综述：一种创新的废水处理工艺：藻菌颗粒污泥（ABGS）的发展前景

《Bioresource Technology Reports》：An innovative wastewater treatment process: Prospects for development of algal-bacterial granular sludge (ABGS)

藻菌共生颗粒污泥（ABGS）通过光合作用与生物降解协同实现高效污水治理、碳减排及高附加值产物回收，其性能受盐度、光照、曝气等关键参数影响，并可通过“hormesis”机制增强污染物去除。研究系统梳理了ABGS的污染物去除机制、颗粒形成动力学及实际应用瓶颈，提出整合新兴污染物治理与资源回收的优化路径。

　　

尹世宇|何中琪|周旭

中国哈尔滨工业大学（深圳）生态与环境学院城乡水资源与环境国家重点实验室，深圳，518055

摘要

藻菌颗粒污泥（ABGS）通过光合作用和生物降解的协同作用实现了高效的废水处理，显著降低了能耗。同时，ABGS能够将污染物转化为生物质能源或高价值产品，在资源回收和碳中和方面展现出巨大潜力。鉴于其在废水处理、碳减排和资源回收等多方面的关键作用，进行系统综述具有重要意义。本文系统总结了ABGS的污染物去除效果及其开发高附加值产品的潜力，并深入分析了其颗粒化过程及关键参数对处理性能的影响，包括新兴污染物（如微塑料/纳米塑料和抗生素）的影响。此外，还探讨了ABGS在实际废水处理中的应用前景、抗生素去除能力、抗性基因风险控制以及高附加值产品生产中的瓶颈问题。创新性地，本文将“激增效应”概念引入了对ABGS污染物去除机制的理解中。总体而言，本文系统总结了ABGS技术的最新进展，并为其在环境应用中的潜力提供了新的见解。

引言

面对快速的城市化和日益严重的全球水资源与资源短缺问题，废水处理厂正在超越传统的仅处理污水的功能，向更加可持续的运营模式转型，这些模式强调自给自足的能源生产和高价值生物资源的回收（Bahgat等人，2023年）。过去几十年中，好氧颗粒污泥（AGS）因其优异的沉淀性能、高效的同步营养物质去除能力和较低的土地需求而受到广泛关注（Nancharaiah和Kiran Kumar Reddy，2018年）。用于废水处理的藻菌联合体相比单一藻类或细菌系统具有更高的污染物去除效率，并能降低生物质采集成本（Su等人，2011年）。近年来，藻菌颗粒污泥（ABGS）因其相较于AGS的诸多优势（如更密集的结构、更高的生物质产量、更好的沉淀性能和更低的能耗）而成为研究热点（Ahmad等人，2017年）。此外，ABGS在生产高附加值产品方面也表现出色（Chen等人，2024年；Liu等人，2023a年）。比较AGS和ABGS在生物柴油生产方面的潜力发现，ABGS的最大产率为66.21±1.08毫克/克悬浮固体（SS），远高于AGS的35.44±0.92毫克/克SS（Liu等人，2018年）。由于藻类的存在，ABGS在减少温室气体（GHGs）排放方面也具有巨大潜力（Zhao等人，2019年；Zhao等人，2018年）。研究表明，二氧化碳（CO?）排放量的减少与藻菌联合体系统中的叶绿素a（Chl-a）含量呈正相关（R2=0.88）。当Chl-a超过12毫克/克MLVSS时，系统表现为负CO?排放（吸收>排放）（Wang等人，2025年）。在ABGS系统中，好氧细菌利用藻类光合作用产生的氧气作为电子受体来氧化有机物，而产生的二氧化碳又被藻类光合作用消耗，无需外部曝气和二氧化碳排放（Zhang等人，2021年）。因此，ABGS形成了一个集污染物去除、氧气自给和碳固定于一体的微型共生系统。这种高效的“碳-氧”循环使ABGS在节能、减少能耗和降低碳排放方面展现出巨大潜力。

目前，随着能源需求的持续增长，研究人员正在积极探索替代绿色能源。其中，藻类作为第三代生物能源的生产原料，相比第一代（如甘蔗、玉米）和第二代（如木质纤维素）生物质具有显著优势：它们不会占用耕地，从而避免了食品生产与能源需求之间的冲突（Kannah等人，2021年）。藻类可以生产色素、脂质、某些多糖等有价值的生物产品。叶绿素、类胡萝卜素和藻胆蛋白等化合物可应用于功能性食品、化妆品、水产养殖、制药等领域（Koller等人，2014年）。例如，藻菌联合体可以实现低能耗、低碳的聚羟基烷酸酯（PHA）生产。优化后的系统可使PHA含量达到51%，同时将能耗降低90%，碳排放减少38%（Huang等人，2026年）。因此，由于ABGS中包含藻类，它不仅具有出色的污染物处理能力，还具有发展绿色能源的潜力。例如，ABGS技术能够回收类似海藻酸盐的胞外多糖（ALE）（Pereira等人，2025年；Porfiro Sales Gon?alves da Silva等人，2025年）、磷（Lyu等人，2026年）和脂质（Cao等人，2022年；Zhang等人，2025b年）。通过调整3小时光照/3小时黑暗的光照周期，采用逐步增加后减少的光照强度策略，可实现ALE（206.46毫克/克VSS）和脂质（113.41毫克/克VSS）的回收（Zhang等人，2025b年）。

目前，藻菌共生系统在去除多种污染物方面表现出显著效果，并已在实际应用中得到验证。大量研究表明，藻菌共生系统同时具备废水处理和高价值产品生产的双重优势（Zhao等人，2025年）。藻类和细菌之间的动态相互作用（如水平基因转移和有机及无机物质的交换）可增强系统的韧性，这在高盐度、极端稳定性、重金属暴露等恶劣条件下对废水处理非常有利（Nowruzi等人，2022年）。此外，鉴于抗生素的过度使用，藻菌共生系统已被证明可以有效处理废水中的抗生素残留物或控制其衍生物带来的生态风险。典型的抗生素生物去除机制包括生物吸附、生物积累、生物降解和共代谢（Xiao等人，2024年）。尽管关于藻菌共生的研究较早开始，但关于ABGS的发现始于2015年。Huang等人（2015a）发现，每天暴露在自然光下的AGS系统能够形成藻菌联合体。随后，研究人员证明将藻类（小球藻和Scenedesmus）与好氧颗粒共培养同样可以形成ABGS（Liu等人，2017年）。ABGS可以通过不同的颗粒化过程形成，这些过程显著影响颗粒化时间和ABGS的性能。因此，总结当前的ABGS颗粒化方法有助于缩短颗粒化时间和优化性能。此外，曝气、反应器配置（Liu等人，2017年）、盐度（Cao等人，2022年；Dong等人，2021年）和光照强度（Fan等人，2021年；Li等人，2023b年；Meng等人，2019a年；Zhang等人，2019a年）都会影响颗粒联合体的性质。

目前，关于ABGS技术的综述主要集中在其理论基础、运行机制、应用前景和工程挑战上。现有文献一致指出，ABGS在实际应用中面临技术瓶颈，包括规模化困难、颗粒稳定性差、调节藻菌比例的挑战以及光照可用性的限制（Chen等人，2025a；Chen等人，2026年；Jiang等人，2022年；Lyu等人，2025年；Sanchez-Sanchez等人，2023年）。然而，由于人类活动的直接或间接影响，环境中新兴污染物（CECs）的种类持续增加。尽管它们的环境浓度较低，但对生态系统和人类健康的潜在风险引起了广泛关注。鉴于此，本文总结了ABGS的污染物去除效果及其影响因素，特别关注了微塑料/纳米塑料和抗生素的影响。未来的研究方向建议将ABGS与“激增效应”机制相结合进行进一步探索。本文为理解ABGS在废水处理中的应用潜力提供了宝贵见解，可能为推进ABGS技术在废水处理和生物精炼应用中的发展提供新的视角。

部分摘录

ABGS的颗粒化与形成机制

ABGS主要有两种颗粒化途径：（1）从絮凝污泥开始，这一过程耗时较长；（2）从成熟的AGS开始，耗时相对较短。颗粒化过程会影响ABGS的效率。Yang等人（2025年）比较了两种培养方式——絮凝污泥转化为ABGS（FS-ABGS）和AGS转化为ABGS（AGS-ABGS）在去除污染物方面的效果，结果FS-ABGS表现出更优的污染物去除性能。

影响ABGS的主要因素

ABGS的形态、稳定性和去除效率受多种因素影响，如盐度、光照强度、曝气和纳米颗粒（图2和图3）。下文将详细讨论影响ABGS的主要因素。

污染物的去除

ABGS技术能够去除多种污染物，适用于多种废水处理（图4）。

ABGS替代活性污泥的潜力

目前，所有ABGS研究均在小规模的PSBR中进行。SBR具有操作灵活性、占地面积小、抗冲击负荷能力强和污泥沉淀性能优异等优点（Singh等人，2022年）。由于ABGS对光照、水力条件和运行模式的要求，将其替代传统活性污泥工艺反应器（连续流）中的活性污泥是不可行的。

结论

ABGS技术结合了AGS和微藻的优势，显著减少了废水处理过程中对外部曝气的依赖。该系统的稳定性和处理效率受多种环境因素影响。维持藻类和细菌之间的长期稳定共生关系是ABGS技术未来发展的关键。ABGS在处理多种类型废水方面表现出广泛的适应性，能够有效去除多种污染物。

CRediT作者贡献声明

尹世宇：撰写——初稿，研究。何中琪：撰写——初稿，研究。周旭：撰写——审稿与编辑，研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了深圳市科技创新项目（JCYJ20250604145509012）和城乡水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号2025TS35）的支持。