综述：用于可持续废水处理的藻菌颗粒污泥工艺：技术进展与挑战

《Water Research》：Algal-bacterial granular sludge process for sustainable wastewater treatment: Technological advances and challenges

藻菌絮体（ABGS）工艺通过藻类光合固碳与细菌代谢协同作用实现高效污水净化，兼具碳减排和能源节约优势，但面临菌群平衡、运行优化及规模化挑战，需结合人工智能与循环经济策略推动应用。

　　在当今社会，随着人类活动的加剧，水资源的可持续性已成为全球关注的重要议题。传统的活性污泥（CAS）工艺虽然已经应用了一个多世纪，但在实际应用中仍面临诸多挑战，例如高能耗、占用大量土地、处理效率有限以及产生大量剩余污泥等问题。这些限制凸显了未来污水处理厂（WWTPs）亟需进行技术升级。与此同时，藻菌颗粒污泥（ABGS）作为一种创新的污水处理方法，因其协同污染物去除能力、碳封存潜力以及降低能耗等优势，近年来获得了广泛关注。ABGS不仅在污水处理中表现出高效性，还为实现碳中和目标提供了新的路径，同时还能通过资源回收提升整体的经济价值和环境效益。

ABGS的核心在于藻类和细菌之间的共生关系。藻类利用光进行光合作用，生成氧气以支持细菌的需氧代谢过程，而细菌则通过矿化氮、磷等营养物质，使其可供藻类吸收利用。这种互补的代谢机制，通过溶解氧（DO）、光和物质在颗粒基质中的梯度分布，促进了吸收和非吸收路径的同步进行，从而实现高效的有机物和营养物去除。研究表明，ABGS能够实现超过90%的化学需氧量（COD）去除率，通过硝化/反硝化过程消除80%的总氮（TN），并利用聚磷菌（PAOs）吸收高达95%的磷。此外，藻类的光合作用还能直接从大气或烟气中固定二氧化碳，有助于减少温室气体（GHG）排放，推动碳中和污水处理的实现。

与传统活性污泥系统相比，ABGS在能耗方面具有显著优势。由于藻类能够原位生成氧气，减少了机械搅拌的需求，而机械搅拌通常占传统活性污泥运行成本的60%。在ABGS的有氧阶段，仅需进行混合操作的能耗约为5.75 Wh/m3，这比传统机械曝气系统的能耗低31到139倍。此外，通过使用自然阳光替代LED照明，还可以进一步降低能源消耗。据预测，ABGS每年可实现640亿千瓦时的净能源收益，而传统活性污泥系统则消耗742亿千瓦时。这些数据表明，ABGS不仅在环境效益上具有优势，还在经济层面展现出良好的前景。

除了能源效率，ABGS的颗粒结构还增强了系统的稳定性。颗粒结构有助于提高生物量的保留能力，并使系统对环境波动更具抵抗力。这种结构的形成与优化对于维持高效的污水处理过程至关重要。然而，ABGS系统的稳定性也受到微生物失衡的影响，因此维持一个平衡的藻菌共生体系是关键且具有挑战性的。如果微生物群落结构失衡，不仅会降低系统的处理效率，还可能导致过高的生物降解性能被高估，同时低估氮氧化物（N?O）的排放量，而真实的环境足迹和基因转移风险仍需进一步验证。

在实际应用中，ABGS系统还面临一系列挑战。首先，现有的实验室研究主要依赖合成废水和批次操作，这往往无法全面反映真实进水的复杂特性、地理差异以及季节变化。其次，如何维持一个长期稳定的藻菌共生体系仍然是一个难题，因为微生物的失控增殖会破坏群落结构，降低系统的处理效率。此外，缺乏实际的环境和技术创新经济评估，也限制了ABGS在大规模应用中的推广。这些挑战需要通过创新的反应器设计和工艺优化来解决，例如调控物质传递、溶解氧（DO）和光照的可用性，同时确保在扩大规模时保持处理性能的一致性。

为了更好地理解和推动ABGS的发展，近年来的研究已经深入探讨了藻菌共生关系、功能基因、适应性反应以及代谢途径。研究重点逐渐从基础的微生物行为转向实际应用中的问题，例如新兴污染物的去除、抗性基因（ARGs）的转移、资源回收的可行性以及碳中和和GHG减排的实现。与此同时，ABGS的系统稳定性、能耗控制、资源回收效率等方面的研究也在不断深入，为未来的技术发展提供了重要参考。

此外，ABGS在资源回收方面也展现出广阔的应用前景。通过回收的生物量可以转化为生物燃料、生物塑料和生物聚合物，使污水处理从单纯的“成本中心”转变为具有“价值创造”能力的可持续过程。这一转变不仅有助于提升污水处理的整体效益，还与循环经济的理念相契合。然而，实现这一目标仍然面临诸多挑战，例如如何确保资源回收的经济可行性、如何优化生物转化过程、以及如何在大规模应用中保持系统的稳定性。

从研究趋势来看，ABGS的文献计量分析揭示了其研究热点和未来发展方向。通过CiteSpace工具对关键词的共现分析，可以发现ABGS相关研究在不同时期的演变。例如，一些关键词如“藻菌需氧颗粒污泥（A-BAGS）”、“藻菌颗粒（ABG）”、“藻类颗粒”、“颗粒化藻类”、“微藻菌需氧颗粒污泥（MB-AGS）”、“微藻菌颗粒污泥（MBGS）”以及“供氧光颗粒（OPGs）”等，反映了ABGS研究的不同发展阶段和重点方向。这些研究不仅关注于ABGS的基本原理，还扩展到其在碳中和、资源回收、环境影响等方面的应用。

ABGS的研究还涉及其颗粒形成路径和机制。根据现有研究，颗粒的形成主要包括自聚集、特定菌种的接种以及外部添加剂的辅助形成。这些形成路径的关键在于接种菌种的选择和工艺条件的优化。例如，通过选择特定的藻菌菌种，可以提高颗粒的形成效率和稳定性；而通过添加适当的外部添加剂，可以促进颗粒的形成和维持。这些机制的深入研究有助于优化ABGS系统的运行，提高其在实际应用中的可行性。

尽管ABGS展现出诸多优势，但在实际应用中仍存在一些关键障碍。例如，如何在不同的进水条件下维持稳定的颗粒结构，如何优化工艺条件以提高处理效率，以及如何确保系统的长期运行稳定性。此外，还需要进一步研究ABGS在高浓度污染物去除、抗性基因转移、资源回收可行性等方面的表现。这些研究不仅有助于完善ABGS的理论基础，还能为实际应用提供指导。

综上所述，ABGS作为一种创新的污水处理方法，具有广阔的应用前景和重要的环境效益。然而，要实现其在实际应用中的大规模推广，还需要克服一系列技术、经济和环境挑战。未来的研究应更加关注ABGS在不同条件下的适应性、稳定性以及资源回收的可行性，同时探索新的反应器设计和工艺优化策略，以提高系统的处理效率和经济价值。通过这些努力，ABGS有望成为推动可持续污水处理和循环经济的重要工具。