利用聚丙烯纤维增强基于光合作用的藻类池塘废水处理方法，以处理棕榈油厂产生的废水

本研究提出基于聚丙烯纤维固定微藻的光合作用处理系统，用于高效去除棕榈油废液（POME）中的污染物。实验表明纤维组在55天内实现96% BOD和97% NH4+去除率，较对照组COD去除提升12.5%，且氮回收率达51%。微生物分析显示纤维表面形成优势菌群（Agrobacterium和Stenotrophomonas），其协同作用促进有机物降解和氮素固定。该系统兼具环境友好与经济可行性，为POME处理提供了创新解决方案。

　　

作者：Que Nguyen Ho、Taira Hidaka、Mukhlis A. Rahman、Woei Jye Lau、Juhana Jaafar、Muzzammil Ngatiman、Naoko Yoshida 所属机构：日本名古屋大学材料与系统可持续性研究所，地址：464-8603，名古屋

摘要

棕榈油厂废水（POME）含有高浓度的有机物和营养物质，是微藻生长的理想介质，既能有效去除污染物，又能产生有价值的生物质。然而，传统的藻类养殖系统往往无法达到排放标准，也无法实现生物质回收。为了解决这些问题，我们提出了一种基于光合作用的处理系统，该系统利用聚丙烯（PP）纤维促进微藻附着而非悬浮生长。这种方法提高了污染物去除效率，减少了对离心分离的依赖，并消除了对外部生物质回收方法的需求。实验使用了5升反应器，在自然光照条件下进行，分别设置了添加PP纤维和未添加PP纤维的情况。结果显示，无论反应器类型如何，光合作用在污染物去除方面均表现出极高的效率：55天后，生化需氧量（BOD）和氨离子（NH₄⁺的去除率分别达到了96%和97%。PP纤维的存在显著增强了BOD、NH₄⁺及色度的去除效果。通过16S和18S rRNA测序进行的微生物群落分析显示，主要存在的微生物包括Agrobacterium和Stenotrophomonas（细菌），以及绿藻Chlorophyta和Chlorophyceae。这些微生物以能够降解有机物并将氮转化为生物质而闻名。此外，研究还发现51%的氮被富集在PP纤维中的生物质所回收。总体而言，本研究凸显了基于光合作用的处理方法作为传统藻类养殖系统替代方案的潜力，更具高效性和环保性。不过，仍需在更大规模上进行进一步验证以确认该系统的有效性和可扩展性。

引言

棕榈油厂废水（POME）是棕榈油工业的副产品，产生了大量废弃物，也是环境污染的主要来源（Hasanudin, 2018）。POME呈酸性（pH 4.0–5.0），生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）极高（分别为10,250–43,750 mg/L和15,000–100,000 mg/L），引发了严重的环境问题（Muhamad et al., 2022; Soo et al., 2022）。POME中还含有酚类等有毒物质，这些物质会导致水体异味、影响水质并对鱼类等水生生物产生毒性（Alam et al., 2009; Rapiya et al., 2025）。铜、油和油脂等重金属也会抑制微藻生长（Jasni et al., 2020）。即使浓度很低，这些物质也可能对水生生物造成严重危害（Hashiguchi et al., 2020）。因此，处理POME一直是棕榈油厂面临的主要挑战（Mohammad et al., 2021），给废水处理带来了技术和经济上的限制（Adeleke et al., 2017）。 可持续的POME处理方法越来越注重将污染物去除与资源回收相结合，以实现循环、低能耗的废水管理。已经开发出多种生物工艺，将POME转化为生物燃料（生物氢、沼气、生物乙醇等）、高附加值化学品（酶、挥发性脂肪酸、柠檬酸、类胡萝卜素和脂质）以及大量和微量营养物质（Imam et al., 2024）。因此，选择既能去除污染物又能回收资源的技术对于推动废水管理中的循环经济至关重要。创新性的废水处理策略旨在降低能耗和运营成本，同时不牺牲处理效率（Cairone et al., 2024）。 基于微藻的光合作用系统因高效的污染去除能力和产生有价值生物质的能力而受到关注（Abdel-Raouf et al., 2012; Singh and Mishra, 2022）。作为光自养生物，微藻所需能量少、成本低，并且对环境变化具有很强的适应性，使其成为可持续处理POME的理想选择（Liu et al., 2020）。多项研究表明，这种方法在去除污染物方面表现出显著效果：从市政废水中去除总氮（TN）的效率达98.4%（Liu et al., 2025），从生活废水中去除96.5%–97.1%，从畜牧废水中去除89.2%（Lee et al., 2022），从实际猪场废水中去除超过80%（Xie et al., 2022）。由于马来西亚全年都富含这些营养物质，POME为微藻生长提供了理想的条件（Hariz et al., 2019）。微藻在处理高浓度废水方面的效率进一步证明了其在POME处理中的巨大潜力。 在马来西亚，85%以上的棕榈油厂采用池塘养殖系统处理POME，因为这种方法操作简单、成本低廉，且对专业技术的依赖性低（Bakar et al., 2018; Mahmod et al., 2023）。然而，这种方案需要较大的土地面积和较长的水力停留时间（3–4个月），同时会产生大量温室气体（尤其是CO₂和CH₄，Enstr?m et al., 2019）。尽管应用广泛，但池塘养殖系统仍难以达到排放标准（Nur and Buma, 2019），且无法回收生物质。因此，人们研究了基于微藻的处理方法以改善POME的质量，使其更符合环保要求；不过大多数研究仅针对特定菌株（Q Emparan et al., 2020; Haruna et al., 2018; Yonas et al., 2022），这些菌株在动态的现场条件下可能效果有限。相比之下，利用自然存在于POME中的本地微藻群落可以促进生态适应，提升出水质量，并回收生物质用于生物肥料或水产饲料等增值用途。最新研究表明，微藻生物质可有效替代传统肥料（álvarez-González et al., 2025; Zhang et al., 2024），甚至可作为鱼饲料的成分（Nagappan et al., 2021）。因此，光合微生物为POME处理提供了可持续的解决方案。 为克服传统藻类养殖系统的局限性并提高污染物去除效果，我们评估了本地微藻在自然光照条件下在POME中生长的有效性。本研究提出了一种新型系统，将光合作用与聚丙烯（PP）纤维结合使用，以富集生物质并提升污染物去除效果。PP纤维提供了更大的表面积，有助于微藻及相关细菌附着，形成多样且稳定的生物膜。基于生物膜的系统通常比悬浮培养方式具有更高的生物质密度，从而实现更有效的养分吸收和有机物降解。此外，富集在PP纤维上的生物质简化了后续处理流程，减少了离心分离的需求，无需依赖混凝、絮凝或沉淀等外部处理方法。通过自然光照条件下的批次实验（设置有无PP纤维两组作为对照组）评估了PP纤维的效果。水质通过BOD、COD和离子色谱（IC）进行检测，同时进行了微生物群落分析以了解POME污染物去除的生物学机制，并结合光合作用产生的生物质产量评估了氮的回收效率。

反应器设置与操作

准备了六个5升的瓶子作为POME的光合作用反应器，每个反应器实际容纳4.5升POME，总体积为27升。其中三个反应器内装有直径4厘米、表面积为2.8平方米/米的PP纤维（称为AF反应器），以促进生物质积累和污染物去除。PP纤维购自TBR有限公司（日本爱知县丰川市）。

反应器运行期间水质改善

表1全面展示了反应器运行过程中POME水质的变化情况，包括COD、BOD、NH₄⁺和色度的降低幅度。总体而言，这些参数呈下降趋势，但下降速率各不相同。例如，BOD和NH₄⁺在30天后下降迅速，而COD和色度的下降较为缓慢。具体趋势将在后续部分详细讨论。

有机物降解

结论

本研究证明了在自然光照条件下利用光合作用方法处理POME的可行性。55天后，无论是否添加PP纤维，该过程均实现了96%的BOD和97%的NH₄⁺去除率。添加PP纤维显著提升了COD、NH₄⁺和色度的去除效果，尤其是在处理的前30天内。 通过16S和18S rRNA基因进行的微生物群落分析揭示了主要存在的微生物种群。

作者贡献声明

**Que Nguyen Ho**：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、资金申请、数据分析、概念构思。 **Taira Hidaka**：撰写、审稿与编辑。 **Mukhlis A. Rahman**：撰写、审稿与编辑。 **Woei Jye Lau**：撰写、审稿与编辑。 **Juhana Jaafar**：撰写、审稿与编辑、资金申请。 **Muzzammil Ngatiman**：撰写、审稿与编辑。 **Naoko Yoshida**：撰写、审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢 本研究得到了“研究活动启动补助金”（项目编号：24K22974）和“可持续发展科学技术研究合作项目”（SATREPS）的支持，该项目由日本科学技术机构（JST）与日本国际协力机构（JICA）共同实施。此外，本研究还得到了日本文部科学省（MoHE）长期研究资助计划（SATREPS 2023:1.2）的资助，项目编号为R.J130000.7809.4L976。