网络首发||葛士建教授：藻菌共生污水处理技术应用现状和技术挑战
文摘
科学
2024-08-26 10:30
浙江
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系统介绍了微藻-细菌共生技术（Microalgal-Bacterial Consortium, MBC）和原位微藻-细菌共生技术（Indigenous MBC, IMBC）的原理和特点，分析藻菌互作特性及环境因子影响特性，并基于生态因子之间复杂的相互作用探讨了基于数学模型的运行策略。此外，文章重点从工程应用角度，讨论了全球范围内MBC污水处理系统中试与工程规模的应用情况和研究进展，并结合气候条件、培养体系实用性选择和藻菌生物质高效能源利用技术三方面深入探究目前面临的主要技术挑战和应用瓶颈。在此基础上，文章提出应充分应用现代分子生物学技术，开发可以平衡复杂性和现实性的精准数学模型并开展全生命周期评价，以进一步阐明MBC中的互作机制和生态因子的影响机制和开发更稳定、适应性更广、更经济高效的MBC污水处理系统，为实现其规模化应用提供参考和建议。
葛士建，南京理工大学教授，博士生导师，环境与生物工程学院副院长。获国家重大人才计划青年学者、中国科协青年人才托举工程、江苏省特聘教授、江苏省杰出青年基金获得者、江苏省六大人才高峰等人才称号，江苏省本科一流课程和江苏省优质研究生教学资源负责人。主要从事菌/藻污水生物处理与资源化、有机废弃物（废水）厌氧能源化的基础理论与应用研究。以第一作者或通讯作者发表学术论文70余篇，其中Water Research和Environmental Science & Technology等JCR一区论文60余篇；授权国家专利15项，应用于多项污水处理工程项目；主持国家等省部级以上科研项目9项，省部级教改项目4项，获江苏省科学技术奖等；担任学术期刊Algal Research、Water Science and Technology、Biotechnology Letters、《中国给水排水》等编委/青年编委以及国际水协会中国青年委员会委员、中国环境科学学会青年科学家分会委员等学术职位。1. 国家自然科学基金资助项目（52170038, 52000103, 52370040）
2. 江苏省自然科学基金资助项目（BK20220143）
3. 中国自然科学基金博士后资助计划项目（GZB20230973）
国家“双碳”目标背景下，藻菌共生系统（Microalgal-Bacterial Consortium，MBC）具有同步实现污水资源低碳回收和高附加值生物质生产等优点，被视为污水可持续处理的新兴技术。然而，MBC理化特性和活性均受污水水质、环境因子等多种因素影响，导致其污水处理性能不稳定，限制了规模化应用。对此，深入理解MBC功能微生物共生机制和影响因素的作用机制至关重要。基于此，文章对比分析了MBC和原位MBC技术的原理与特点，讨论了微藻与细菌间的相互作用关系及生态因子的影响机制，并总结了目前常见的MBC系统模式和运行特点。此外，从工程角度详述了MBC污水处理系统的研究进展，重点讨论了全球范围内MBC的中试与工程规模的应用情况，进而分析了该技术面临的主要技术挑战和亟须突破的应用瓶颈，讨论了MBC技术的未来研究方向和应用前景。基于我国“双碳”和绿色低碳循环经济体系的发展目标，开发或革新可持续的污水处理技术迫在眉睫，已成为水处理行业的研究重点。对此，微藻－细菌共生系统（MBC）是实现污水可持续处理的策略之一。MBC概念首次由OSWALD和GOTAAS在1957年正式提出，并有效应用于城市污水处理。MBC技术的可持续性主要体现在微藻与细菌将污水中的“污染物” （碳、氮和磷等）转换为高值生物质（碳水化合物、蛋白质和脂类等），而微藻与细菌的相互作用促进了系统气/液转移（藻光合产O2供细菌代谢，细菌呼吸产CO2为藻光合作用提供底物），减少了曝气的能量需求，降低了污水处理过程中的碳排放，从而同步实现污水低碳处理、减缓温室效应和回收营养盐等目标（图1）。
然而，MBC对复杂污水生境适应性较差，导致其活性低、污染物去除效率低，限制了该系统大规模应用。对此，除了碳补充、污水分级流加、水力优化等MBC活性强化策略之外，近年来团队开发了基于目标污水定向富集的原位微藻-细菌共生技术（Indigenous MBC，IMBC）。经过适应性进化和梯度胁迫驯化后，IMBC表现出较强的污水适应性和污染物去除能力。然而，根据生命周期评价体系，试点规模验证是新工艺工程化应用的必要前提。IMBC在实际应用中仍然无法与传统活性污泥系统相媲美，需要进一步的技术研究和应用验证。基于上述分析，本论文旨在通过对MBC互作特性及环境因子影响特性的分析，总结了该系统高效稳定运行的可行调控策略。进而，基于MBC和IMBC系统的实际应用案例，探讨了其工程应用的技术瓶颈，以及提高其规模化应用可行性的潜在方案。![]()
图1 藻菌共生污水处理技术流程图
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注：数据集来源于可公开访问的网络平台和已发表的文献。
图3 不同规模的MBC污水处理工程应用数量与气候类型关系
贺昭铭, 陈志鹏, 余圣, 邱爽, 葛士建.藻菌共生污水处理技术应用现状和技术挑战[J/OL]. 能源环境保护: 1-14[2024-08-23]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240806.HE Zhaoming, CHEN Zhipeng, YU Sheng, QIU Shuang, GE Shijian. Current application status and technical challenges of microalgal-bacteria consortium wastewater treatment technology[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-14[2024-08-23]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240806.
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
