文献信息
英文题名
One-step treatment and resource recovery of high-concentration non-toxic organic wastewater by photosynthetic bacteria
作者
Fan Meng, Anqi Yang, Hangyao Wang, Guangming Zhang, Xuemei Li, Yi Zhang, Zhiguo Zou
期刊 / 年份
Bioresource Technology 2018
DOI
10.1016/j.biortech.2017.12.002
卷期 / 页码
Vol. 251, pp. 121-127
单位
中国人民大学环境学院；山东公用控股同泰环境有限公司
一句话概括：在批次光生物反应器中（白天厌氧、夜间微氧的自然光条件）比较 4 株 PSB 处理人工啤酒废水的效果，筛选添加剂（Fe2+、Mg2+、酵母膏）并优化酵母膏投加量，同步考察生物量增长、菌体高值成分与脱氢酶活性，并与活性污泥、传统 PSB、藻类工艺做技术对比。
一图不看也要知道的几件事
- 人工啤酒废水 COD 2200-2600 mg/L、TN 20-22 mg/L、TP 5-6 mg/L；反应器为 1000 mL 硼硅玻璃瓶，废水与 PSB 按 90/10（v/v）投加。
- 运行条件为自然光微氧：白天不曝气（厌氧）、夜间人工曝气维持溶解氧 2-4 mg/L，以节省人工照明与曝气成本。
- 4 株 PSB 中 PSB 1（Rhodopseudomonas，GenBank CP001151.1）COD 去除效率最高；PSB 2 分离自受污染河流，PSB 3（中光，Ectothiorhodospira）与 PSB 4（Strain 99）为商业菌株。
- 初始 COD 2100 mg/L，仅用 PSB 1 时生物量增长 150%，但出水 COD 仍为 800 mg/L，未达 80 mg/L 国家排放标准，需要后处理。
- 添加剂对比（Fe2+、Mg2+ 各 20 mg/L，酵母膏 100 mg/L）：三者均改善 COD 去除，酵母膏效果最好；酵母膏含约 5% 氨基酸氮及铁、铜等微量元素。
- 酵母膏 400 mg/L 时 COD 去除率达 96.7%，出水 COD 低于 80 mg/L，达到国家排放标准，实现一步法处理。
- 添加 400 mg/L 酵母膏后最终 PSB 生物量为对照的 1.5 倍；摘要给出 PSB 生物量提高 2.6 倍。
- 菌体成分（处理前后，mg/g）：蛋白 411.6→420.9、多糖 176.0→177.6、类胡萝卜素 1.93→2.53、细菌叶绿素 9.79→10.75、辅酶 Q10 38.0→38.6。
- 400 mg/L 酵母膏使脱氢酶活性显著高于对照，脱氢酶活性提高 177%，与 COD 去除率由 60.8% 升至 96.7% 一致（文献报道酵母膏提高脱氢酶 40%）。
- 辅酶 Q10 含量达 38.6 mg/g 干细胞，远高于多数研究的小于 10 mg/g；辅酶 Q10 价格按 30 RMB/mg 计具较高经济价值。
- 工程测算：常规处理每 1 kg COD 产生约 0.1 kg 剩余污泥，年剩余污泥量 6.8-16 百万吨干重，处置成本 400-1000 RMB/吨干重；PSB 生物量市价 20-50 RMB/L，若将表 2 废水全部按 PSB 处理，生物量价值至少 150 亿元。
研究背景与要解决的问题
常规生物处理将废水中有机物矿化为 CO2、N2、正磷酸盐，但会产生大量剩余污泥（活性污泥法中约 50% 的 COD 转化为微生物生物量），其处理与处置费用有时占污水处理厂总成本的 50%，并伴随 CO2 与 N2O 排放。
生物转化路线则利用有经济价值的微生物把废水中的碳氮磷转化为菌体，有机物被去除的同时实现资源回收，从源头消除剩余污泥问题，但要求废水无毒且富含有机物与养分。
PSB 可光能自养或异养生长，能高效处理高 COD 废水并同步资源化，其菌体富含单细胞蛋白、类胡萝卜素与辅酶 Q10；相对藻类，PSB 更适合高 COD 废水，而藻类适合低氮磷废水。
以往 PSB 处理高浓度废水虽 COD 去除率可达 93%-95%，但出水 COD 仍达 182-490 mg/L，未达排放标准，需增设前处理或后处理（常为活性污泥），带来流程复杂、资本成本高、损失 100-500 mg/L 可再利用 COD 以及产生剩余污泥等问题。因此需通过添加外源物质或筛选高效菌株实现一步法达标。
概念与技术边界
PSB（光合细菌）
能利用光能进行光能自养、也能异养生长的细菌，可高效降解废水中的有机物、氮、磷，菌体富含蛋白与高值代谢物。
生物转化（bio-conversion）
用有经济价值的微生物把废水中的碳氮磷转化为菌体并回收，取代以矿化为目标的传统生物降解，从源头避免剩余污泥。
剩余污泥（excess sludge）
常规生物处理中多余增殖的微生物生物量，含水约 99%，需专门处理处置，费用高昂并可能造成二次污染。
酵母膏（yeast extract）
富含 17 种以上氨基酸、核苷酸、B 族维生素与微量元素的有机营养物，可提供生长因子、改善 C/N 并提升微生物活性。
脱氢酶活性
微生物能量代谢中参与电子与氢质子产生、传递的还原酶活性指标，常与 COD 去除和生物量增长正相关。
辅酶 Q10（CoQ10）
呼吸链中的重要电子传递体与抗氧化物质，市场价格高；PSB 菌体是其重要来源之一。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 菌株与废水 | 4 株 PSB（PSB 1 分离自本地池塘、鉴定为 Rhodopseudomonas，GenBank CP001151.1；PSB 2 分离自受污染河流；PSB 3 商业名中光，Ectothiorhodospira；PSB 4 商业名 Strain 99）；均用改良 RCVBN 培养基在恒温摇床（120 r/min，26-30 ℃）培养。使用与真实啤酒废水 COD、TN、TP 相近的人工配制啤酒废水（稀释啤酒配制）。 |
| 反应器与运行 | 1000 mL 硼硅 Pyrex 瓶批次光生物反应器，121 ℃、30 min 灭菌；废水与 PSB 按 90/10（v/v）投加；自然光微氧运行——白天厌氧不曝气、夜间曝气使 DO 维持 2-4 mg/L；于 0、24、48、72 h 各取样 20 mL 测 COD、生物量与 NH3-N。添加剂试验中 Fe2+、Mg2+、酵母膏分别按 20、20、100 mg/L 投加。 |
| 分析方法 | 生物量以 OD660 测定（TU-1900 分光光度计）；上清液经 9000 r/min 离心 10 min 后用 APHA 标准方法测 COD、NH3-N、TN、TP；脱氢酶用 TTC 比色法（490 nm，按 Eq.1 计算）；类胡萝卜素（473 nm，Eq.2）、细菌叶绿素（771 nm，Eq.3）比色测定；辅酶 Q10 用 Craven 法（620 nm，试剂盒）；蛋白用 Lowry 法（Eq.4），多糖用苯酚-硫酸法（Eq.5）。 |
| 统计 | 每组三次平行测定，采用 Tukey 检验分析显著性。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：以示意方式总结 PSB 一步法处理啤酒废水：COD 降至 80 mg/L 以下，同时产生的菌体可用于畜禽与水产饲料、色素与辅酶 Q10。
论文结果：一步法 PSB 处理使出水 COD 低于 80 mg/L，同时获得可资源化菌体，摘要性呈现工艺与产品路径。
研究意义：图形摘要概括全文核心结论：高 COD 无毒废水经 PSB 一步法可达标排放并同步产出高值生物量。
图示信息：横轴时间 0-72 h、纵轴 COD 浓度 800-2400 mg/L，比较 PSB 1、PSB 2、PSB 3、PSB 4 四条曲线。
论文结果：四株菌均能有效去除 COD，但效率不同；PSB 1 的 COD 去除效率高于其他三株（不同菌株生理生长与反应特性不同，PSB 1 为已提交 GenBank 的知名菌株，可能具备处理高浓度有机废水的特殊生理特性）。
研究意义：说明菌株类型影响处理效率，筛选高效菌株是提高 PSB 处理高浓度废水性能的第一步。
图示信息：a 为 COD（左轴 800-2400 mg/L）与 NH3、TP（右轴 4-16 mg/L）随时间 0-72 h 变化；b 为 OD660（0.0-0.8）随时间变化。
论文结果：PSB 可有效降低 COD、N、P；生物量增长 150%（初始 COD 2100 mg/L）；但出水 COD 仍为 800 mg/L，未达国家排放标准 80 mg/L。
研究意义：单纯 PSB 处理虽能实现污染物去除与资源回收，但高浓度废水出水仍不达标，需要改进工艺（添加剂等）以实现一步法。
图示信息：a 为添加酵母膏、Fe、Mg 与对照的 COD（0-2500 mg/L）随时间 0-72 h 变化；b 为 50、100、250、400 mg/L 酵母膏浓度及 80 mg/L 标准线下的 COD 曲线。
论文结果：三种添加剂均改善 COD 去除，酵母膏效果最好；COD 去除率随酵母膏浓度提高而增强，400 mg/L 时达 96.7%，出水 COD 低于 80 mg/L，达到国家排放标准。
研究意义：酵母膏通过提供氨基酸、B 族维生素、核苷酸与微量元素（钙、铁、锌、硒）促进 PSB 代谢与生物活性，并弥补啤酒废水低氮、改善 C/N，从而在简单一步法内实现达标排放。
图示信息：单面板折线图，横轴时间（h）0、24、48、72，纵轴 OD660（约 0.3-1.2）；5 条曲线：Control、50、100、250、400 mg/L 酵母膏，均自 0 h 约 0.3 起始并随时间上升。
论文结果：酵母膏提高生物量积累，400 mg/L 时最终 PSB 生物量为对照的 1.5 倍；72 h 时 OD660 约为 250 mg/L 组 1.23、400 mg/L 组 1.09、50 mg/L 组 0.96、100 mg/L 组 0.85、对照 0.74。
研究意义：酵母膏富含易吸收氮源与生长因子，可促进 PSB 增殖（Getha、Macdonald 等亦报道类似效应），提升菌体产量与资源化价值。
图示信息：单面板折线图，横轴时间（h）0、24、48、72，纵轴脱氢酶活性（μg/mL）10-50；实线方块为酵母膏组、虚线圆圈为对照组。
论文结果：酵母膏组脱氢酶活性显著高于对照：约由 0 h 的 14 升至 24 h 的约 27、48 h 峰值约 42，72 h 降至约 35；对照组全程维持约 14-19。脱氢酶活性提高 177%，与 COD 去除率由 60.8% 升至 96.7% 一致。
研究意义：脱氢酶参与产生、捕获与传递电子和氢质子，其活性提升可解释 COD 去除与生物量增长的改善，说明酵母膏通过增强能量代谢提升处理性能。
图示信息：工艺流程图，进水为高浓度无毒有机废水，比较四条路线：活性污泥（厌氧-缺氧-好氧段，产生剩余污泥）、传统 PSB 处理（PSB 后需接活性污泥，出水不达标）、藻类处理（需额外光照、后接 AS/MBR，出水不达标）、一步法 PSB（直接出水并回收生物量）。
论文结果：活性污泥、传统 PSB 与藻类路线均因出水不达标需后处理或产生剩余污泥；一步法 PSB 无需后处理、出水达标并回收生物量。
研究意义：添加酵母膏解决了一步法达标问题，尤其简化了操作（省去后处理的人工与安装成本）；替代方案包括使用更便宜的替代添加剂（如赤霉素或植物激素）或通过复配降低酵母膏用量。
图示信息：Table 1 列出初始 PSB 与反应后 PSB 的蛋白、多糖、类胡萝卜素、细菌叶绿素、辅酶 Q10 含量（mg/g）；Table 2 汇总淀粉、酒精、调味品、蛋白与乳制品等废水的 COD 浓度、年产量与现行处理技术。
论文结果：Table 1：蛋白 411.6→420.9、多糖 176.0→177.6、类胡萝卜素 1.93→2.53、细菌叶绿素 9.79→10.75、辅酶 Q10 38.0→38.6 mg/g；菌体蛋白 40%-60% 与文献一致，多糖高于所报道的 11 株 Rhodopseudomonas palustris。Table 2：淀粉（马铃薯 5000-40000、玉米 8000-15000、小麦 12000-30000 mg/L）、啤酒 8000-10000、白酒 9000-40000、糖蜜酒精 100000-150000、柠檬酸 9000-20000、味精 30000-80000、豆制品 10000-20000、乳制品 2000-20000 mg/L 等，年产量由 8.0 至 2760.0 百万吨不等。
研究意义：菌体产物含量证明资源化价值（辅酶 Q10 高达 38.6 mg/g，远高于多数研究的 <10 mg/g），而表 2 说明该类高浓度无毒废水体量巨大、均可由 PSB 有效处理，支撑一步法工艺的推广潜力。
机制小结
- PSB 兼具光能自养与异养生长能力，可利用光能与有机物，同时吸收废水中的碳、氮、磷合成菌体，实现去除与资源化同步。
- 酵母膏提供 17 种以上氨基酸、核苷酸、B 族维生素（作为辅酶）、铁（色素组分，色素是 PSB 关键捕光物质）以及钙、锌、硒等微量元素，并可提供细胞壁成分，促进菌体生长。
- 啤酒废水含氮低，酵母膏提供易吸收氮源、改善 C/N，从而更利于微生物生长。
- 脱氢酶参与产生、捕获和传递电子与氢质子，酵母膏提升脱氢酶活性（本研究提高 177%），增强能量代谢，进而提高 COD 去除率与生物量。
- 白天厌氧、夜间微氧的运行方式利用自然光并降低人工照明与曝气成本，同时微氧条件利于有机物去除。
工程与产业含义
- 建立免后处理的一步法 PSB 工艺：仅添加 400 mg/L 酵母膏即可使出水 COD 低于 80 mg/L，省去传统活性污泥后处理，简化操作并降低资本成本。
- 采用自然光微氧运行（白天厌氧、夜间曝气）节省人工照明与曝气能耗，反应器选择更灵活，无需浅池结构。
- 菌体产品价值高：蛋白 420.9 mg/g 可作饲料或饲料添加剂，辅酶 Q10 达 38.6 mg/g（市价约 30 RMB/mg），类胡萝卜素可作食品与化妆品添加剂。
- 避免剩余污泥问题：常规处理每 1 kg COD 产生约 0.1 kg 剩余污泥（年 6.8-16 百万吨干重，处置成本 400-1000 RMB/吨干重），PSB 路线可从源头消除该负担。
- 技术经济测算显示，若中国表 2 所列高浓度无毒废水全部改用 PSB 处理，按市价 20-50 RMB/L 计，生物量价值至少 150 亿元；酵母膏成本可通过使用更便宜添加剂或复配降量来优化。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 高 COD、无毒、富含可生化有机物的工业废水，如啤酒、淀粉、大豆、制糖、柠檬酸、味精、乳制品与白酒废水
- 希望以一步法同时实现达标排放与菌体资源回收、且希望避免后处理与剩余污泥的场景
- 自然光照条件较好、可采用昼厌氧夜微氧运行以降低能耗的处理系统
- 以饲料/饵料及高值生化产品（色素、辅酶 Q10）为目标的 PSB 生物量生产
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 含毒物（重金属、难降解或有毒有机物）的废水——菌体用于饲料或高值产品前须保证原料无毒
- 低 COD 废水——需高浓度有机物以产生足量菌体才有经济效益
- 极高 COD 废水若仅靠外源添加剂仍无法达标时（可能仍需前处理）
- 藻类更适配的低氮磷废水场景（PSB 更适高 COD，藻类更适低 N/P）
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 研究基于实验室规模批次试验（1000 mL 瓶）与人工配制啤酒废水，放大到实际连续工艺的可行性尚待验证。
- 添加酵母膏本身有成本，本研究未给出完整的成本核算，仅提出可用更便宜添加剂或降低剂量来改善。
- 摘要中“生物量提高 2.6 倍”与正文“增长 150%”“为对照 1.5 倍”表述口径不同，具体增幅需结合图 4 判读。
- Table 2 中经济测算（150 亿元、20-50 RMB/L 等）为基于统计与文献经验的估算，非实测经济数据。
- 部分原始图（Fig. 1、2、3）未能稳定提取匹配，仅据正文文字解读。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
正文未见专门的数据/代码可用性声明。经费：山东省重点研发计划（2017CXGC1005）与国家环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项基金（17K09ESPCT）。利益冲突：正文未见声明。文章发表于 Bioresource Technology 251 (2018) 121-127，2017 年 12 月 6 日在线，版权归 Elsevier Ltd. 所有。