综述：微藻-细菌颗粒污泥系统在水产养殖废水可持续处理中的最新进展：机制、优化与未来展望

《Aquaculture》：Recent advances in microalgal-bacterial granular sludge systems for sustainable aquaculture wastewater treatment: Mechanisms, optimization, and future perspectives

本综述系统阐述了微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）技术这一变革性水产养殖废水（AWW）处理方案。文章重点剖析了MBGS通过微藻与细菌的协同作用（如光合供O2与污染物降解）实现高效脱氮除磷、降低能耗与温室气体排放的核心机制，并探讨了胞外聚合物（EPS）、光照、碳氮比等关键影响因素及其在序批式反应器（SBR）中的优化策略，为推进该技术在实际AWW处理中的规模化应用提供了重要见解。

　　

环境与生物因素驱动MBGS的形成

微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统的形成与发展受到多种环境与生物因素的深刻影响。底物组成，特别是碳氮（C/N）比，是调控微生物群落动态的关键。适宜的光照强度直接驱动微藻的光合作用，为系统提供内源性氧气，同时吸收二氧化碳（CO₂）和营养物质。微生物活动，尤其是细菌与微藻之间的互利共生关系，构成了MBGS功能的核心。细菌降解有机污染物，释放出氨氮（NH₃-N）等营养物质供微藻利用；而微藻通过光合作用产生氧气（O₂），为好氧细菌的代谢活动创造有利条件。此外，由微生物分泌的胞外聚合物（EPS）在颗粒的形成和结构稳定性中扮演着“生物胶水”的角色，其分泌量与成分受到底物类型、水力剪切力等因素的调节。

操作参数优化与MBGS的稳定性提升

为了实现MBGS的快速形成和长期稳定运行，对其操作参数进行精细优化至关重要。序批式反应器（SBR）的循环运行模式，包括进水、曝气、沉淀和排泥等阶段的时序设置，是控制颗粒化进程的有效手段。通过优化污泥排放策略，可以选择性保留沉降性能良好的颗粒污泥，促进系统的成熟。针对水产养殖废水（AWW）水质特点（如可能存在的盐度波动），调整反应器的水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）有助于维持微生物群落的活性与适应性。研究表明，在非曝气或低曝气条件下，MBGS依靠微藻的光合供氧即可维持高效的污染物去除，这显著降低了与传统活性污泥（AGS）工艺相关的高能耗和温室气体排放问题。先进的反应器构型，如光生物反应器，也被探索用于进一步提升营养盐回收效率。

MBGS对污染物的协同去除机制

MBGS系统对水产养殖废水（AWW）中各类污染物的高效去除，源于微藻和细菌之间精妙的协同作用。对于氮的去除，其路径主要包括：细菌主导的硝化作用将氨氮（NH₃-N）转化为亚硝酸盐（NO₂^--N）和硝酸盐（NO₃^--N），随后在缺氧/厌氧条件下通过反硝化作用或将氮气（N₂）释放，同时微藻也能直接同化吸收氨氮和硝酸盐用于自身生长。磷的去除则主要通过微藻和聚磷菌的吸收与积累完成。对于化学需氧量（COD），主要由好氧和兼性厌氧细菌进行降解。重金属等有毒物质的去除，则可能涉及微生物的吸附、沉淀或转化过程。这种由微藻-细菌共生体建立的自我维持循环，使得MBGS在处理含有高浓度氮磷（如总氨氮TAN、总磷TP）和COD的AWW时表现出色。

挑战与未来展望

尽管微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）技术前景广阔，但其迈向大规模实际应用仍面临挑战。系统的长期运行稳定性，尤其是在应对真实AWW水质波动（如盐度变化、病原体存在）时的鲁棒性，需要进一步验证。颗粒可能出现的解体风险是制约其长期效能的关键问题之一。此外，该技术的技术经济可行性及其全生命周期的环境影响有待深入评估。未来的研究应侧重于开发强化颗粒稳定性的策略，探索在不同规模（尤其是中试和实际规模）下的运行性能，并深入剖析系统内复杂的微生物互作网络，以推动MBGS成为实现可持续发展目标（如SDG 6清洁饮水与卫生设施，SDG 13气候行动）的有效工具。

结论

微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）技术代表了一种极具潜力的可持续废水处理创新方向，特别适用于水产养殖废水（AWW）这类高营养盐、可能含毒性的废水。本综述系统梳理了影响MBGS形成的关键因素（如底物、光照、EPS）及其协同去除污染物的内在机制。通过整合微藻的光合作用与细菌的降解能力，MBGS系统在提升脱氮除磷效率、降低能耗与温室气体排放方面展现出显著优势。克服其在长期稳定性、经济性和规模化应用方面的挑战，将有助于MBGS技术在未来水产养殖废水管理及其他类似废水处理领域中发挥更重要的作用。