微藻光生物精炼处理废水再利用中潜在风险的标准化定量评估方法

本研究针对微藻光生物精炼（microalgae-based photorefinery）处理废水再利用中的健康风险问题，提出了一种结合定量微生物风险评估（QMRA）与失效模式效应分析（FMEA）的综合方法。通过意大利中试系统实验数据验证，证实废水再利用在多数参数下风险可控（DALY < 10-6），但铵盐浓度受意大利法规限制成为主要障碍。研究为微藻系统生产再生水的安全性提供了科学依据，并提出了pH、铵盐和体细胞大肠杆菌噬菌体的风险控制策略，对推动可持续水管理技术具有重要实践意义。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，废水再利用成为缓解供需矛盾的关键策略。传统废水处理技术能耗高且难以满足循环经济要求，而微藻光生物精炼（microalgae-based photorefinery）因其低能耗（0.2 kWh·m^?3）和资源回收潜力备受关注。然而，微藻处理系统仍处于发展阶段，再生水在农业灌溉中的健康风险缺乏标准化评估方法。意大利严格的法规（如DM 185–2003要求NH₄ < 1.6 mgN·L^-1）进一步限制了技术推广。为此，研究人员通过中试实验和风险量化模型，为微藻处理系统的安全应用提供了科学依据。

研究团队在意大利中试规模的高速率藻类池（HRAP）中进行了55天连续实验，结合超滤（UF）处理废水。采用QMRA评估微生物风险（如大肠杆菌、体细胞噬菌体），通过FMEA与WHO指南构建风险矩阵分析理化参数（如pH、NH₄）。关键方法包括：1）动态监测HRAP进出水的28项理化指标和6项生物污染物；2）基于Poisson模型和指数模型的剂量-反应关系计算感染概率；3）以95百分位数（P95）对比法规限值量化风险等级。

3.1 系统运行效能
HRAP系统对COD、TN、TP的去除率分别达18.6%、85.4%、57.9%，出水大肠杆菌（1.0 CFU/100 mL）满足欧盟2020/741法规要求。但NH₄浓度（P95=5.6 mgN·L^-1）50%时间超出意大利限值，成为再利用的主要障碍。

3.2.2.2 微生物风险评估
QMRA显示，超滤后大肠杆菌和梭菌孢子风险均低于WHO阈值（DALY<10^-6），但体细胞噬菌体在作物摄入途径中风险超标，需补充UV消毒（1.5 log去除）方可达标。

3.2.2.3 理化风险矩阵
FMEA-WHO联合分析表明，NH₄和pH风险等级最高（得分18-36），因pH波动（9.4±0.8）和NH₄超限。建议注入CO₂调节pH（成本增加0.031 kWh·m^?3），并开发HRT智能控制器优化脱氮。

结论与意义
该研究首次建立了微藻处理废水再利用的标准化风险评估框架，证实其在多数参数下技术可行，但需解决NH₄的法规冲突问题。提出的CO₂调控和UV消毒策略为风险管控提供了实践路径，推动微藻技术纳入欧盟“按需用水”（fit-for-purpose）政策框架。未来需扩展动态风险评估和新兴污染物（如抗生素抗性基因）研究，以完善标准体系。论文发表于《Bioresource Technology》，为可持续水管理提供了关键技术支撑。