在碳达峰、碳中和的大趋势下，迫切需要开发新工艺，充分挖掘污水所蕴含的潜力和资源，实现循环经济，减少碳排放。 全球城市污水中氨氮（NH4+-N）的平均浓度约为40毫克/升。 以每年城市污水排放量3800亿立方米计算，全球城市污水中氨氮含量约为1520万吨，相当于约1850万吨NH3/年。 传统的生物脱氮（BNR）工艺将城市污水中的大部分氨氮转化为氮气，同时消耗大量的能源和化学品。 例如，在传统的硝化-反硝化过程中，去除1公斤氨氮大约需要2.6至6.2千瓦时的电能，而在生物反硝化过程中，会产生N2O。 铵盐作为一种高效肥料对于维持全球农业生产力至关重要，几乎所有氨都来自能源密集型的哈伯-博世反应。 如果城市污水中的氨氮能够得到有效回收，将减少哈伯-博世法合成等量氨氮的消耗量达1850万吨/年×10千瓦时/公斤=1850亿千瓦时/年。 上述初步测算表明，在双碳背景下，去除氨氮是城市污水处理实现能源中和、碳中和的决定性步骤，正如刘宇教授在《第七届全国水处理与循环利用学术报告》中所言。会议微藻类水处理理论与技术分论坛的主题报告《藻菌颗粒污泥在城市污水处理中的应用：现状与前景》指出，城市污水处理中的氮中和决定了碳中和（图1）因此，在循环经济框架内，从城市污水中回收氨氮具有环境可持续性和经济必要性。

图1 来源可参考

藻类-细菌耦合：城市废水中氨氮回收的可行工艺

在前期工作中，课题组尝试利用生物炭吸附工艺回收城市污水中的氨氮，探索了吸附作为回收城市污水中氨氮的方法的可能性和可行的方法及工艺，预计实现“城市污水的“碳减排”和“碳汇”。 ”（参考：）。在当前双碳背景下，为进一步强化“碳减排”，同时实现“碳捕获”，“顺应自然”，利用微藻的固碳特性，研究团队开发了一种用于污水处理的藻菌耦合工艺，将为城市污水中氨氮的有效回收提供新思路。藻菌耦合工艺具有光合产氧、同化固氮、异同步固磷、碳捕获，通过微生物联动，维持昼夜间的O2-CO2平衡，实现自然昼夜循环的污染，无需外部供氧，高效同化和去除物质，避免污染曝气带来的能源消耗；同时，由于微藻可以固定细菌产生的CO2，显着减少包括N2O在内的温室气体排放； 对于低碳污水，还可以补充CO2，确保更高效率的碳脱氮； 产生的生物质可进一步用于资源和能源回收。

城市污水处理藻菌生物膜系统

为了解决悬浮菌藻系统中固液分离困难的问题，通过形成藻菌颗粒或生物膜，使微藻与细菌之间形成牢固的共生关系，同时实现高效的泥水分离。 在此，研究团队在利用藻菌颗粒进行城市污水处理的基础上，探索利用藻菌生物膜系统进行城市污水处理（参考：；；；）。

该团队研究了不同条件下连续流反应器中微藻-细菌生物膜的形成及其对城市污水处理的性能，并探讨了水力停留时间（HRT）和溶解氧（DO）在藻-细菌生物膜处理中的作用。 对城市废水处理中藻类-细菌生物膜发育、工艺性能和微生物群落的影响（参考文献 1）。 由于活性污泥中存在少量原生微藻，本研究中藻菌生物膜的培养采用活性污泥进行驯化，无需额外接种微藻。 藻菌生物膜的形成是以K1为载体，采用连续流反应器处理合成城市污水。 实验分三个阶段进行：第一阶段，HRT为9小时，不通气； 第二阶段HRT 12小时，不通气； 第三阶段是HRT 12小时，通气。 如图1所示，载体上附着的生物量逐渐增加，直到第一阶段结束时达到稳定水平，而第二阶段延长HRT并没有进一步促进藻菌生物膜的形成。 然而，在第三阶段引入外部曝气后发现，生物膜浓度从第90天的4690 mg VS/L下降到第115天的2200 mg VS/L。此外，生物膜的颜色逐渐变为深绿色，这使得生物膜的浓度逐渐降低。可能是由于微藻和细菌的共存（图2A）。 图2B进一步显示，生物膜中叶绿素含量在前30天呈上升趋势，随后呈下降趋势。 事实上，观察到的叶绿素含量的变化表明藻类细菌生物膜中藻类细菌种群的相对进化。

虽然初始阶段微藻的生长速度比细菌快，但随着运行时间的延长，藻菌生物膜中细菌与微藻的平衡逐渐建立。 此外，第三阶段提供的外部通气似乎会导致生物膜脱落，导致附着生物量减少（图2A）。 另一方面，值得注意的是，第三阶段相对较高的溶解氧浓度应该有利于需氧细菌的生长，而更多的光穿透较薄的生物膜也应该有利于藻类的生长。 与藻细菌生物膜的生长模式不同，叶绿素/VS比率逐渐下降至与接种的藻细菌聚生体种子相似的水平（图2B）。 这可能是由于光只能穿透一定厚度的藻细菌生物膜（一般小于200μm）。 然而，在本研究中，藻细菌生物膜的厚度约为800μm，这意味着该生物膜很容易受到光穿透的限制。 此外，随着生物膜增厚，自遮阳效应也会导致光合活性降低，只有藻细菌生物膜的外层容易暴露在光线下。 事实上，图2A显示，第一阶段前30天固定生物量的增加很大程度上归因于藻菌生物膜中细菌和微藻的生长，而第二阶段之前固定生物量进一步增加。 可能是由于细菌生长所致（图 2A 和 B）。 在藻细菌生物膜中，溶解氧可以充当光合微藻和需氧细菌反应之间的桥梁。 第一阶段的DO浓度约为0.52 mg/L，表明微藻产生的氧气几乎被细菌耗尽。 在这种情况下，DO成为细菌生长的限制因素，这也可以解释为什么在藻菌生物膜的初始阶段微藻比细菌生长得更快。 在第二阶段，DO上升至1.0 mg/L，细菌和微藻之间逐渐建立平衡。 第三阶段进行外曝气时，DO浓度维持在2.0mg/L，表明氧气不再是好氧菌生长的限制因素。

图 2.藻类-细菌生物膜的形成 (A) 和生物膜中叶绿素含量的变化 (B)（环境管理杂志。2023, 117770）。

图3为藻菌生物膜对有机物和氨氮的去除性能。 随着第一阶段生物膜的逐渐形成，大约90%和56%的有机物和氨氮可以被去除（图3A和B）。 随着HRT的延长，DO平均浓度从第一阶段的0.52±0.15 mg/L增加到第二阶段的1.0±0.08 mg/L。 虽然第一阶段和第二阶段的TOC去除率仍然相当，但在第二阶段氨氮去除率显着提高至62~71%（图3B），这可能是由于DO浓度的增加所致。 另外，需要注意的是，当DO浓度低于1.0mg/L时，几乎检测不到硝酸盐和亚硝酸盐（即<0.5mg/L）。 这些反过来表明，在阶段 I 和 II 中观察到的氨氮去除不能轻易归因于硝化作用。 事实上，有报道称，当溶解氧浓度低于1.0 mg/L时，氨氧化受到显着抑制。 因此，有理由认为微生物同化在第一阶段和第二阶段的脱氮过程中起着至关重要的作用。 类似的同化机制也适用于藻细菌颗粒污泥。 为进一步提高氨氮去除率，第三阶段引入曝气，将DO提高至2.0 mg/L。 实施该运行策略后，发现由于外部曝气，固定生物量浓度降低。 同时，正如预期的那样，在第三阶段，氨氮去除率接近100%，总氮去除率达到71.4%（图3B）。 显然，外部通气可能有利于硝化作用，但微生物同化仍然是观察到的总氮去除的主要途径。 相反，我们需要考虑的是藻菌混合系统的选择必须同时考虑传质和代谢需求。 曝气的引入会在一定程度上削弱藻菌代谢的相互依赖。

图3.藻菌生物膜对城市污水中有机物（A）和氨氮（B）的去除性能（环境管理杂志.2023, 117770）。

上述初步研究表明，较长的HRT和外部通气会增强分解代谢，而较短的HRT和无外部通气会增强合成代谢。 因此，在藻菌生物膜系统中，宜控制较短的HRT和不曝气，以增强微生物同化，避免温室气体释放。

城市污水处理藻菌系统：如何实现碳减排和碳捕获

藻菌耦合过程（颗粒污泥、生物膜）去除有机物和氨氮的主要机制在于微生物同化，但如何以可控的方式为其培养过程提供外部CO2仍然是一个挑战。 过量的 CO2 会导致水 pH​​ 值下降，这表明 CO2 溶解速率与其利用率之间存在权衡。 因此，需要开发创新的CO2输送方法，以提高CO2在藻菌耦合过程中的综合利用效率。 迄今为止，藻类系统的CO2利用效率仍然较低。 最近，美国能源部 (DOE) 设定了碳利用效率超过 70% 的目标，即在 30 天内供应的每千克碳中，收获的藻类生物量中的碳超过 0.7 千克。 如上所述，藻菌耦合过程中营养物去除的主要机制是微生物同化，这将导致藻菌生物量的大量产生。 因此，这种藻类-细菌混合生物质的后续资源利用在环境和经济上都是可持续的。 它值得更多关注。

厌氧膜生物反应器（AnMBR）是一种将厌氧反应与微滤或超滤膜分离相结合的废水处理工艺。 与好氧活性污泥法相比，AnMBR具有能耗低、无需曝气、能量回收率高、剩余污泥量小等优点。 因此，富含可溶性营养物质、几乎不含悬浮物、有机物浓度低的AnMBR渗透液将是培养藻菌的合适基质。 利用外源CO2作为碳源，通过微藻光合作用进一步回收养分，从而实现养分回收的同时减少工业CO2排放。 作为传统污水处理工艺的替代方案，团队提出了厌氧生物膜-膜生物反应器（AnfMBR）结合藻菌概念工艺，为未来城市污水低碳处理提供了一条新的技术路线（参考文献2）。 考虑到城市污水处理厂和垃圾焚烧厂通常设计在不同的地点，这意味着二氧化碳从焚烧厂到微藻污水处理厂会产生高昂的额外运输成本，使得该工艺在操作和经济上都不可行。 。 在新加坡，一个新的综合废物管理设施将处理可焚烧废物、源头分离的食物垃圾和脱水污泥，该设施与污水处理和回收厂位于同一地点。 显然，将固体废物和城市废水处理整合到一个设施中可以利用各种协同效应来实现整体环境和经济的可持续性。 如图4所示，垃圾焚烧与污水处理的联动设计为AnfMBR-微藻工艺创造了条件，从而实现污水处理、能源和资源回收、工业CO2排放的一体化管理。 初步理论计算表明，同化40mg/L氨氮可捕获的CO2最大量约为1048mg/L。 新加坡首个污水和固体废物综合处理设施，初始处理能力为每天80万立方米。 如果采用拟议的工艺（图4），每天处理污水时将捕获约838吨二氧化碳。

图4 AnfMBR-微藻联合城市污水处理概念流程，考虑能源和资源回收、碳减排和碳捕获（生物资源技术，2022, 354, 127201）。

外表

面对全球气候变化的动态演变，与现有的活性污泥法及其变种相比，藻菌耦合工艺有望同时实现污水处理、资源回收、碳减排和碳捕获。 但目前实验室的研究成果还需要进一步大规模验证，以推动藻菌耦合工艺（颗粒污泥、生物膜）的实际应用，实现城市污水处理的资源回收和碳中和。 未来研究中需要解决的一些关键问题包括但不限于（i）如何在操作上确保藻类-细菌过程在光和暗代谢循环过程中稳定的出水质量； (ii) 如何生产用于大规模应用的藻类细菌。 细菌生物膜和颗粒污泥； (iii) 考虑到城市污水量大，哪种类型的光反应器更适合； (iv) 如何评价剩余藻菌生物质资源利用的环境效益和经济效益； (v) 如何管理潜在蓝藻毒素产生的风险。

主要参考：

1.张晓媛、季斌、田俊丽、刘宇。 用于城市废水处理的连续流微藻-细菌生物膜光反应器的开发、性能和微生物群落分析。 环境管理杂志，2023，338：117770。

2. 张晓媛，雷忠芳，刘宇。 用于城市废水处理的微藻-细菌颗粒污泥：从概念到实践。 生物资源技术，2022，354：127201。

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关于作者

张晓元，现任南开大学环境科学与工程学院副教授。 他拥有博士学位。 天津大学市政工程专业博士，联合培养博士。 新加坡南洋理工大学博士后研究员。 主要研究方向为水污染控制与资源化利用。 以第一或通讯作者在Water Res.、Chem.等主流环境期刊发表论文20余篇。 工程师。 兼任《中国给排水》杂志青年编委、Rev. Environ杂志青年编委。 康塔姆。

联系电子邮件：。

季斌，博士，现任武汉科技大学副教授。

2010年获武汉大学给排水工程学士学位，2015年获武汉大学市政工程博士学位。2018-2019年南洋理工大学访问学者，主要研究方向为微生物污水资源化利用技术，科学研究主要集中在环境可持续的水循环目标，例如藻菌颗粒污泥。 主持国家自然科学基金等科研项目10项，在Water Research、Science Bulletin等期刊发表学术论文30余篇，其中ESI高被引论文3篇，并长期担任多个期刊的审稿人。 10余种国际主流SCI期刊，Frontiers in Microbiology副主编，SNApplied Sciences杂志副主编。

结尾

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