光合细菌协同水热炭化技术实现抗生素污染猪粪的资源化处理与废水净化

《Bioresource Technology Reports》：Synergistic bioremediation and resource recovery via photosynthetic bacteria treatment of swine manure hydrothermal carbonization wastewater

本研究针对抗生素污染猪粪的处理难题，创新性地将水热炭化（HTC）与光合细菌（PSB）处理技术相结合。研究人员系统优化了PSB处理HTC废水的关键参数（菌种组合、稀释倍数、氧条件），成功将有害废弃物转化为高附加值水热炭和符合商用标准的PSB菌剂，实现了污染物近零排放与资源高效回收，为畜禽粪便无害化与资源化提供了新技术路径。

　　

随着集约化养殖业的普及，抗生素污染猪粪的处理已成为严峻的环境挑战。传统处理方式如堆肥和厌氧消化往往无法有效降解残留的抗生素，更令人担忧的是，这些方式可能促进抗生素耐药基因（ARGs）的传播，对公共健康构成潜在威胁。因此，开发一种能够同时实现废弃物无害化、资源化和阻断耐药性传播的新技术迫在眉睫。

近期发表在《Bioresource Technology Reports》上的一项研究，提出了一种创新的两阶段处理策略，巧妙地将水热炭化（Hydrothermal Carbonization, HTC）与光合细菌（Photosynthetic Bacteria, PSB）处理技术相结合。该研究旨在探索一条将抗生素污染的猪粪转化为高价值产品（水热炭和光合细菌菌剂）并实现废水净化的可持续发展路径。

为开展研究，作者首先对猪粪进行水热炭化处理，系统考察了反应温度、时间和固液比等关键参数对产物特性的影响，并对产生的HTC废水进行了全面表征，包括pH、化学需氧量（COD）、氮磷钾营养盐、抗生素残留及耐药菌等指标。随后，研究重点转向利用混合光合细菌（Rhodopseudomonas palustris strains 2.4.1, CGA009 和 SB1003）对HTC废水进行生物处理，通过单因素实验优化了菌种组合、废水稀释倍数和溶氧条件。研究过程中监测了PSB的生长动力学（采用修正的Gompertz模型拟合）和COD去除动力学（采用Gompertz模型拟合），并将最终获得的PSB菌液与市售产品标准进行对比，评估其商业化可行性。

HTC废水的特性

分析结果表明，HTC废水呈酸性（pH 4.11-4.35），含有高浓度的COD（18,900-59,400 mg/L）以及丰富的氮、磷、钾等营养元素，为PSB的生长提供了基础。至关重要的是，在300°C的HTC反应条件下，猪粪中残留的三种抗生素（泰乐菌素、金霉素、磺胺二甲嘧啶）能被完全降解，且耐药菌也被有效灭活，这为后续PSB的安全培养奠定了基础。废水中重金属（Zn, Cu, Pb, Cr, Cd, Ni）浓度远低于排放标准，对PSB生长无显著影响。

PSB处理HTC废水的参数优化

研究人员通过实验优化了PSB处理过程的关键参数。在菌种选择上，三种PSB菌株（2.4.1, CGA009, SB1003）以1:1:1比例组成的混合菌群表现出协同效应，其COD去除率（68.95%）和最终菌体密度均显著高于单一菌株。关于废水浓度，研究发现过高的初始COD会抑制PSB生长，将HTC废水稀释15倍（COD约1567 mg/L）能在4天内获得约90%的COD去除率，取得了处理效率与可行性的平衡。在溶氧条件方面，微好氧环境明显优于严格厌氧环境，前者在4天内可实现88.51%的COD去除，且PSB生长更为迅速。

PSB的生长与COD去除效能

在最优条件下（混合菌群、15倍稀释、微好氧），预驯化的PSB在HTC废水（300°C, 40 min, 0.1 g/mL条件下产生）中生长良好。动力学分析显示，PSB的生长符合修正的Gompertz模型，其最大比生长速率（μ）为1.558 d^-1，但在约2.98天后进入衰亡期，可能与营养物质耗尽或代谢副产物积累有关。COD的去除过程则符合Gompertz模型，最大去除率可达53.20%。生长曲线与COD去除曲线在前三天高度相关，之后菌量下降而COD趋于稳定，表明废水中可能存在某些未被降解的有机物抑制了PSB的持续生长。

产出物的价值评估：迈向商业化PSB菌剂

研究的最终产物评估显示，经过PSB处理的HTC废水，其COD浓度可降至800-1000 mg/L，PSB菌体密度可达5.0×10⁸ cells/mL以上。与市售的6种光合细菌菌剂产品对比，处理后的菌液在菌体密度和COD浓度上均符合甚至优于商业标准（中国农业行业标准NY527-2002）。这意味着，该技术路线不仅净化了废水，更将其直接转化为具有市场价值的光合细菌菌剂，可用于水产养殖等领域，真正实现了废物的资源化。

综上所述，该研究成功构建了一条HTC与PSB生物处理相耦合的技术路径，用于处理抗生素污染猪粪。该路径的核心优势在于：首先，HTC过程能有效降解抗生素、灭活耐药菌，并将固体废物转化为水热炭；其次，PSB过程能利用HTC废水中的有机物和营养盐进行生长，同时大幅降低废水COD，并将废水转化为高价值的PSB菌剂。整个流程实现了猪粪的“吃干榨尽”和污染物的近零排放，为畜禽养殖废弃物的安全处置与高值利用提供了全新的、具有环境和经济效益的解决方案。值得注意的是，研究中发现的PSB后期衰亡现象提示，未来研究可关注废水中的潜在抑制物识别，或采用连续流、补料分批等培养策略以维持PSB的稳定生长，从而进一步推动该技术的规模化应用。对于COD浓度极高的HTC废水，建议在PSB处理前耦合膜分离或厌氧消化等预处理工艺，以降低负荷，提高整体技术经济性。