在高浓度二氧化碳（CO?）的作用下，由微藻和细菌共同形成的生物污泥能够提高生物质产量、提升废水处理效率，并揭示其实现碳负排放（即吸收二氧化碳而非排放）的机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microalgal-bacterial bio-sludge mediated by high-concentration CO 2: Enhancing biomass yield, wastewater treatment efficiency, and revealing carbon-negative mechanism

微藻-细菌生物污泥在不同CO2浓度下的系统稳定性、污染物去除效率及碳固定机制研究。通过表面形态观察、代谢活性检测及微生物群落分析，发现10-15%外源CO2可显著提升系统稳定性，12天内生物量达1.3g/L，TN和TP去除效率分别61.03%和63.32%，CO2利用率达90.94%。适度CO2促进藻类光合作用和EPS分泌，增强耦合效应；过高浓度导致酸化，破坏微生物平衡。该研究为污水处理的碳中和提供理论依据。

　　

张晓|张丽杰|王波|齐跃军

山东建筑大学市政与环境工程学院，济南，250101，中国

摘要

微藻-细菌生物污泥工艺在废水处理中展现出显著潜力。二氧化碳（CO₂）浓度可能是影响微藻-细菌生物污泥的重要因素，然而关于外加高浓度CO₂的研究仍然有限，其作用机制尚不明确。在本研究中，我们追踪了不同CO₂浓度下微藻-细菌生物污泥的表面形态、代谢活性和微生物群落组成的变化，以评估其对系统稳定性和性能的影响。适量的CO₂补充（10-15%）有效维持了藻类与细菌的稳定性，在12天内实现了最大生物量1.3克/升，并且比空气处理组获得了更高的TN和TP去除效率（分别为61.03%和63.32%）。CO₂的利用率达到90.94%，表明在最佳条件下碳同化能力得到增强。从机制上看，适当的CO₂供应促进了微藻的光合作用和细胞外聚合物的产生，从而增强了藻类与细菌的耦合以及颗粒结构的完整性；而过量的CO₂则会导致酸化，破坏微生物的代谢平衡。总体而言，这些发现表明控制CO₂的补充可以提高微藻-细菌生物污泥的污染物去除能力和实现碳负排放，为提升环境可持续性和减少碳排放的废水处理技术提供了理论基础。

引言

作为城市基础设施的重要组成部分，废水处理厂每处理1立方米废水会向大气中排放约0.4公斤二氧化碳（CO₂）[1]。此外，传统的废水处理过程通常伴随着高能耗。曝气设备和水泵设备的功耗占整个废水处理设备总能量的73%[2]。因此，开发一种既能去除污染物又能减少温室气体的废水处理技术对于推进碳中和的城市基础设施至关重要[3]。 目前，作为一种新型生物处理技术，微藻-细菌生物污泥将微藻和细菌整合在一个好氧颗粒中，同时去除市政废水中的碳、氮和磷。异养生物释放的呼吸作用产生的CO₂会被微藻立即重新固定，微藻将氧气（O₂）返还给硝化菌和异养生物，从而消除了废气中的CO₂并稳定了pH值。两种微生物产生的细胞外聚合物加速了颗粒的形成；异养生物矿化有机物，硝化-反硝化作用和藻类吸收共同作用转化铵离子，而聚磷酸盐微生物和藻类则积累磷酸盐，最终通过沉淀作用被去除[4]。 微藻-细菌生物污泥技术起源于微生物颗粒污泥（MGS）的概念，最初应用于废水处理领域，其中微藻与细菌之间的协同作用被认为是该技术的关键。通过对藻类-细菌共生机制的深入研究，研究人员发现这种共生系统可以促进生物污泥的形成，从而改善污泥的沉降性能和稳定性。在过去的几十年里，该技术从基础研究逐步发展到实际应用。例如，张等人[5]通过实验研究发现，在微藻-细菌生物污泥系统中，微藻与细菌之间的共生关系不仅提高了有机物的去除效率，还有效去除了氮和磷污染物。将小球藻与细菌在活性污泥中共培养可以有效地降解猪废水中的污染物，并使CO₂排放量减少了63.48%[6]。王等人[46]发现，微藻-细菌生物污泥中NH₄⁺-N、COD、PO₄^3?-P和TN的去除率分别为99%、92%、95%和78%。与好氧颗粒污泥（AGS）相比，微藻-细菌生物污泥的TN去除率提高了18%。如果将微藻-细菌生物污泥作为城市废水处理的主流技术，温室气体排放量将减少约77%，这相当于每年减少约2.07亿吨二氧化碳（CO₂的全球温室气体排放[53]。 然而，尽管微藻-细菌生物污泥在理论和实践中都显示出一定的污染和碳排放减少潜力，但其效果受到多种因素的影响，其中CO₂浓度尤为关键[9]。[10]的研究发现，随着CO₂浓度的增加，小球藻对二氧化碳的固定率和对废水中营养物质的去除效率也随之提高。沈等人（2015年）在CO₂曝气浓度为5%的条件下，在城市废水中培养了斜生栅藻，最大CO₂固定率为256.56毫克/升·天，TN、TP和TOC的最大去除效率分别为97.8%、95.6%和59.1%。当CO₂浓度从5%增加到15%时，培养过程中产生的生物量总体上有所下降。因此，深入研究CO₂浓度对微藻-细菌生物污泥污染去除和碳减排效率的影响对于提高处理效率以及实现废水处理过程中的节能和减排具有重要的理论和实践意义。 尽管之前的研究已经探讨了CO₂对藻类-细菌系统或单一培养微藻的影响，但大多数研究集中在低至中等浓度（通常≤5%）的CO₂条件下。然而，燃煤电厂烟气中的CO₂浓度通常较高，范围在5%到25%之间[11]、[12]、[31]。现有研究主要评估了微藻对高浓度CO₂的耐受性，而成熟微藻-细菌颗粒在高CO₂压力下的响应——如颗粒结构的变化、EPS（细胞外聚合物）的重组以及微生物功能动态——尚未得到系统性的研究。因此，了解微藻-细菌生物污泥在真实烟气CO₂条件下的行为是一个重要的知识空白，对于推动藻类-细菌共生与工业CO₂捕获的结合至关重要。 本研究重点关注从外部来源（即空气）向系统中引入不同量的CO₂（5%、10%、15%和25%），以增强微藻-细菌生物污泥的效果并实现废水处理的碳负排放目标。本研究的主要目的包括：（1）研究微藻-细菌生物污泥工艺对有机物、氨氮（NH₄⁺-N）和其他污染物的去除效果；（2）分析CO₂浓度变化对藻类光合作用、微生物代谢及整个过程系统的影响机制；（3）分析系统中藻类-细菌颗粒的微观结构变化；（4）追踪藻类-细菌联合体的表面形态、代谢活性和微生物群落的变化，揭示微藻-细菌颗粒污泥在废水处理中的碳负排放机制；（5）为废水处理领域的节能和减排提供理论基础和技术支持，以实现“碳中和”甚至“碳负排放”的目标。

实验部分

藻类种类和实验条件

实验中使用的微藻是普通小球藻（Chlorella vulgaris）FACHB-8，该藻种来自武汉生物研究所。普通小球藻在BG11液体培养基中室温下储存和扩增。接种前，培养基在121°C高压灭菌器中灭菌30分钟，然后冷却至室温后再使用。实验中使用的污泥取自山东建筑大学再生水处理站的曝气池。

生物量积累

生物量积累代表了藻类-细菌颗粒中微藻的干质量和细胞密度，反映了它们的生长、繁殖和代谢活性水平，是衡量微藻-细菌颗粒能否稳定生长的关键指标[23]。图1(b)显示了普通小球藻 FACHB-8在不同CO₂浓度（v/v）梯度下的生长情况。从第0天到第4天，所有组的颜色强度和浊度均呈上升趋势。

结论

10%~15%的CO₂是微藻-细菌生物污泥系统的最佳条件，它能够平衡微生物多样性和生态稳定性，保持藻类-细菌颗粒结构的紧密性，调节系统的pH值，并显著提高污染物去除效率。高浓度CO₂作为关键中介因素，同时影响碳供应、微生物相互作用和有机物质的代谢过程。

未引用参考文献

[13], [15], [33], [37], [38], [7], [8]

CRediT作者贡献声明

齐跃军：资源提供、调查。 王波：软件开发、资源提供、方法论设计、调查。 张丽杰：数据可视化、结果验证、资源提供、方法论设计、资金获取、概念构思。 张晓：初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件开发、资源提供、方法论设计、调查、概念构思。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了以下机构的资助：中国国家自然科学基金（42407163）、山东省自然科学基金（ZR2024QD025）、山东建筑大学博士研究基金（X20005Z）、以及山东省教育厅的青年创新人才引进与培养计划。作者感谢第一学术与语言服务部门对英文稿件的修改帮助。