光合细菌处理白酒（白酒酿造）废水并回收菌体：高 COD 耐受性、乙醇耐受度、pH 适应与回流稀释工艺参数

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 光合细菌（photosynthetic bacteria, PSB）能在初始 COD 高达 14,200 mg/L 的合成白酒废水中正常增殖，菌体浓度由 280 mg/L 升至 685 mg/L（增长 150%），证明以醇类为主的酿酒废水可作为 PSB 的碳源。
• PSB 对乙醇的耐受范围为 0.5%–2.0%（v/v），对应 COD 9100–25,600 mg/L 全区间内均未被抑制；这一底物宽容度使同一工艺可覆盖不同酒厂、不同批次的废水波动。
• 三种光氧条件的分工明确：暗-好氧最利于降解 COD，自然光-微氧最利于菌体积累；后者光照免费、曝气成本又低于暗-好氧，被选为综合最优条件。
• PSB 可适应 初始 pH 5.0–8.0，并能把出水 pH 自行调向中性偏碱（初始 pH 5.0–7.0 时终点 pH 上升），因此不必对酸性白酒废水做预中和，可省药剂与调节池；但 pH 4.0 时 PSB 无法存活。
• 以出水回流稀释作为强化手段：原液稀释到 COD 4640 与 2600 mg/L 后，回流比 300%（即稀释 4 倍）为最优，COD 去除率达 76.02%，与国内酒厂厌氧段 74%–80% 的水平相当，但产物是可回收菌体而非剩余污泥。

研究背景与要解决的问题

光合细菌（photosynthetic bacteria, PSB）是自然界广泛分布的古老菌群，可在光照-厌氧或黑暗-好氧两类条件下生存。日本研究者在 20 世纪 70 年代发现 PSB 具有净化污水的能力，此后 PSB 陆续被用于处理屠宰场废水、食品加工废水、乳品废水、发酵淀粉废水与糖类废水，这些研究覆盖的化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）区间为 500–9800 mg/L，去除效果令人满意。

PSB 路线相对于活性污泥法的根本差别在于产物形态：常规好氧工艺把有机物矿化为 CO₂ 并产生大量剩余污泥，剩余污泥造成二次污染、处置成本高；而 PSB 把碳氮同化进菌体，菌体本身营养丰富，含辅酶 Q10、5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等高值物质，回收后可用于水产养殖与农业。这就把“废水处理”与“生物质生产”合为一步，剩余污泥处理环节被消除。

问题落在底物端。全球酒类产量增长带来大量高浓度废水，其中中国白酒是巨型产业——2014 年中国白酒产量接近 1260 万吨，而每生产 1 吨白酒约产生 15–25 吨废水，COD 可高达 20,000 mg/L。国内通常采用“厌氧为首段 + 好氧后处理”的组合工艺，净化效果可靠，但仍产生大量剩余污泥。而此前 PSB 废水处理研究几乎没有触及白酒废水这一类型：已有 PSB 文献的 COD 上限约 9800 mg/L，比白酒废水低一半以上，且白酒废水还有两个额外难点——乙醇本身对微生物有毒（可使菌体脱水、溶解细胞膜脂质、使蛋白变性），以及 pH 通常只有 4–6 的酸性特征。

体系与方法

实验按“可行性—单因素—强化”三段推进，单因素部分每次只变一个变量，共三组实验。

主要结果（原文 Fig. 1–5 逐图解读）

五张图对应五个递进结论：能不能做（Fig. 1）→ 乙醇边界（Fig. 2）→ 光氧条件如何取舍（Fig. 3）→ 酸性进水能否免中和（Fig. 4）→ 怎样把 COD 去除率拉到工程可接受水平（Fig. 5）。

Fig. 1 COD removal and PSB biomass growth in white spirit wastewater, 1.0% ethanol.

图示信息双纵轴时间进程图。横轴为时间 Time（h），0–120 h；左轴为 COD（mg/L），刻度自 3000 到 15,000，以实心方块表示；右轴为菌体量 Biomass（mg/L），刻度 0–900，以空心圆表示；两组数据点均带误差棒。图上可见两条曲线呈镜像走势——空心圆持续抬升并在中后段转平，实心方块在起始阶段几乎不降、随后进入明显下行段，且 COD 在后期的误差棒明显变大。

论文结果在初始 COD 高达 14,200 mg/L 的负荷下，PSB 仍能降解污染物并正常生长：菌体浓度由 280 mg/L 增至 685 mg/L，增幅 150%，说明以醇类为主的白酒废水有机物对 PSB 而言是可利用碳源，处理与产菌可同时实现。COD 在 0–72 h 的下降幅度明显大于 72–120 h，因此原文判定 72 h 为最优处理时间。72 h 的 COD 去除率为 23%，明显低于以往 PSB 处理其它废水报道的 60%–95%。

研究意义这张图同时给出正反两面。正面是可行性成立——高 COD 加乙醇并没有让菌“死掉”，菌体产量反而可观，这对以菌体（蛋白）为产品的路线是决定性的。反面是原液直接处理的 COD 去除率只有 23%，原文归因于三点：初始 COD 过高、白酒废水中 C/N/P 比例失调、以及乙醇本身对微生物有害。工程上的含义是：这一条件下 PSB 更像“碳捕获与生物质生产单元”，而不是能一步达标的净化单元，后段必须配组合工艺。此外 72 h 后 COD 去除趋缓而菌体也不再增长，提示易降解组分基本耗尽，残余部分为难降解组分。

Fig. 2 Fig. 2. COD removal (a) and PSB biomass growth (b) in white spirit wastewater with different ethanol concentrations.

图示信息上下两个子图共用横轴 Time（h，0–80，实测点 0/24/48/72 h）。(a) 纵轴为 COD（mg/L），刻度自 5000 至 25,000 以上，四条曲线自上而下按乙醇 2.0%、1.5%、1.0%、0.5% 平行排列，符号依次为空心五边形、空心三角、空心圆、实心方块；(b) 纵轴为 Biomass（mg/L），0–900，四组从同一起点出发、几乎重叠地向上抬升。关键视觉特征是 (a) 中四条曲线始终保持层次分明的间距、(b) 中四条曲线高度重叠。

论文结果PSB 在四种乙醇浓度的废水中都能降解有机物并正常生长：结果表明 PSB 可作用于 9100–25,000 mg/L 的 COD 浓度，并耐受 0.5%–2.0%（v/v）的乙醇。原文以此说明 PSB 对高 COD 与较宽乙醇区间的适应性，对不同白酒厂之间、或同一厂不同批次废水的浓度波动是有利的。作为横向对照，原文引用啤酒废水的 PSB 研究：初始 COD 约 8000–10,000 mg/L 时 COD 去除率约 88%，明显优于本研究，原因推测是啤酒废水的“烈度”低于白酒废水。

研究意义(b) 中四条菌体曲线几乎重叠是最有信息量的一点：进水 COD 相差近 3 倍，菌体产量却差别很小，说明在这个浓度区间里菌体增长不再受碳源总量限制，而是被其它因素（氮磷比例、氧/光供给、产物抑制）卡住。对产蛋白工艺的直接推论是：单纯提高进水浓度换不来更多蛋白，收益点应放在补齐 N/P 与优化光氧供给上。同时“耐 2.0% 乙醇”这一条本身有工程价值——它意味着酒厂废水不必先脱醇或长时间曝气吹脱即可进入 PSB 单元。

Fig. 3 Fig. 3. COD removal (a) and PSB biomass growth (b) in white spirit wastewater under three light and oxygen conditions, 0.5% ethanol.

图示信息上下两子图，横轴 Time（h，0–80，实测点 0/24/48/72 h）。(a) 纵轴 COD（mg/L），刻度 3000–10,500；(b) 纵轴 Biomass（mg/L），刻度 0–1050。三组图例为：光-厌氧（实心方块、实线）、自然光-微氧（带叉圆圈、虚线）、暗-好氧（实心三角、点线）。三条曲线自同一起点出发；(a) 中暗-好氧组前期下降最慢、中后期斜率最大并反超成为最低 COD；(b) 中自然光-微氧组明显跑在最上方，另两组在前期接近重合。

论文结果暗-好氧条件最有利于降解白酒废水中的有机污染物，自然光-微氧次之；但自然光-微氧条件对 PSB 生长最优。原文的取舍逻辑是成本：自然光-微氧条件下光照免费（相比光-厌氧需人工光源），曝气成本又低于暗-好氧，所以综合判定自然光-微氧为最佳光氧条件。机制解释引自既有文献——对 PSB 去除污染物而言氧比光更重要：有氧时以氧化磷酸化产能，可把基质较彻底地矿化；当氧被光替代后主要走光合磷酸化，废水中的基质无法被完全矿化。原文指出本研究结果与该理论一致，并引用制药废水的类似现象：给一点氧 PSB 长得更好。

研究意义这张图把“净化目标”和“产蛋白目标”的矛盾摆到了台面上：要 COD 去除就给氧遮光，要菌体产量就给光少给氧。因为在光合磷酸化占主导时，碳骨架更多被同化进菌体而不是氧化成 CO₂——这正是产蛋白工艺想要的。因此在本专题语境下，最优参数选择不应照抄原文以处理成本为导向的结论，而要按产品定位重新权衡：若目标产物是菌体蛋白，光-厌氧或自然光-微氧才是主战场，暗-好氧更适合放在需要出水达标的后段。

Fig. 4 Fig. 4. PSB biomass growth in white spirit wastewater with different initial pH, 0.5% ethanol, natural light-microaerobic condition.

图示信息单纵轴生长曲线。横轴 Time（h，0–80，实测点 0/24/48/72 h），纵轴 Biomass（mg/L），刻度 0–600。四条曲线对应初始 pH 5.0（空心五边形）、6.0（空心圆）、7.0（实心三角+虚线）、8.0（叉号），从同一接种起点出发全部单调上行；其中 pH 8.0 组在 0–24 h 明显滞后、随后近似线性追赶，到 72 h 时四组已相当接近。误差棒很小，多被符号遮盖。图中没有 pH 4.0 的曲线。

论文结果初始 pH 在 5.0–8.0 区间内，COD 去除率无显著差异，平均值与 Fig. 1(a)、Fig. 2(a)、Fig. 3(a) 的结果一致；每一个初始 pH 下菌体产量都在增长。但 初始 pH 为 4.0 时 PSB 无法存活。另一个关键观察是 PSB 会自行调节出水 pH：初始 pH 为 5.0–7.0 时各反应器终点 pH 升高，初始 pH 为 8.0 时有一个反应器终点 pH 下降。原文据此指出：通常 PSB 废水处理要求中性 pH、普遍采用把废水预调到约 7 的做法，而本研究中把白酒废水预调至中性并非必需，可节省成本、简化操作。

研究意义这条结论的工程价值高于它的学术分量。白酒废水本身 pH 4–6，若必须预中和就要加碱、建调节池、增加运行管理；PSB 能容忍 pH 5.0 并把出水推向中性偏碱，等于省掉一个单元。原文还做了与活性污泥法的对比：传统活性污泥工艺通常需在 pH 6.5–8.0 运行，靠进水中蛋白的代谢与碱度维持该水平，而工业废水缺乏蛋白会导致 pH 偏低，进而真菌大量繁殖抑制其它细菌，可能引发丝状菌膨胀、出水水质下降——所以活性污泥法处理白酒这类工业废水时 pH 调节是关键的；采用 PSB 则可缓解这一问题。需要注意的边界是 pH 4.0 是硬底线：进水一旦更酸，仍需前置调节。

Fig. 5 Fig. 5. COD removal and PSB biomass production in diluted white spirit wastewater, 72 h, 0.5% ethanol, natural light-microaerobic condition, initial pH = 7.0.

图示信息双纵轴分组柱状图。横轴为稀释比例 Dilution ratio 的三个水平：original（原液）、half of original（稀释一半）、a quarter of original（稀释至四分之一）；左轴为 COD Removal（%），刻度 0–80；右轴为 Biomass（mg/L），刻度 0–800。每个水平下并列两根柱：黑色实心柱为 COD 去除率、白色空心柱为菌体量，柱顶均带误差棒。图上可见黑柱从左到右单调升高、白柱从左到右单调降低，两者呈明显此消彼长。

论文结果把原液白酒废水稀释到 COD 4640 mg/L 与 2600 mg/L 后，COD 去除率显著提升：初始 COD 为 2600 mg/L 时，COD 最终下降 76.02%。原文引用 Kim 等用 PSB 处理有恶臭的养猪废水时的类似现象——不稀释时 COD 很难去除。由于回流出水是废水处理中便捷的做法，原文确定最优回流比为 300%，即原液被稀释 4 倍；并建议以活性污泥工艺作为后处理来满足排放标准。横向对照：国内一些酒厂的研究显示厌氧段 COD 去除率约 74%–80%，因此带回流的 PSB 处理可达到与厌氧工艺相当的处理效果，而且产物是可回收的菌体而非剩余污泥。原文结论段给出该条件下的菌体产量为 400 mg/L。

研究意义这是全文的落地图，也是最需要工程化解读的一图。稀释把 COD 去除率从原液的两成多推到 76.02%，说明前面 Fig. 1 中低去除率的主因确实是高浓度抑制而非菌株能力不足。但柱图揭示的取舍必须正视：去除率上升的同时菌体绝对产量在下降——因为稀释后单位体积可同化的碳源变少了。对以蛋白为产品的路线，这意味着回流比不能照抄 300%：追求出水水质要高回流比，追求单位体积蛋白产量则要低回流比，实际取值应由“蛋白售价 vs 达标成本”决定，也可以考虑两段串联（前段高浓度产菌、后段稀释达标）的分工设计。

机制与工艺逻辑

1. 产能路径决定碳去向。 原文引用的机制是：有氧存在时氧化磷酸化是主要产能过程，基质可被较彻底矿化；当氧被光替代，光合磷酸化成为主要产能过程，废水中的基质无法被完全矿化。这正好解释了 Fig. 3 的双重结果——暗-好氧 COD 去除最好（碳被氧化掉），自然光-微氧菌体最多（碳被留在细胞里）。对产蛋白而言，“矿化不彻底”不是缺点而是必要条件。
2. 乙醇的毒性作用点在膜与蛋白。 醇类可使细菌脱水，溶解细胞膜上的脂质，并使蛋白变性，因此乙醇浓度会影响菌的活性。原文特别指出以往白酒废水研究没有考虑乙醇浓度这一因子，本文补上了这一格：0.5%–2.0% 区间内 PSB 未被抑制。
3. 高浓度抑制是原液低去除率的主因。 原液条件下 72 h 仅去除 23% COD，而稀释到 2600 mg/L 后达 76.02%，同一菌株、同一时间，差别只在浓度，指向底物/产物抑制而非降解能力上限。原文同时把 C/N/P 比例失调列为原因之一——合成废水 COD 可达 26,000 mg/L 而 NH₃-N 仅 130 mg/L、TP 仅 30 mg/L，氮磷相对严重不足。
4. pH 自调节能力来自代谢本身。 初始 pH 5.0–7.0 的反应器终点 pH 上升，说明有机酸（乙酸、丙酸、乳酸等）被消耗后体系碱度相对上升；这使 PSB 工艺对酸性进水具有内在缓冲，而活性污泥工艺则依赖进水蛋白代谢与碱度来维持 pH 6.5–8.0。

工程与产业含义

本文的价值在于把 PSB 的适用底物边界向“更烈”的方向推了一大截：此前 PSB 废水处理文献的 COD 覆盖区间是 500–9800 mg/L，本文把上限拉到 25,600 mg/L 并附带 2.0% 乙醇与 pH 5.0 的耐受证明。对于打算把光合细菌产蛋白落到真实工业场景的项目，这类“底物耐受性”数据比实验室最优产率更决定项目能否成立。

在“光合细菌产蛋白”这一专题里，本文承担的是上游原料端的可行性验证：它证明了酿酒行业这一体量巨大、浓度极高的废水流可以作为 PSB 蛋白生产的碳源，并给出了不必脱醇、不必中和这两个显著降本的操作结论。但它没有回答蛋白端的问题——菌体蛋白含量多少、氨基酸谱如何、能否达到饲料级要求，这些需要由专题内其它蛋白定向研究与下游动物试验来补齐。

适用场景

• 白酒、蒸馏酒、酿酒行业高浓度废水的资源化路线预评估——本文给出了 COD 9100–25,600 mg/L、乙醇 0.5%–2.0%、pH 5.0–8.0 的可运行窗口。
• 希望以“无剩余污泥 + 菌体回收”替代传统厌氧-好氧组合首段的项目，可用本文的 76.02%（回流比 300%）对标厌氧段 74%–80% 的常规水平。
• 工艺降本设计：借“PSB 可耐 pH 5.0 且能自行把出水 pH 调向中性”这一结论评估取消预中和单元、削减加碱药剂的可行性。
• 以出水回流代替清水稀释的高浓度废水前处理设计，以及“前段高浓度产菌、后段稀释达标”的两段式分工构想。

不适用 / 需谨慎的场景

• 不能作为菌体蛋白产率或饲料级蛋白质量的依据——本文没有测蛋白。
• 进水 pH 低于 5.0（尤其接近 4.0）的强酸性废水不适用，本文已证 pH 4.0 时 PSB 无法存活。
• 以出水一次达标为目标的场景不适用：即使最优回流条件下 COD 去除率也只有 76.02%，必须配后处理。
• 深色、高悬浮物或含强抑制性组分（酚、重金属、灭菌剂残留）的真实酿酒废水需重新验证，本文合成废水未含这些组分。
• 需要精确光调控（如按频率/占空比优化产蛋白）的研究不宜引用本文光参数：本文光强以 lux 计且自然光组不受控，与专题内以 µmol m⁻² s⁻¹ 定量的光调控研究不可直接比较。

局限与不确定性

• 使用合成白酒废水而非真实酒厂废水。真实废水含色度、悬浮固体、酚类与金属离子等本文未模拟的组分，其中色度直接影响光穿透，可能改变光依赖工况的结论。
• 未测定菌体蛋白含量与氨基酸组成。全文实测指标仅有 COD、菌体量、pH、DO，菌体的营养价值（辅酶 Q10、5-ALA、PHA、蛋白）来自文献引述而非本文数据，因此不能直接用本文数据核算蛋白产率。
• 菌株为本地池塘分离的单一 Rhodopseudomonas，未做菌种鉴定到种、未做混培养或开放体系的竞争性验证；实际工程多为非灭菌开放体系，而本文反应器经 121 ℃ 灭菌 30 min。
• 批式小体积（500 mL 锥形瓶、摇床）体系，无连续流、无水力停留时间与容积负荷数据，也未给出曝气/照明能耗与菌体采收成本，无法据此判断经济性。
• 原液条件下 COD 去除率仅 23%，出水远不能达标，必须依赖后处理；而回流稀释虽把去除率提到 76.02%，却同时降低了菌体产量，二者的经济最优点本文未做核算。
• 光强以 lux 表示（3000–4000 lux）且“自然光”组光强随环境变化不受控，不同季节与地区的可重复性有限；PSB 吸收光谱主要在近红外波段，lux 这一以人眼视觉响应加权的单位无法准确表征其可利用光能。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

图片来源：本文为 Elsevier 订阅期刊论文，原文 Fig. 1–5 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.ibiod.2016.01.001。