240 L 中试光合细菌膜生物反应器连续运行 440 天：啤酒废水处理与菌体蛋白、辅酶 Q10 等高值产物回收

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 240 L（工作体积 200 L）光合细菌—膜生物反应器（PSB-MBR）以连续流方式处理啤酒废水共 440 d，采用高浓度直接接种商品化混合 PSB（Ectothiorhodospira、Rhodobacter sphaeroides、Rhodopseudomonas capsulate），27 d 即启动完成，启动后 PSB 占总微生物群落 90% 以上，生物量最高达 4500 mg·L⁻¹。
• 系统在 5–24 ℃、进水 COD 2500–4800 mg·L⁻¹、pH 6.0–9.0 的波动下均能稳定运行，出水 COD、NH₄⁺、TP 分别低于 80、15、3.0 mg·L⁻¹（GB 19821-2005）；期间还经历过水泵故障导致出水 COD 骤升至 1000 mg·L⁻¹ 以上，换泵换膜后 14 d 内恢复达标。
• 五项参数逐项优化后确定的运行条件为：光—微氧、HRT 72 h、接种量 1200 mg·L⁻¹、有机负荷 1.0 g·L⁻¹·d⁻¹、F/M 2.5。此条件下菌体产量达 483.5 mg·L⁻¹·d⁻¹。
• 回收菌体的蛋白、多糖、类胡萝卜素、细菌叶绿素与辅酶 Q10 含量分别为 420.9、177.6、2.53、10.75、38.6 mg·g⁻¹，对应产率 0.21、0.089、0.0013、0.0054、0.019 g·g⁻¹ 去除 COD；类胡萝卜素含量为文献同类工作的 5.1 倍。
• 急性毒性试验以鲫鱼为受试动物，在 0、50、100、500、750、1000 mg·L⁻¹ 的 PSB 投加浓度下均无死亡，说明来自啤酒废水的菌体在水中 PSB 剂量低于 1000 mg·L⁻¹ 时无急性毒性。
• 膜污染显著轻于传统工艺：跨膜压差在 200 d 以上保持低于 50 kPa 无需清洗，且仅用自来水冲洗即可快速恢复通量，作者归因于 PSB 的胞外聚合物（EPS）远低于传统活性污泥。

研究背景与切入点

全球每年产生超过 100 亿吨废水，其中大部分是有机废水。发展了一个多世纪的生物处理技术仍是净化有机废水的主要手段，但维持微生物活性所需的曝气以及进一步净化的能耗都很高，同时产生大量剩余污泥，造成严重的二次污染。近几十年来，环境污染、能源危机与资源短缺日益突出，水质净化与资源能源回收的整合因此成为污水处理的新趋势——例如把生活污水当作净能量生产者的构想、借助厌氧流化膜生物反应器从废水中产能并进一步降低膜运行的能耗成本，以及借厌氧消化的混菌生物技术产出高值化学品。

光合细菌（photosynthetic bacteria, PSB）是一类具有原始光合系统与多重代谢系统的原核生物，因而能灵活生存、利用多种物质。用于污水处理时，PSB 利用废水中的碳、氮、磷进行增殖，而菌体中含有大量高附加值产物，包括单细胞蛋白（SCP）、类胡萝卜素、5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）、辅酶 Q 以及其它可用于农业、化妆品与医药工业的生理活性物质。用 PSB 处理废水的技术自 1970 年代发展至今约 50 年，过去大多数研究强调的是废水净化，已成功应用于大豆、发酵淀粉、偶氮染料、生活、柠檬酸与消化猪场等多类废水。

近年来随着生物经济概念兴起，研究者开始把生物量与高值产物的生成（即从废水中的氮磷生产生物资源）看得与处理效率同等重要：有工作通过向废水中添加微量元素提高生物量产量，有工作通过优化光照条件提高类胡萝卜素产量，有工作通过调节水力停留时间（HRT）与有机负荷率（OLR）优化类胡萝卜素产量，还有工作用新型摆动式中空纤维膜组件同时改善污染物去除与生物量产出。但这些研究全部基于短期的批式或半批式运行。

选择 PSB-MBR 作为放大对象有明确理由：在该系统中污染物由 PSB 的生化降解与膜过滤共同去除，而膜还能截留生物量、有利于收获。文献显示，用分置式 PSB-MBR 可回收 99.5% 的 PSB 生物量且出水达国标；反过来，若没有膜，总生物量的 64.5% 会被冲出系统。同时膜污染控制已有改善，使连续运行成为可能。为充分利用收获的 PSB，被处理的废水应无毒且最好 COD 较高以产出更多菌体——乳品、大豆、啤酒、淀粉、柠檬酸、糖及其它食品加工废水都是候选。

体系与方法

主要结果

启动（第 1–40 天）。 系统启动迅速：27 d 后出水 COD 大多维持在 80 mg·L⁻¹ 以下，满足国家排放标准；生物量最终稳定在 2900–3200 mg·L⁻¹。这个启动期显著短于文献中的 80 d 与 119 d，原文明确指出差异的原因在于——与那些让 PSB 从废水中自然生长的研究不同，本工作在实验开始时就接种了高浓度的 PSB。

稳定性（第 41–180 天）。 第 41–63 天温度从 12 ℃ 升到 18 ℃，出水 COD 逐步下降到第 54 天的 78.3 mg·L⁻¹ 并此后维持在 80 mg·L⁻¹ 以下。第 64 天出水 COD 突然升到 1000 mg·L⁻¹ 以上，原因是水泵损坏；第 72 天更换水泵与膜后，出水 COD 逐步降到第 86 天的 76.0 mg·L⁻¹ 并一直保持到第 180 天低于 80 mg·L⁻¹。第 84–126 天（冬季）温度在 5–10 ℃ 之间波动，出水 COD 仍低于 80 mg·L⁻¹，说明系统可在 5–24 ℃ 的温度变化下平稳运行。此外第 41–81 天进水 COD 高于 4000 mg·L⁻¹，运行 14 d 后出水 COD 仍低于 80 mg·L⁻¹；第 121–180 天 pH 在 6.0 到 9.0 之间变化时系统保持稳定运行——而传统污水处理工艺遇到 pH 变化会失稳并需要时间从高低 pH 胁迫中恢复。出水 NH₄⁺ 在各种进水浓度、温度与 pH 条件下始终维持在约 0.5–10.0 mg·L⁻¹。

Fig. 4 The investigation of different operation conditions for COD removal. (a) Different light oxygen conditions, HRT = 96, initial COD ranged from 2890.6 to 3210.5 mg L−1, D 181–228. (b) HRT, initial COD ranged from 2984.3 to 3258.5 mg L−1, D 239–320. (c) Initial inoculum sizes, HRT = 72 h, initial COD ranged from 2798.4 to 3125.5 mg L−1, D 324–371. (d) OLR, HRT = 72 h, inoculum size 1260 mg L−1, D 375–407.

图示信息四个子面板的出水 COD 时间序列。(a) 横轴 Time (d) 0–14（每 2 d 一格），纵轴为 COD (mg·L⁻¹)，图例四条：Light-anaerobic（红实心圆）、Natural light-micro aerobic（蓝实心方）、Light-micro aerobic（绿实心倒三角）、Dark-aerobic（红空心圆）；光—厌氧一直最高，自然光—微氧在第 5 天后跃升到中间平台，光—微氧与暗—好氧全程平坦且最低。(b) 纵轴 COD (mg·L⁻¹) 0–1600（每 400 一格），横轴 Time (d) 0–25（每 5 一格），五条序列为 HRT = 216、108、72、60、48 h；各条均从 800–1200 mg·L⁻¹ 在第 2–3 天骤降至约 150–300，随后 60 h 与 48 h 稳步回升到第 10–12 天的约 800 mg·L⁻¹，而 216、108、72 h 在第 8 天出现一次约 300–400 的短暂隆起后，自第 10 天到第 21 天稳定在 50–100 mg·L⁻¹。(c) 图例为接种量 330（红圆）、670（蓝三角）、920（绿空心方）、1260 mg·L⁻¹（绿倒三角）；1260 组起点最高但迅速降到低平线。(d) 纵轴 COD (mg·L⁻¹) 0–1600，三条序列为 OLR 1、2、3 g·L⁻¹·d⁻¹；1 g 组自约 330 降到约 50，2 g 组维持在约 1000–1300，3 g 组自约 510 升到约 1150。

论文结果光—氧条件：光—微氧与暗—好氧对 COD 去除最好，去除率均达 97.0% 以上且出水满足 GB 19821-2005。四种条件的定义是光—厌氧、自然光—微氧、光—微氧与暗—好氧，其中光—厌氧与光—微氧的光强为 125 W·m⁻²、自然光—微氧为 31.0 W·m⁻²；微氧与好氧的 DO 分别为 0.2–0.5 与 2.0 mg·L⁻¹。HRT：更长的 HRT 有利于 COD 去除，当 HRT 长于 72 h 时出水 COD 达到 80 mg·L⁻¹ 的国标。接种量：考察 330、670、920 与 1200 mg·L⁻¹ 四档，1200 mg·L⁻¹ 有利于 COD 去除与生物量产出，7 d 后出水 COD 为 79.4 mg·L⁻¹。OLR：在 HRT 72 h 下考察 1.0、2.0、3.0 g·L⁻¹·d⁻¹，1.0 g·L⁻¹·d⁻¹ 为最优；更高的 OLR 导致更低的 COD 去除率与更高的生物量日产率，当 OLR 高于 1.0 g·L⁻¹·d⁻¹ 时出水 COD 高于 100 mg·L⁻¹。传统生物处理的 OLR 为 0.3–2.0 g·L⁻¹·d⁻¹、COD 去除 85.0%–97.0%，而本工作的 COD 去除达 99.0%。

研究意义这张图把“出水达标”与“产菌最多”之间的张力摊开了：OLR 越高产率越高，但出水越差。若目标是排放合规，只能取 1.0 g·L⁻¹·d⁻¹；若目标是产菌，则 3.0 才最优（见 Fig. 5d）——而作者最终选择了前者，因为不达标的资源回收在工程上没有立足点。另一个值得注意的判据是光—微氧与暗—好氧在 COD 去除上打成平手：既然去除效果相当，选择光—微氧的理由就不在去除率，而在光有助于维持 PSB 在系统中的优势（多项文献一致）以及微氧比好氧更省能——这正是把“处理指标”与“产品纯度”两个目标同时纳入决策的例子。HRT 的结论也与批式研究吻合：PSB 在生长 72 h 后进入稳定期，因此更长的 HRT 对生物量增长没有好处。

Fig. 5 The biomass productivity under different operation conditions (a) Light oxygen conditions, HRT = 96 h, D 181–228. (b) HRT, D 239–320. (c) Initial inoculum sizes, HRT = 72 h, D 324–371. (d) OLR, HRT = 72 h, D 375–407. (e) Biomass harvest frequency, HRT = 72 h, D 412–440.

图示信息五个子面板的生物量日产率柱状图，柱上以字母 a/b/c/d 标注显著性分组、带误差棒。(a) 纵轴 0–600（每 100 一格）生物量日产率 (mg·L⁻¹·d⁻¹)，横轴为 Light-oxygen conditions 的四根斜纹柱：光—厌氧约 278（b）、自然光—微氧约 203（c）、光—微氧约 442（a，最高）、暗—好氧约 161（d，最低），误差棒 ±20–35。(b) 纵轴 0–600，横轴 HRT 的五根点纹柱：216 h 约 172（d）、108 h 约 385（b）、72 h 约 452（a，最优）、60 h 约 390（b）、48 h 约 315（c），呈在 72 h 达峰的倒 U 形。(c) 横纹柱，横轴为接种量：330 mg·L⁻¹ 最低（d）、670（b）、920 略高于 330（c）、1200 明显最高（a，约为其余的两倍）。(d) 纵轴 0–800（每 200 一格），横轴 OLR：1.0 约 490（b）、2.0 约 525（a）、3.0 约 537（a），差异较小、误差棒约 ±60–70。(e) 交叉纹柱共四类（收获频率），数值几乎一致：约 453、465、466、455，均标注为 a，误差棒 ±45–55。

论文结果光—微氧条件下生物量增长达 442.6 mg·L⁻¹·d⁻¹，为四组中最高，因此光—微氧是 COD 去除与生物量产出的最优光—氧条件。HRT 为 72 h 时最高生物量产率为 453.2 mg·L⁻¹·d⁻¹。接种量 1200 mg·L⁻¹ 时生物量产率为 465.9 mg·L⁻¹·d⁻¹。OLR 方面，虽然最高生物量产率出现在 3.0 g·L⁻¹·d⁻¹，但该条件下 COD 去除不满足排放标准。收获频率的四组（0.33、0.5、1.0、2.0 d⁻¹）之间生物量产率无显著差异，每天或隔天收获的结果略好。最终在最优运行条件下，系统的 PSB 生物量产量达到 483.5 mg·L⁻¹·d⁻¹。

研究意义五个面板合起来其实回答了一个工程问题：哪些参数值得花钱去控，哪些不值得。接种量（1200 对 330，产率翻倍）与光—氧条件（442.6 对 161，差 2.7 倍）是高杠杆项，必须控住；HRT 有明确最优值 72 h，呈倒 U 形，过长过短都吃亏；而收获频率四组统计上无差异——这意味着运行上可以按人力与设备方便程度自由安排收膜节奏，是一条能直接省成本的结论。原文还特别解释了为何不考察 SRT：在 PSB 系统中产出的生物量就是高值产品而非需要减量的污泥，因此系统本质上是一套PSB 培养系统，目标是尽可能多产菌体，而传统活性污泥系统则要控制污泥量以减少二次污染——两者的优化方向是相反的。

菌体组成与产物。 在最优运行条件下分析回收的 PSB：PSB 占比约 90%，启动期后的主要菌株为 Ectothiorhodospira、Caenispirillum 与 Pannonibacter。平均蛋白、多糖、类胡萝卜素、细菌叶绿素与辅酶 Q10 含量分别达 420.9、177.6、2.53、10.75、38.6 mg·g⁻¹，对应的平均产率为 203.5、85.9、1.22、5.18、18.7（原文表头为 mg·L⁻¹·d⁻¹），产率折算为 0.21、0.089、0.0013、0.0054、0.019 g·g⁻¹ 去除 COD。生物量产率为 0.51 g·g⁻¹ 去除 COD，与批式实验结果相符。

从表中可见，本工作的类胡萝卜素含量是 Chitapornpan 等（2013）工作的 5.1 倍；生物量产率、高值产物含量、日产率与产率则与 Carlozzi 与 Sacchi（2001）的研究相近——而后者是在户外、有效体积 53 L、采用纯培养方法培养 PSB。数值相近意味着在 PSB-MBR 系统中从高有机负荷废水回收 PSB 资源，其水平可与 PSB 纯培养系统相媲美，这显示了用 PSB 做废水资源回收的显著潜力。

生物安全性。 PSB 富含高值产物并被广泛用于农业、化妆品与医药工业，但几乎所有商品化 PSB 产品都来自纯培养基培养，因此来自废水处理系统的 PSB 菌体的安全性必须检验。本文采用急性动物毒性试验：由于 PSB 最常见的商业用途是鱼饲料，且鲫鱼也是动物毒性试验的典型鱼类，故选鲫鱼为受试动物。安全性试验的 PSB 浓度设为 0、50、100、500、750、1000 mg·L⁻¹，结果各浓度组均无鲫鱼死亡，说明当水中 PSB 剂量低于 1000 mg·L⁻¹ 时，由啤酒废水产生的生物量无急性毒性、对鲫鱼是安全的。

与其它 PSB-MBR 体系的横向对比

与小批式 PSB-MBR 相比，本工作的 OLR 与 F/M 都有提升，意味着中试连续模式系统的处理能力得到增强；两套系统的生物量产量均为 0.48 g·L⁻¹·d⁻¹，说明中试连续 PSB-MBR 有利于 PSB 生长；运行的 pH 与温度范围被拓宽，体现了系统面对环境变化的鲁棒性。由此可推断，中试连续模式 PSB-MBR 系统的重要运行参数为 HRT 72 h、OLR 1.0 g·L⁻¹·d⁻¹、F/M 2.5。

膜污染这一项超出预期。 本系统中膜的运行时间非常长：TMP 在 200 d 以上保持低于 50 kPa 而无需清洗，说明 PSB-MBR 的膜污染可能比传统污水处理工艺更轻，这与另外两项研究的结果一致。本工作中即便仅用自来水冲洗，膜通量也能快速恢复。虽然啤酒废水的 SS 很低，但 PSB 的特性、运行模式与膜类型似乎都是维持长运行周期的重要因素：PSB 的胞外聚合物（EPS）远低于传统活性污泥，这减少了膜污染并延长了膜的运行周期。本工作的膜运行时间远长于此前的批式工作，可能归因于连续运行模式；此外本工作用的是平板膜，作者提到在其前期工作中发现中空纤维膜比平板膜更易污染（数据未展示）。

工程与产业含义

从技术定位看，这项工作把 PSB 污水处理从“净化技术”重新界定为“培养技术”。原文对此的表述很直接：PSB 污水处理技术不同于传统活性污泥技术——在 PSB 系统中产生的生物量就是 PSB 菌体，是与污泥分离的高附加值产品，因此 PSB-MBR 系统可被描述为一套 PSB 培养系统；从资源产出角度看，其目标是尽可能多地产出 PSB 生物量，而传统活性污泥系统则应控制污泥量以减少排入环境的二次污染。这一重新定位解释了本文为何不考察 SRT，也解释了为何以“维持初始 PSB 浓度并通过考察 PSB 产量来评价系统产出”为更重要的指标。

从与传统工艺的对标看：传统生物处理的 OLR 为 0.3–2.0 g·L⁻¹·d⁻¹、COD 去除率 85.0%–97.0%，而本工作的 COD 去除达 99.0%，因此从污染物去除的角度，PSB-MBR 系统与传统生物处理技术具有可比性。而它多出来的部分是产品：0.51 g 生物量·g⁻¹ 去除 COD，其中 42% 是蛋白。原文的结论是这项工作确定了高有机负荷废水处理与资源回收的中试连续 PSB-MBR 实用运行参数，证实了此前小批式研究的结果，并显示了 PSB-MBR 技术用于高 COD 废水处理与生物转化的大规模应用潜力；同时明确指出应开展进一步的放大实验以推动该技术前进。

适用场景

• 高有机负荷、无毒的食品与饮料加工废水（啤酒、乳品、大豆、淀粉、柠檬酸、糖等）：以 HRT 72 h、OLR 1.0 g·L⁻¹·d⁻¹、F/M 2.5、光—微氧运行，可同时达标排放与产菌。
• 希望缩短启动期的工程项目：高浓度（1200 mg·L⁻¹）直接接种商品化 PSB 可把启动期压到 27 d，并把 PSB 占比长期稳定在 80%–90% 以上。
• 水质与环境波动较大的工厂：系统在 5–24 ℃、进水 COD 2500–4800 mg·L⁻¹、pH 6.0–9.0 下均能稳定达标，且经历泵故障后 14 d 内恢复。
• 以辅酶 Q10、类胡萝卜素等高值产物为目标的资源回收：菌体辅酶 Q10 38.6 mg·g⁻¹、类胡萝卜素含量为同类文献的 5.1 倍，整体水平与户外纯培养系统相当。
• 关注膜运维成本的场景：平板膜在本系统中可 200 d 以上免清洗（TMP <50 kPa），且自来水冲洗即可恢复通量，PSB 低 EPS 是主要原因。
• 以鱼饲料为出口的初步安全评估：鲫鱼急性毒性试验在 ≤1000 mg·L⁻¹ 时无死亡，可作为后续投喂研究的起点。

不适用 / 需谨慎的场景

• 低有机负荷废水（如未浓缩的生活污水）：原文明确指出使用低有机废水会削弱资源产出。
• 含毒性组分的废水：为使收获菌体可资源化，被处理废水必须无毒，这是本工艺路线的前置条件。
• 以“不加料”方式处理天然啤酒废水并期待同样的氮磷表现：本文的 NH₄⁺ 与 TP 是人为投加到 125.0–240.0 与 25.0–40.0 mg·L⁻¹ 的。
• 追求最高产菌率同时又要出水达标：OLR 提到 2.0–3.0 g·L⁻¹·d⁻¹ 时产率更高，但出水 COD 会超过 100 mg·L⁻¹ 而不达标。
• 以人工照明进行更大规模放大而不核算能耗：本文用 4 只 60 W 白炽灯维持 125 W·m⁻²，全文未做能耗与经济性核算。
• 需要 SRT 精细控制的工艺设计：本文未考察污泥龄。
• 中空纤维膜构型：作者前期工作发现中空纤维膜比平板膜更易污染（数据未展示）。
• 需要完整食品/饲料安全许可的应用：仅完成急性毒性一项，慢性毒性、重金属、病原与核酸含量均未评估。

局限与不确定性

• 单反应器、逐项串行优化。 无平行反应器重复；五项参数为串行考察（各条件 10–21 d），存在时间顺序与前序条件残留的混杂，虽然作者在切换因子前安排了 3–10 d 的恢复期，但仍非全因子设计。
• 进水非纯天然。 缺料时段用啤酒稀释配制人工废水补充，并人为投加氯化铵与磷酸二氢钾把 NH₄⁺ 与 TP 提高到远高于原水的水平，因此营养盐相关的性能结论不能直接外推到未加料的啤酒废水。
• 未考察 SRT。 原文明确说明本工作没有研究污泥龄，因此生物量浓度与产率之间的关系只能通过“维持 2500–2800 mg·L⁻¹ + 调收获频率”间接控制。
• 照明与曝气的能耗未核算。 系统用 4 只 60 W 白炽灯维持 125 W·m⁻² 的光强、并以气泵维持 DO 0.2–0.5 mg·L⁻¹，但全文未给出能耗或经济性核算；行业规模的收益估算（约 3.927 亿美元/年）只计产品收入侧，未扣除生产成本。
• 安全性评估仅覆盖急性毒性一项。 只做了鲫鱼急性毒性（≤1000 mg·L⁻¹ 无死亡），未涉及慢性毒性、重金属、病原、核酸含量或投喂效果试验。
• 运行中断事件影响时间序列。 第 64 天水泵损坏导致出水 COD 骤升至 1000 mg·L⁻¹ 以上，第 72 天更换水泵与膜后才逐步恢复，该扰动落在稳定性评价阶段之内。
• 原文单位存在内部不一致。 生物量产量在摘要与正文写作 483.5 mg·L⁻¹·d⁻¹，而 Highlights 与结论段落写作 483.5 g·L⁻¹·d⁻¹；Table 1 高值产物“日产率”行的表头为 mg·L⁻¹·d⁻¹ 而正文对应句写作 g·L⁻¹·d⁻¹。按物料自洽应为 mg·L⁻¹·d⁻¹。
• 图版可提取性受限。 原文 6 个 figure caption 中，Fig. 1（工艺构型）、Fig. 2（启动期曲线）、Fig. 3（稳定性曲线）为矢量绘制或版式嵌入，无法按 caption 稳定裁出；本文以 Table 1–3 的复刻与正文数值补偿，未虚构任何图示内容。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

图片来源：订阅期刊论文，原文 Fig. 4–5 与 Table 1–3 按学术评述引用方式复用，版权归 Elsevier 及作者所有，来源见 DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.07.268。