用于石化废水处理的藻菌生物膜反应器：依赖介质的有机质转化及分阶段适用性

《Environmental Research》：Algal-Bacterial Biofilm Reactors for Petrochemical Wastewater: Matrix-Dependent DOM Transformation and Stage-Specific Applicability

　　

摘要

石化废水处理仍面临诸多挑战，因为经过常规处理后，废水中仍存在复杂的、难降解的、富含杂原子的有机物质。藻菌生物膜系统在二级处理和高级处理中都具有应用潜力，但其在石化废水处理流程中的适用性因处理阶段而异，目前尚不明确。本研究将三种废水分别引入藻菌生物膜反应器：溶解空气浮选出水、二级生物处理出水以及高活性污泥碳捕集反应器出水。这三种废水在处理效果、有机物质转化以及生物膜反应方面呈现出不同的特征。在废水开始进入反应器后，所有反应器都经历了短暂的抑制期，随后逐渐恢复，其中以二级生物处理出水为原料的反应器在恢复后的总氮和总磷去除率相对更高。荧光激发-发射矩阵光谱法和傅里叶变换离子回旋共振质谱分析进一步表明，该反应器能够更有效地降低荧光有机物质的浓度，减少分子多样性，降低有机物质的饱和度，并去除含氮和含硫的有机分子。相比之下，溶解空气浮选出水为原料的反应器则更倾向于去除低饱和度的有机物质，而高活性污泥碳捕集反应器产生的胞外聚合物和可溶性微生物产物更多，抗氧化能力更强，但有机物质去除效果较差。微生物群落分析和转录组分析显示，以二级生物处理出水为原料的反应器中，微生物的功能组合和表达模式与有机物质转化、芳香族化合物降解、能量代谢以及氮硫转化密切相关。这些结果表明，在石化废水处理流程中，藻菌生物膜反应器可作为常规生物处理之后的高级处理手段。

引言

全球范围内，石化废水约占工业废水排放量的5%-10%（Tang等人，2026年）。石化废水是一种成分复杂的废水，含有多种芳香烃、酚类化合物以及长链脂肪族化合物。这类废水具有污染物含量高、生物降解性差、盐分高且毒性强等特点（Lei等人，2025a；Lei等人，2025b；Li等人，2024年），这既反映了该行业产生的废水量巨大，也凸显了其处理方面的难度。常规处理工艺通常结合物理化学方法（如空气浮选和混凝）与生物处理方法（如微氧水解以及厌氧/缺氧/好氧系统），以此降低废水的有机负荷和毒性（Kou等人，2023a；Kou等人，2023b；Wu等人，2018年）。然而，尽管这些方法能有效降低COD等指标，但仍有大量难降解的有机物质残留在废水中（Zhao等人，2026年）。这些残留的有机物质多含有芳香族、杂环类及含硫结构，难以被生物降解，可能带来长期的生态风险（Lei等人，2025b；Liu等人，2026年）。因此，实现有机物质的更彻底转化，而不仅仅是简单去除，仍是石化废水高级处理的重点任务。

藻菌生物膜技术作为一种可持续且环保的生物处理方法，近年来受到了广泛关注（Geng等人，2024年；Liu等人，2024年；Yu等人，2025年）。这种技术利用微藻与细菌之间的共生关系，将光合作用、养分吸收以及微生物降解功能整合在有序的生物膜结构中（Geng等人，2024年；Li等人，2025年）。通过养分交换、信号传递以及代谢协作，微藻与细菌能够形成稳定的共生群体，从而提升其对高盐度、高毒性以及波动性有机负荷的适应能力（Lin等人，2021a；Qin等人，2025年；She等人，2022年）。先前的研究已经表明，藻菌生物膜系统可用于生物处理或高级处理，去除城市废水中的养分和有机物质（Zhang等人，2023年）。这些研究结果说明，藻菌生物膜系统也有潜力用于降低石化废水处理流程中的残留有机物质含量。不过，由于石化废水的有机物质组成更为复杂，且物理化学条件更为恶劣，这些条件可能会影响生物膜的适应性以及污染物的转化过程，因此目前尚不确定城市废水处理中积累的藻菌生物膜处理经验能否直接应用于石化废水处理。此外，石化废水处理不同阶段的出水在有机负荷、养分比例、盐分、毒性以及有机物质分子组成方面存在差异，这些差异会给藻菌生物膜系统带来不同的生理压力，进而导致不同的有机物质转化结果。因此，来自不同处理阶段的废水如何影响藻菌生物膜反应器的性能，以及这些差异是否会影响其在不同处理阶段的适用性，目前仍缺乏足够的了解。

目前，废水处理中有机物质的去除效果主要通过溶解有机碳、五日生化需氧量、化学需氧量、总溶解氮以及氨氮等水质参数来评估（Kou等人，2023b年）。虽然这些指标有助于判断整体处理效果，但它们无法提供关于有机物质分子组成、结构多样性以及转化途径的详细信息。对于成分复杂的石化废水而言，这一问题尤为突出，因为相同的水质参数变化可能对应不同的有机物质转化模式以及生物膜反应。因此，有机物质的分子转化及其对应的生物膜反应如何影响藻菌生物膜反应器在不同处理阶段的应用效果，目前仍不清楚。为填补这一知识空白，有必要在不同进水条件下，从分子层面分析有机物质的转化情况以及微生物的功能适应性。荧光激发-发射矩阵光谱法和傅里叶变换离子回旋共振质谱法能够提供有关荧光有机物质成分以及分子层面变化的补充信息（Hu等人，2023年；Qiu等人，2026年；Wen等人，2024年），而宏基因组分析和转录组分析则可以揭示微生物群落组成、代谢潜力以及活跃表达的功能通路（Lin等人，2021b年；She等人，2022年；Wang等人，2025b年）。将这些分析方法相结合，就能够将水质改善与有机物质的分子转化联系起来，并了解不同进水条件下微生物的功能响应（Tu等人，2026年；Wang等人，2024年）。这样的分子-微生物分析框架能够为进水特性、有机物质转化以及生物膜反应之间的关系提供全面的视角，从而帮助判断藻菌生物膜反应器在不同石化废水处理阶段中的适用性。

本研究选择了三种具有代表性的进水作为藻菌生物膜处理的对象：溶解空气浮选出水、二级生物处理出水以及高活性污泥碳捕集反应器出水。这三种进水代表了石化废水处理流程中藻菌生物膜反应器可能应用的不同位置。通过结合常规水质分析、荧光激发-发射矩阵光谱分析、傅里叶变换离子回旋共振质谱分析、生理指标检测、微生物群落分析以及宏基因组/转录组分析，本研究比较了这三种进水条件下藻菌生物膜处理的效果、有机物质的分子变化以及微生物的功能响应。研究的目的是阐明来自不同石化废水处理阶段的废水如何影响藻菌生物膜处理的效果、有机物质的分子转化以及微生物的功能响应，从而为判断藻菌生物膜反应器在不同处理阶段中的适用性提供依据。

章节节选

生物反应器的构建与运行

本研究中的废水样本取自中国江苏省南京市的一家典型炼油厂及石化废水处理厂。为进行藻菌生物膜反应器实验，我们选择了三种具有代表性的进水：第一种是溶解空气浮选出水，第二种是经过溶解空气浮选处理后的二级生物处理出水，第三种则是用于处理溶解空气浮选出水的高活性污泥碳捕集反应器出水。所使用的藻菌共生菌株为

碳、氮、磷的去除效率

在第二阶段，所有反应器的COD去除效率都呈现出相似的变化规律：最初下降，随后逐渐恢复（见图1a）。其中，二级生物处理系统和高活性污泥碳捕集系统的COD去除效率最初为负值，分别为-342.99%和-10.62%，而溶解空气浮选系统受到的影响较小，仅为1.77%。最终，所有系统的COD去除效率都逐渐稳定下来，其中溶解空气浮选系统的COD去除量约为94.25 ± 2.24毫克/升，二级生物处理系统为15.75 ± 0.66毫克/升，高活性污泥碳捕集系统则为0.04 ± 0.02毫克/升（见表

结论

通过对比藻菌生物膜反应器对三种不同进水类型的响应，本研究分析了该类反应器在石化废水深度处理中的适用性。研究结果表明，藻菌生物膜系统的处理效果并非仅仅取决于废水成分的复杂性或微生物的应激程度，而是与进水条件是否有利于微生物的高效作用密切相关

CRediT作者贡献说明

马思佳：可视化分析、结果验证、软件应用。 舒俊涛：可视化分析、软件应用。 刘月英：初稿撰写、软件应用、方法设计、实验分析、正式数据分析、数据整理。 林远：论文修订与编辑、结果验证、软件应用、资源协调、资金申请、研究构思。 任洪强：项目监督、资源提供、资金申请。 徐凯：论文修订与编辑、可视化分析、项目监督、资源协调、实验分析、资金申请、研究构思

未引用参考文献

Li等人，2025a；Li等人，2025b；Ren等人，2025a。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（编号：52300047）。宏基因组分析工作在南京大学高性能计算中心完成。

刘月英|林远|马思佳|舒俊涛|任洪强|徐凯

中国江苏省南京市南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，邮编210023