虑将MBGS进行能量回收，以实现MBGS的价值最大化。表1 活性污泥法（CAS）和微藻-菌颗粒污泥（MBGS）的能耗和碳排对比^[1]

 

6. 结论和展望

MBGS工艺在实现环境可持续型污水处理方面拥有巨大潜能，有望构建真正意义上的水-能量-资源-碳中和工厂。藻-菌共生关系决定了MBGS颗粒的结构和功能。在自然昼夜交替条件下，MBGS可依靠微生物同化作用将污水中的有机物和营养物质转化为MBGS生物质，同时避免温室气体的产生。在MBGS工艺最终实现污水处理能量中和与碳中和之路上，依然需要关注以下几个问题：(1)如何构建利于MBGS混合和高效光利用的反应器；(2)如何控制MBGS工艺在昼夜交替下不同水力停留时间；(3)是否有必要采用夜晚外源曝气；(4)二氧化碳的吸收潜能评价及策略控制；(5)利用MBGS产生的高附加值产品、如单细胞蛋白、生物燃料等。

主要参考文献：

[1] Bin Ji, Yu Liu. Assessment of Microalgal-Bacterial Granular Sludge Process for Environmentally Sustainable Municipal Wastewater Treatment. ACS EST Water, 2021 1, 12, 2459–2469

作者简介

季斌，博士，现为武汉科技大学副教授，楚天学子。2010年获武汉大学给水排水工程专业学士学位，2015年获武汉大学市政工程专业博士学位。2018~2019年南洋理工大学访问学者。主要研究方向为微生物污水资源化技术，主要围绕环境可持续性水循环目标开展科研工作，如，藻-菌颗粒污泥。主持国家自然科学基金等科研课题近10项，在Water Research、科学通报等期刊发表学术论文30余篇，其中ESI高被引3篇，长期担任10余个国际主流SCI期刊审稿人，Springer Nature Applied Science期刊编辑部成员。