菌藻共生技術在工業廢水零排放中的應用與展望

鄭夢啟，王成業，汪炎，王偉，，袁守軍，胡真虎，何春華，王杰，梅紅

（1 合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2 安徽省農村水環境治理與水資源利用工程實驗室，安徽 合肥 230009；3 工業廢水及環境治理安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230022）

當前，我國正加速邁向現代化工業強國，但同時碳排放量也已居世界前列[1]，日益增長的工業廢水也在不斷加劇碳排放問題。工業廢水由于高濃度的有機質和無機鹽、高強度的生物毒性與不均衡的營養分布等特點，對自然水體構成嚴重威脅，成為我國水體富營養化、黑臭水體等重大環境問題的主要根源[2]。因此，為實現我國工業的可持續發展，工業廢水零排放成為亟待解決的議題。

生物處理是工業廢水處理的核心環節，傳統的生物工藝通過消耗大量的能量與物料將廢水中的有機物和氮、磷污染物轉化為CO2、N2和剩余污泥等，并伴隨著CH4、N2O 等的排放，在加劇溫室效應的同時造成“以能消能”和“污染轉嫁”的結果[3]。20世紀末，水體富營養化的治理過程啟發了微藻在水處理領域的應用，并在市政污水深度處理單元實現氮磷營養物質的強化脫除和回收。近年來，菌藻共生技術憑借活性污泥和微藻之間高度協同的碳氮代謝循環，在降解污染物的同時具備固碳、固氮能力，逐步應用于工業廢水以同步脫除有機物和氮磷污染物[4-5]。研究表明，菌藻串聯系統中活性污泥產生的CO2有1/4～1/3 可被微藻吸收，同時光合作用釋放氧氣以供給微生物呼吸代謝，能量利用率提升至70%以上，在最佳曝氣量的條件下菌藻共生工藝相比于活性污泥法可減少約50%的碳排放量[6-7]。菌藻共生技術不僅能夠實現氧氣和養分的自行補給，還能夠將廢水中的碳氮磷元素轉化為高附加值的蛋白和油脂等，進而生產高蛋白肥料和生物燃料，在減碳節能的同時變廢為寶，為實現工業廢水零排放以及碳中和戰略目標提供了有效途徑。

本文從降解機理和影響因素出發，綜述了菌藻共生技術降解工業廢水毒性有機物以及脫氮除磷的特點與優勢，并結合印染廢水、制藥廢水、石化廢水三種典型工業廢水總結了菌藻共生技術處理不同廢水的特性與難點，從而對菌藻共生技術處理工業廢水的未來發展方向進行展望。

1 菌藻共生技術脫除工業廢水污染物

工業廢水中污染物主要包括毒性有機物和氮、磷營養鹽，其中酚類物質、多環與雜環有機物等毒性有機物大多具有強烈的生物毒性和致畸變、致突變作用，而氮、磷營養鹽則是引起水體富營養化的根源。工業廢水污染物主要通過物理法、化學法以及生物處理法脫除，物理、化學技術受限于成本高、適用范圍小的缺點而難以作為主要的處理工藝，而生物處理則因優越的經濟技術性能和對不同污染物的適應性，得到廣泛的應用[8]。工業廢水處理過程中異養細菌為主導微生物，形成以有機物降解為主，氮磷生物脫除性能較差的特點[9]，菌藻共生技術則通過協同作用強化對氮磷營養元素的吸收，并克服了傳統生物處理能耗高、碳排放量大的缺點。

1.1 菌藻共生技術降解毒性有機物

菌藻共生體系對毒性有機物的去除主要依靠異養細菌的呼吸作用將有機物分解為CO2和小分子化合物，藻類則利用細菌代謝產物進行光合作用，進而減少CO2排放。研究表明，菌藻共生體系中溶解性碳是藻類主要的碳源，當pH>7 時，以形式存在的碳會通過主動運輸進入藻細胞的細胞質基質，在碳酸酐酶的作用下轉化為CO2進行光合作用[10]，實現生物固碳。

Maza-Márquez等[11]使用菌藻共生體系在光生物反應器中處理（含酚）橄欖洗滌廢水，發現總酚的去除率達94.84%，證實了菌藻共生系統去除毒性有機物的可行性。通過DNA 分析，實驗中反應器內形成的生物膜上發現綠藻（Sphaeropleales）、藍細菌（Hapalosiphon）和變形菌（Rhodopseudomonas、Azotobacter）形成了穩定的微藻-細菌聯合體，它們的相互協作在酚類和油分降解過程中發揮了關鍵作用。Wang 等[12]使用菌藻共生技術處理焦化廢水中酚類、多環芳烴等有機污染物，通過提取分析胞外聚合物（EPS）發現，相比于活性污泥，菌藻共生產生的EPS 濃度更高，有助于系統抵御有毒污染物。在共生體系中菌藻通過同化氮污染物合成蛋白質，分泌至胞外形成“生物凝膠基質”[13]，黏附、絮凝形成菌藻團聚、共生的微生境——“藻際”（圖1），不僅加強了菌、藻的沉降性能，并且強化了共生體系共同抵抗外界毒性物質以及不良條件的能力，為高效降解工業廢水中毒性有機物提供了安全保障。

圖1 藻際細菌-微藻的共生代謝

此外，菌藻共生體的結構和相互作用受pH、溫度和光照等環境因子影響，并最終取決于污染物的營養可利用性[4]，在細菌代謝有機物適宜的pH（6～8）和溫度（20～30℃）下，細菌與微藻形成良好的養分互補循環，促進污染物降解，而光照則表現對菌藻共生體的雙重作用，既能夠增強微藻與光自養細菌的互惠作用，也會加劇微藻與光異養細菌的競爭作用。

1.2 菌藻共生技術脫除氮磷營養鹽

1.2.1 菌藻共生技術對氮的脫除

根據氮污染物的賦存形式，在菌藻共生體系中，氮的去除通常包括兩個途徑：一是通過藻的同化作用直接將氨氮轉化為生物質氮[14]；二是細菌利用微藻產生的氧氣通過氨化反應、硝化反應將含氮有機污染物逐步轉化為和，最終在厭氧條件下經過反硝化作用轉變為氮氣，部分可以通過硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的催化轉化為，進而被藻類吸收，實現氮的去除。其中，工業廢水中的氮雜環有機物多為有毒難降解污染物，導致細菌或微藻的氧化應激（reactive oxygen species, ROS）反應，改變細胞生理功能和代謝活性，從而降低脫氮性能。Shi 等[16]利用厭氧污泥、小球藻和聚氨酯填料構建了微氧光生物反應器，用以處理含有喹啉、吲哚的模擬煤化工廢水，氮雜環有機物在厭氧環境中通過水解作用開環，釋放的氨氮可直接由微藻吸收。相比于單一污泥或者微藻的反應器，菌藻共生能夠提升高濃度氮雜環化合物的降解性能（>99%），并部分脫除氮雜環降解過程釋放的氨氮，但受雜環有機物脅迫，微藻營異養代謝，氨氮利用能力降低。

與傳統脫氮工藝相比，由于藻類的存在，光照強度和光照時間成為影響菌藻共生系統氮轉化速率的重要因素，而氮轉化效能對環境溫度的響應更為顯著。在一定范圍內，光照強度和光照時間的增加能夠促進藻類的光合作用，進而提升游離氨氮的吸收速率[17]。李竺芯等[18]實驗發現光照強度為4000lux、光照時間為12h 時氨氮的去除率可達到95.4%，但進一步提高光照強度和時間也會誘導微生物的ROS并抑制硝化細菌Nitrospiraceae等[19]，導致菌藻共生系統的代謝失調。溫度對氮去除效率的影響，一方面在于溫度引起藻細胞內硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性改變；另一方面，低溫和高溫環境均會抑制藻類的生長代謝。Lürling等[20]通過實驗發現藍藻的平均最佳生長溫度為27.2℃，綠藻為26.3℃。當溫度達到30℃時，藻的生長將受到抑制，其原因也是高溫導致了ROS水平增加[21]。ROS的積累會破壞光合色素，影響細胞膜的主動運輸和協助擴散能力，進而阻礙藻類的氮代謝。

工業廢水生物脫氮過程中，氧氣、溫度和光照均為菌藻共生系統必需的環境因子，然而由于毒性有機物的存在，這些環境因子都具有促進生物代謝的臨界值，超出適宜范圍均可能引發毒性有機物的過度活化，或者直接誘導微生物的強烈氧化應激反應，抑制菌藻共生的氮代謝。因此，依據反應體系對環境因子的響應機制，探索菌藻共生技術的調控策略對實現工業廢水高效處理具有重要意義。

1.2.2 菌藻共生技術對磷的脫除

工業廢水中的磷成分主要分為有機磷和無機磷。傳統的生物除磷過程中，聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下過量吸收可溶性磷并形成聚磷酸鹽，之后通過排泥達到除磷的目的。除此之外，在菌藻共生體系中，微藻和細菌的協同作用可以顯著促進磷酸鹽的同化，在光照條件下微藻可以通過轉化外部磷酸鹽形成細胞結構，并以聚磷酸鹽的形式儲存能量[22]。而對于廢水中的有機磷，主要通過細菌分泌的有機磷水解酶使P—O鍵、P—S鍵斷開，生成小分子有機物并被微生物利用，也有部分微藻參與有機磷的吸收[23]。同時，大量研究證實水體中溶解性活性磷酸鹽是主導微藻生長的先決條件[24]，微藻的碳氮代謝活性強烈依賴溶解性活性磷酸鹽，因而對于磷含量極低的煤化工等石化廢水[25]，則需要補充磷酸鹽以保障菌藻共生系統的生長代謝。

在菌藻共生體系中，類似于氮代謝，光照、溫度等可通過調節生物代謝進而影響磷的去除。由于光生物反應器中存在著光合色素的吸收以及容器壁和細胞對光的散射作用而引起的光衰減的現象[26]，反應器底部的藻細胞無法獲取足夠的光照進行光合作用。王柳鵬等[27]通過在菌藻共生系統中引入發光填料，提高反應器底部的光照強度，增強藻類的光合作用，可使氮磷去除率達90%以上。此外，pH是影響磷轉化的重要因素。例如，堿性環境下磷酸鹽可以通過化學沉淀生成磷酸鈣、磷酸鎂等不溶性物質后去除[28]，而藻類的光合作用消耗水中CO2，使pH 升高，有利于磷的化學沉淀。Li 等[29]的實驗表明，在高pH 條件下，化學沉淀對除磷的貢獻率達45%。

磷作為地球生命必需元素具有不可替代性，但隨著磷元素由礦石產出至廢水和剩余污泥排放，全球磷循環已進入不可持續的狀態[30]。菌藻共生技術為處理磷污染、回收磷資源提供了綠色與雙贏的途徑，同時結合化學方法將廢水磷酸鹽轉化為磷礦產物也將成為今后研究的重點。

2 菌藻共生技術應用于工業廢水處理

2.1 印染廢水

印染為我國傳統支柱型工業之一，也是工業廢水排放大戶。印染廢水成分復雜，含有大量的難降解有毒有機物、重金屬、懸浮顆粒物，氮磷含量相對較低，濁度、色度高，可生化性差[31]。偶氮染料是染料廢水中的主要成分，可通過皮膚被人體吸收，且有致癌、致畸、致突變性。偶氮染料由偶氮基兩端連接芳基構成，偶氮基是導致廢水高色度的主要發色基團，并且與芳香基形成的共軛結構性質穩定，使其在常規生物處理工藝中難以降解[32]。

染料的生物去除機制可歸納為生物吸附、生物轉化和生物凝固[33]。脫色是染料廢水處理過程中的關鍵，盡管印染廢水的色度嚴重影響光照效率，但已有研究證實死亡藻細胞可有效吸附染料，活藻細胞可通過吸附和降解實現更高的去除效果，并且重復5 次去除率均在90%以上。通過神經網絡分析，反應時間是影響染料去除的首要參數，提高pH 有助于加強藻細胞對染料的吸附[34]。此外，Li 等[35]通過構建藻-菌（A）與菌-藻（B）串聯系統處理偶氮染料，結果表明，兩系統的降解效率和途徑明顯不同，藻-菌串聯系統降解效率更高，COD去除率和脫色率分別達到91%和90%。如圖2所示，蒽醌染料在A系統中首先被小球藻的Lac和MnP酶促氧化為環狀內酯間化合物，隨后C—O 鍵逐步水解形成單環化合物。串聯系統細菌通過水解、脫羰基化和開環反應將藻代謝產物進一步分解為小分子，并完成礦化。這些研究證實藻類能夠促進染料分子轉化和輔助細菌代謝，加速偶氮基和芳基的分解。

圖2 微氧光生物反應器中菌藻代謝染料路徑

Tang等[36]構建了用于印染廢水降解的菌藻共生系統，系統的COD 降解率接近游離菌、藻單獨降解率之和，但共生體系氮磷去除率最高，分別為83.9%和87.6%。菌藻纏繞形成緊密的聚生體，提高了生物對鹽度和染料的耐受性，代謝組學分析表明，菌促進了藻的生長與碳氮磷代謝，微藻則主導聚生體的氮磷代謝。由此可知，菌藻共生技術有助于加速染料代謝和脫色，并促進染料廢水脫氮除磷，在染料廢水處理方面具有廣闊的應用前景。

2.2 制藥廢水

制藥廢水是工業廢水的重要組成，由于制藥原料結構復雜，合成路徑繁多，廢水中除活性藥物成分還有大量中間體、有機溶劑和催化劑等，具有成分復雜、毒性和難降解有機物濃度高以及水質水量波動大等特點[37]。其中，我國抗生素廢水占世界總產量的30%以上，生物抗性強，氮磷營養豐富，廢水中的殘余抗生素可通過“選擇壓力”加劇耐藥性細菌的擴散，并經食物鏈傳遞到動物和人體，構成嚴重的生態危機，因而成為工業廢水零排放治理的重點對象[38]。

由于制藥廢水中氨氮、磷酸鹽含量高，營養豐富，具備微藻的生長代謝基礎，Guo 等[39]利用抗生素廢水實現小球藻和衣藻的培養，微藻可通過吸附、光解和水解等途徑降解并利用抗生素。根據活性污泥和微藻對頭孢類藥物的降解實驗，經馴化后的活性污泥對制藥廢水中頭孢類的降解效率不及50%，而小球藻的去除率均在80%以上，利用微藻-污泥聯合處理抗生素的去除率則高達97.91%，其中微藻的吸附、光解可有效活化抗生素，使系統中未經馴化的原生污泥發揮高效的降解性能。然而，廢水中高濃度的抗生素和氨氮仍會顯著抑制微藻的生長活性和藻體產量，抑制微藻去除廢水COD 和NH+4-N 的性能。為減輕高濃度抗生素和氨氮對微藻的抑制，不同的預處理過程應用于削減初始污染物濃度和種類。Zheng 等[40]利用Bi2WO6催化劑的吸附與光催化預處理將抗生素廢水中的頭孢類去除99.4%，再經微藻處理后廢水COD 和NH+4-N總去除率提升20%以上。然而，催化劑不具備選擇性，催化效能受到廢水中Cl-、SO2-4和NH+4的顯著抑制。喻清[41]針對制藥廢水的高濃度污染物，采用了鐵炭微電解-厭氧水解-微藻工藝進行實驗研究，微電解預處理后COD 去除率達55%，氨氮與總磷去除率分別為36%與63%，削減了廢水有機物種類并提高了可生化性，厭氧工藝進一步降解85%的COD，經小球藻處理后出水達到了《化學合成類制藥工業水污染排放標準》（GB 21904—2008）的排放標準。

研究表明，制藥廢水中抗生素對微生物的脅迫導致菌藻共生系統ROS 水平上升，產生強烈的氧化應激反應，從而抑制系統的降解性能[42]。因此，相比于懸浮態菌藻共生反應器，固定化生物膜反應器能夠營造更多樣化的生境供微藻和細菌附著和富集，減弱抗生素對微生物的抑制作用，進而發揮更為顯著的降解優勢。根據Zou 等[43]利用磁性生物炭-菌藻共生耦合降解制藥廢水的研究，生物炭載體為小球藻的生長提供附著位點，促進生物量的積累與胞外蛋白的釋放以抵御抗生素脅迫，使得莫西沙星和總氮的去除率明顯高于未加生物炭的對照組。總之，菌藻共生處理制藥廢水受制于抗生素和氨氮負荷，預處理和生物膜載體是關鍵和有效的應對措施。

2.3 石化廢水

石油化工作為當前世界能源、化工產業基礎，石化廢水是產量最大、成分最復雜的工業廢水之一，通常含有大量的油類、芳香化合物、硫化物、氨氮和重金屬，污染物濃度高、毒性強，水質水量波動大，難以生化處理[44]。由于富煤、貧油、少氣的能源國情，以煤替代石油的煤化工是我國特色石化產業，煤化工廢水是典型的高酚、高氨、高鹽廢水，并含有多環、雜環芳烴和氰化物等，處理不當會造成深重的生態災難，因而零排放已成為煤化工廢水處理的戰略要求[45]。

微藻由于細胞結構簡單，可適應多樣化的環境和代謝方式，部分微藻如小球藻在光照環境營光合自養，也能在暗環境營化能異養。因此，微藻能利用有機碳源與無機碳源進行混合營養代謝。Xiao等[46]研究小球藻對苯酚和對甲酚的共代謝特性，發現小球藻可耐受800mg/L 的苯酚和400mg/L 的對甲酚，并利用低毒性的苯酚促進對甲酚的降解，同時NaHCO3可通過提高酚羥化酶活性增強苯酚和對甲酚的共代謝，表明小球藻在煤化工廢水處理領域的應用前景。此外，廢水中碳氮組分和比例也會影響微藻的形態和組織，高濃度有機碳源和缺氮環境均會導致微藻細胞體積增大，藻細胞油脂增加同時蛋白質含量降低，因而有機廢水培育微藻可促進生物油脂的生產[47]。然而，煤化工廢水中高濃度的氨氮則會抑制微藻的碳代謝活性。Wang等[9]開發的混合藻類和離子交換工藝，應用沸石將廢水中氨氮由1180mg/L 削減至10mg/L，再通過氨氮的緩釋支持微藻生長，在高氨氮作用下微藻生物質主要成分為蛋白質和淀粉。

由于煤化工廢水成分復雜，酚氨污染物與氮雜環化合物共存，使細菌、微藻產生強烈的氧化應激反應[48-49]，菌藻共生技術仍難以適應實際煤化工廢水。Ryu 等[50]將焦化廢水稀釋5 倍后對比了菌藻共生與單獨柵藻降解煤化工廢水的性能，菌藻共生反應器氨氮去除率和脂肪產量分別高出2.3 倍和1.5 倍，活性污泥的存在促進了有毒物質的削減，進而促進柵藻生長與代謝。隨稀釋倍數下降，氨氮去除率顯著降低，主要原因在于酚類、氮雜環化合物等誘發的ROS攻擊葉綠素a并抑制光合電子轉移和NADPH的形成。此外，Shi等[16]通過微氧光生物固定床反應器降解典型氮雜環化合物喹啉（100mg/L）和吲哚（100mg/L），單獨小球藻可通過異養方式降解低濃度（50mg/L）氮雜環化合物，而菌藻共生顯著提升高濃度（100mg/L）氮雜環化合物的降解性能，去除率達99%以上，并脫除反應過程釋放的氨氮（圖3），但由于氮雜環化合物脅迫微藻進行異養代謝，氨氮利用能力（<10%）顯著降低。此外，Zheng 等[51]繼續研究證實喹啉的降解主要依靠兼性厭氧微生物，氮雜環主要通過厭氧代謝開環，而苯環裂解由鄰苯二酚雙加氧酶主導。本文作者認為，微氧環境一方面能夠削減菌藻共生系統的ROS，另一方面有利于氮雜環化合物的降解，并能夠富集大量利用氮雜環化合物的反硝化菌，從而提升廢水脫氮性能。

圖3 微氧光生物固定床反應器中菌藻代謝氮污染物路徑

3 菌藻共生技術應用于工業廢水零排放的展望

3.1 工業廢水的預處理

由于工業廢水成分復雜，含有高濃度毒性有機物和氨氮等污染物以及其他生物抑制性物質，例如制藥廢水的硫化物、煤化工廢水中的硫氰化物，所以廢水在進入生化處理單元前必須進行預處理。廢水資源化是工業廢水零排放的重點課題，針對廢水中的高濃度有機物，通過萃取、蒸餾等方式回收高附加值的芳香化合物不僅能降低廢水污染物負荷，而且有利于提升產業效益。此外，吸附是削減工業廢水污染物負荷的最便捷方式之一，當前研究的重點在于開發選擇性吸附劑，通過選擇性吸附廢水中的關鍵有毒有害物質減輕對微生物的氧化脅迫，同時保留可生化成分以維持生物生長代謝。從以廢治廢角度出發，利用煤熱解過程產生的活性焦吸附煤化工廢水中疏水性多環、雜環芳烴，降低廢水聯合毒性為石化廢水處理開辟了新途徑[25]。從系統協同的角度出發，將沸石、鳥糞石等天然材料應用于菌藻共生系統中，可降低微生物毒性壓力[9]，固定氮磷資源并緩釋氨氮、磷酸鹽以持續促進微藻繁殖。

3.2 菌藻共生工藝的優化

傳統的游離態活性污泥和微藻共生技術主要應用于生活污水等以降解低濃度有機物與吸收氮磷營養物，但工業廢水中高濃度毒性有機物和氨氮等對游離微生物造成嚴重的氧化脅迫，并在超出微生物耐受水平時導致共生系統崩潰。因此，首先從機制層面出發，優化菌藻共生工藝，這主要通過改進微生物結合形態和反應器構型實現。研究表明，絲狀微藻與污泥共生能夠加速形成菌藻顆粒污泥，通過更緊密高效的群體感應提升胞外疏水蛋白含量，從而增強環境適應性[4]。此外，微藻和活性污泥構建微氧環境能夠削減毒性有機物的氧化脅迫，并有利于富集兼性微生物，利用兼性微生物多樣化的代謝途徑降解廢水中復雜污染物成分。另外，菌藻電化學協同工藝也值得關注，通過電化學系統陰陽極分離難降解有機物、氨氮并分別應用菌藻代謝優勢實現協同降解，同時可解除有機物和氨氮的協同抑制[52]，這也為工業廢水資源化提供了更為安全可靠的思路。最后，菌藻共生應用于實際廢水通常受限于光照條件和微藻生長的調控，所以環境因子調控也成為了菌藻共生工藝優化的研究要點。

3.3 菌藻生物質的定向轉化

廢水資源化是廢水零排放理念的升華，菌藻共生技術則是在生物處理層面實現廢水資源化的重要途徑。菌藻共生系統處理工業廢水過程中，微藻可直接吸收廢水氮磷污染物并轉化為藻膽蛋白等，還能夠利用廢水中碳源生產脂肪和淀粉[47]。根據微藻生理特性與環境因子的差異，系統輸出的生物質產品種類和產量不同。例如，小球藻最廣泛用于有機廢水處理以回收生物油脂，而螺旋藻則適宜于富氮廢水處理，生物質成分以藻蛋白為主。同時，印染廢水由于有機物濃度高，氮含量相對較低，微藻油脂產量明顯高于蛋白質，而高氨氮的制藥廢水則促進微藻蛋白質和淀粉產生。另外，環境溫度和光照周期也會影響微藻生物質的成分與種類。因此，為實現生物質產品的工業化生產，今后的研究應著眼于促進微藻生物質定向轉化的環境因子調控策略方面。

4 結語

（1）工業廢水中有機物脅迫微藻進行異養代謝，降低氮磷吸收能力。同時，毒性有機物與環境因子中過度的溫度和光照等通過氧化脅迫，誘導微生物的強烈氧化應激反應，抑制菌藻共生系統。

（2）菌藻共生技術應用于工業廢水零排放的關鍵前提在于優化預處理工藝與菌藻共生工藝，從而提升菌藻共生系統對工業廢水的耐受性和降解性。依據菌藻處理工業廢水的特性，菌藻共生技術改良的重點在于削減環境氧化脅迫和增強菌藻生物代謝優勢的偶聯。

（3）廢水資源化是工業廢水零排放的更深層目標。針對不同廢水特征，應用合適的微藻種類，探索環境因子調控策略，以實現生物質產品（油脂、蛋白質）的定向輸出。