自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺：未来城市污水处理的曙光

随着环境可持续要求的不断提高，高标水质、能源自给、温室气体减排等成为未来城市污水处理发展的必然趋势。自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺的出现恰如其分，为未来污水处理技术的发展提供了极具可行性的发展方向。

活性污泥法广泛应用于城市污水处理，然而随着环境可持续要求的不断提高，其能耗高、温室气体排放量大等问题逐渐凸显。据报道，用于污水处理的电能可占美国国家电能消耗总量的3.4%，而污水处理过程中排放的温室气体可占全球温室气体排放总量的1.6%。藻菌协同工艺因其能量消耗少、处理成本低和资源回收价值高等优势，逐渐引起了污水处理领域的广泛关注。在藻菌协同体系中，一方面藻类能够在光照条件下吸收细菌产生的二氧化碳生成氧气，另一方面细菌又可利用这些氧气氧化污水中的有机物生成二氧化碳。该过程大大减少了曝气供氧量，能耗显著降低；二氧化碳被藻固定，温室气体排放显著减少。同时，回收的藻菌生物质可作为能源和高附价值产品（如生物柴油、肥料等）生产的原料。但该技术尚存在泥水分离难、反应时间长（以天计）、污染物去处效率低（<50-70%）和需要辅助曝气等问题，极大的限制了该技术的发展应用。

近日，来自武汉科技大学和南洋理工大学的团队报道了一种微藻-菌颗粒污泥（图1），其可通过藻-菌间的高度协同，在无需曝气的情况下，实现城市污水中有机物、氮和磷等污染物的高效去除，出水水质主要指标可满足中国地表水准IV类水标准。自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺为未来城市污水处理带来了曙光，有望实现污水处理过程的能源自给和环境可持续发展。

 

图1 微藻-菌颗粒污泥

1.工艺的污染物去除性能

实验室规模的序批试验结果表明（图2），该微藻-菌颗粒污泥工艺可在6h内去除模拟城市污水中92.69、96.84、84.10和87.16%的有机物、氨氮、总氮和磷，出水浓度分别为18.32、0.76、3.88和0.37mg/L。该出水水质的主要指标可满足日益严苛的污水排放标准（表1），显示了微藻-菌颗粒污泥工艺显著的技术可行性。

 

图2 自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺的污染物去除性能 (Ji, Zhang et al. 2020)

表1 自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺出水水质与排放标准比对(Ji, Zhang et al. 2020)

 

2.微藻-菌颗粒污泥中的协同反应过程

氧气是耦联微藻光合反应和细菌异化代谢的关键物质。根据反应体系中溶解氧的浓度，可将微藻-菌颗粒对污染物的去除过程分为两个阶段。阶段I，溶液中的氧气维持在较低水平，并伴随有机物的高效去除，且无二氧化碳、甲烷等气体产生。该结果表明微藻产生的氧气与细菌产生的二氧化碳在体系中被完全消耗，即颗粒中微藻和细菌的代谢反应体现了高度的耦合性。阶段II，由于溶液中有机物被消耗，细菌代谢减弱，而微藻利用溶液中的无机碳源继续产生氧气并积累。在上述过程中，由于污染物去除无需外界供氧，可节省50%以上的污水处理能耗；避免了二氧化碳、甲烷等温室气体排放，表现出较高的环境友好性。

2.微藻-菌颗粒污泥中的污染物去除机制

通过分析微藻-菌颗粒中元素的物质平衡知，同化作用是有机物和营养物质去除的主要途径（图3）。具体来说，微藻和细菌的通化作用分别贡献了49%和41%的碳去除，而在氮去除方面，微藻和细菌的贡献分别为25%和50%。

 

图3 自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺中碳和氮的物质流(Ji, Zhang et al. 2020)

微生物菌群和宏基因组测序分析表明，Pantanalinema rosaneae和Thauera phenylacetica分别为该颗粒微生态系统中的优势藻和菌；而与细胞合成相关的碳、氮代谢基因丰度较高，即碳氮的同化作用显著。该结果进一步阐明了生物同化作用对自耦合微藻-菌颗粒污染物去除的重要机制。

基于上述分析，文章进一步提出了自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺污染物去除的过程。微藻-菌颗粒污泥具有丰度较高微藻外层和丰度较高的细菌内层，据此可在颗粒径向方向上形成氧气、二氧化碳和营养物质的浓度梯度。外层的微藻易于接受光照进行光合作用产氧，产生的氧气和溶液中的有机物沿径向传递给内层的微生物进行好氧代谢，同时产生的二氧化碳会逆向传递给外层的微藻利用，最终实现藻-菌的自耦合反应和污染物的有效去除。

3.展望

本研究报道了一种高度自耦合的微藻-菌颗粒污泥工艺，其可在无需外界供氧的条件下，在短时间内实现城市污水的高效处理，出水水质可满足日益严苛的污水排放标准。该过程不仅极大的节省了污水处理能耗，且具有显著的碳减排效应。因此，自耦合的微藻-菌颗粒污泥工艺有望实现污水处理过程的能源自给和环境可持续，为未来城市污水处理带来了曙光，具有广泛的应用前景。

主要参考文献

Ji, B.^#, Zhang, M.^#, Gu, J., Ma, Y.Q., Liu, Y., 2020, A self-sustaining synergetic microalgal-bacterial granular sludge process towards energy-efficient and environmentally sustainable municipal wastewater treatment. Water Res. 115884.