CO?驱动的藻菌颗粒化去除不同处理污水尾水中的营养物：接种源与尾水类型的作用

《Bioresource Technology》：CO 2-driven algae-bacteria granulation for biological nutrient removal from different treated sewage effluents: role of inoculum source and effluent type

　　

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  二氧化碳驱动的藻菌颗粒在无外加有机碳的条件下处理真实污水尾水。
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  两种接种物均在第80天时实现了SVI₅＜20 mL/g和MLSS约4 g/L。
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  富营养化湖泊生物量（ELB）接种物形成的颗粒实现了NH₄⁺去除率＞80%，活性磷（PO₄^?-P）＜1 mg/L。
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  通过反硝化和藻类同化作用，在富硝酸盐尾水中实现了NO₃^?-N＜7 mg/L。
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  接种物类型和尾水类型共同决定了微生物群落结构和营养物去除效果。

引言

由于城市化、人口增长和气候变化，全球水资源短缺正在加剧，使废水回用对水安全变得日益重要，尤其是在干旱和半干旱地区（Saadatinavaz等，2024）。在全球范围内，约有44%的家庭废水未经安全处理即排放，通过营养物污染造成环境恶化（世界卫生组织，2025）。处理后的污水尾水（TSE）在诸如欧盟法规（EU）2020/741和世界卫生组织指南（世界卫生组织，2025）等框架下，越来越多地被回用于灌溉、工业冷却和间接饮用回用。然而，主流生物处理工艺，包括活性污泥法（AS）、好氧膜生物反应器（AeMBR）和厌氧电化学膜生物反应器（AnEMBR），其出水中的残余氮和磷通常超过水回用限值（总氮＜10 mg/L，总磷＜0.5–1 mg/L）（Qadir等，2020；美国环保署，2023）。值得注意的是，活性污泥法和好氧膜生物反应器由于其好氧特性，均产生以硝酸盐为主的尾水；而厌氧电化学膜生物反应器由于厌氧运行，产生以氨氮为主的尾水。在所有情况下，都需要专门的深度处理步骤才能满足排放和回用标准，这凸显了对高效、低成本的三级营养物去除技术的迫切需求。

三级氮磷去除技术包括化学沉淀、离子交换、膜过滤以及异养反硝化等生物过程（Henze等，2019）。然而，这些方法往往能耗高、需要添加化学品或产生二次废物流。微藻具有独特优势：它们通过自养生长直接将铵、硝酸盐和磷酸盐同化进生物量，通过光合作用产氧以支持共培养细菌，并产生可收获的生物量，有潜力被转化为生物燃料或肥料（Rajitha等，2020；Moreira等，2023；Shi等，2024；Chen等，2026）。与异养反硝化需要每克NO₃^?-N消耗2.5–3.5克化学需氧量（COD）不同，藻类系统可以在不添加外部碳源的条件下运行，使其特别适用于处理有机物含量低或无有机物的废水，如污水尾水（Henze等，2019；Shi等，2024）。然而，在传统的悬浮藻类培养中，生物质收获构成了主要的经济和技术障碍，通常占处理总成本的20–30%（Wen等，2011）。非悬浮方法，如固定在聚合物微珠中或附着于固体表面，可以实现更高的生物质密度和更便宜的脱水，但需要昂贵的化学或材料投入（Wang等，2018；Zhuang等，2020）。

藻菌颗粒污泥通过微生物自固定，将微藻和细菌形成致密、可沉降的聚集体，从而克服了上述限制，且无需添加外部化学品。颗粒内细菌的存在至关重要：细菌通过产生胞外聚合物（EPS）贡献于颗粒结构稳定性，通过硝化、反硝化和强化生物除磷（EBPR）补充藻类的营养物去除，并通过使来自不同接种物的颗粒可靠形成来促进规模化应用（Tiron等，2017）。Huang等（2015）首次证明了在活性污泥好氧颗粒化过程中微藻自然生长，在自然阳光下形成稳定的藻菌共体。后续研究获得了以小球藻（Chlorella）和栅藻（Scenedesmus）等微藻菌株为主的成熟藻菌颗粒污泥，通过重力沉降实现低成本生物质收获，回收效率高（Liu等，2017；Tiron等，2017）。

尽管取得了这些进展，大多数现有系统仍依赖于外加有机碳（葡萄糖、挥发性脂肪酸或废水COD）来进行颗粒化和反硝化（Liu等，2017），使其不适合污水尾水典型的碳限制条件。评估二氧化碳补充的微生物颗粒污泥的研究使用的是合成废水（Ji和Liu，2022；Tang等，2024），尚未评估使用来自多种工艺来源的真实污水尾水的性能。来自厌氧工艺（如厌氧电化学膜生物反应器）的污水尾水主要含铵氮，而来自好氧工艺（如好氧膜生物反应器和氧化沟）的污水尾水则以硝酸盐为主。由于富氨氮和富硝酸盐尾水中的氮去除途径存在显著差异，不同尾水类型之间的性能可能差异很大（Biliani和Manariotis，2023）。此外，尽管已有证据表明接种物类型会影响颗粒化动力学和群落结构（Zhang等，2023），但尚无先前的研究系统比较细菌主导型与藻类富集型接种物对二氧化碳驱动颗粒化的影响，或评估接种物来源和尾水氮形态（富铵氮与富硝酸盐）对颗粒形成、群落结构和营养物去除性能的独立影响。

为填补这些空白，本研究开发并评估了一种二氧化碳驱动的藻菌颗粒污泥系统，用于深度处理真实污水尾水以实现水回用。具体而言，本研究解决了三个空白：（i）完全不使用外加有机碳，仅以二氧化碳（5%）作为唯一外部提供的无机碳源；（ii）使用三种真实污水尾水评估性能，主要是来自全规模好氧膜生物反应器的富硝酸盐尾水、来自全规模氧化沟的富硝酸盐尾水，以及来自中试规模厌氧电化学膜生物反应器的富铵氮尾水，涵盖了实际中遇到的氮形态全范围。选择好氧膜生物反应器和氧化沟是因为它们代表了最常见的两种产生以硝酸盐为主的尾水的好氧处理配置，而厌氧电化学膜生物反应器代表了一种新兴的厌氧替代方案，产生以氨氮为主的尾水；（iii）比较两种接种物来源：活性污泥（AS），这是一种细菌主导的共体，藻类含量有限；以及富营养化湖泊生物量（ELB），自然富含微藻。这两种接种物来源代表了根本不同的初始微生物群落组成。我们假设这两种接种物来源会导致不同的群落结构和营养物去除模式。这些要素共同构成了对藻菌颗粒污泥研究的一项新颖而独特的贡献。鉴于全球对深度处理解决方案的需求，特别是在污水尾水回用至关重要的缺水地区，本研究为将二氧化碳驱动的藻菌颗粒污泥系统作为可持续营养物深度处理技术进行规模化应用提供了科学基础。

各章节摘要

接种物来源

使用两种不同的生物质来源——活性污泥（AS）和富营养化湖泊生物量（ELB）——作为接种物来启动光生物序批式反应器（PSBR）（见第2.2节）。活性污泥生物质取自沙特阿拉伯拉比尔（Rabigh）一个正在运行的全规模活性污泥污水处理厂的曝气池（22°35′10″N，39°06′00″E）。富营养化湖泊生物量取自附近的一个富营养化湖泊，该湖泊接收来自活性污泥工艺的污水尾水。接种物中未添加纯培养藻类菌株，混合浮游植物从……中收获

颗粒形成与形态

以活性污泥为接种物的PSBR在启动一周内发展出不均匀的、斑块状浅绿色生长，表明藻类定殖的开始（图1）。到第30天，生物质演变为小聚集体（0.4–0.6 mm），颜色从浅绿色明显转变为深绿色。到第70天，颗粒尺寸扩大到1.1–1.4 mm，边缘表现出明显的毛状突起（图1）。更深的绿色对应于叶绿素含量的增加……

结论

本研究证明了二氧化碳驱动的藻菌颗粒化作为真实污水尾水（来自不同来源且氮组成不同）生物营养物去除三级处理技术的可行性，证实了颗粒形成和营养物去除不需要外加有机碳。

活性污泥和富营养化湖泊生物量均可作为可行的接种物，但接种物类型决定了颗粒化动力学，富营养化湖泊生物量来源的颗粒形成更快，而两种系统均实现了SVI₅＜20 mL/g和MLSS……

作者贡献声明

M. Sarvajith：无额外贡献。 Barbara Bastos de Freitas：写作——审阅与编辑，资源支持。 Lucia Ruiz-Haddad：写作——审阅与编辑，形式分析。 Kyle J. Lauersen：写作——审阅与编辑，监督指导，资源支持，经费获取。 Pascal E. Saikaly：写作——审阅与编辑，监督指导，资源支持，经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）授予Kyle J. Lauersen和Pascal E. Saikaly的基线资金资助。

M. Sarvajith|Barbara Bastos de Freitas|Lucia Ruiz-Haddad|Kyle J. Lauersen|Pascal E. Saikaly