光合固碳驱动藻菌好氧颗粒污泥实现温室气体负排放的机制研究

针对污水处理厂温室气体（GHG）排放问题，研究人员通过藻菌好氧颗粒污泥（AGS）技术，探究了N2O、CH4和CO2的排放特征及光合固碳的抵消潜力。研究发现，当叶绿素a（Chl-a）含量达11.1 mg/g-MLVSS时，CO2固定可中和N2O（1.4%）和CH4（<25 mg-CH4/kg-COD）排放，为低碳污水处理提供了新思路。

　　

论文解读

背景与问题
全球变暖背景下，污水处理厂（WWTPs）的温室气体（GHG）排放问题日益严峻。传统活性污泥（AS）工艺因高能耗和直接排放N₂O、CH₄等强效温室气体（N₂O的增温潜势是CO₂的265倍），贡献了1–3%的人为排放。尽管藻菌好氧颗粒污泥（AGS）技术因节能和碳减排潜力备受关注，但其非CO₂ GHG（如N₂O和CH₄）的排放机制及藻类共存对颗粒稳定性的影响尚不明确。

研究设计与方法
上海市生态与环境保护局等机构的研究团队构建了光序批式反应器（photo-SBR），通过逐步提高光照强度培育藻菌AGS，监测其GHG排放动态。研究结合叶绿素a（Chl-a）含量、胞外聚合物（EPS）分析及微生物群落测序，评估了光合固碳对N₂O和CH₄的抵消效应，并揭示了颗粒结构瓦解的临界条件。

关键结果

1. N₂O排放特性：N₂O排放因子波动显著（0.4%–3.0%），与藻类含量、EPS或脱氮效率无直接关联，表明其产生途径复杂。
2. CO₂固定与抵消效应：Chl-a含量与CO₂减排强相关（R²=0.88）。当Chl-a达11.1 mg/g-MLVSS时，光合固碳可中和平均N₂O（1.4%）和CH₄排放。
3. 颗粒稳定性挑战：藻类过度增殖（Chl-a>13.4 mg/g-MLVSS）导致两次颗粒解体，可能与CO₂不足引发的绿藻门（Chlorophyta）向蓝藻门（Cyanobacteria）转变有关。

结论与意义
该研究首次量化了藻菌AGS中光合固碳对非CO₂ GHG的抵消潜力，为设计低碳污水处理工艺提供了理论依据。然而，藻类含量与颗粒稳定性的平衡仍需优化，以避免结构崩溃风险。成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，推动了GHG减排技术与生物工艺稳定性的协同发展。