基于物料平衡的光合细菌污水资源化碳排放研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0098

摘要/Abstract

摘要：

加速实现碳中和已成为全球共识，污水处理领域的碳排放情况和低碳技术的发展也逐渐被关注。光合细菌污水资源化技术是一种新兴的污水处理技术，可同时实现污水处理和资源回收，目前该技术的碳排放情况还没有被研究。基于光合细菌的处理过程和物料平衡原理，根据污水处理数据计算出CO₂的净产生量，并对该技术进行低碳程度评价。结果表明，光合细菌污水资源化技术单位COD去除量对应的CO₂净产生量（碳排放量/COD去除量）的值均在1.1以下，该值远低于其他污水处理技术。同时，该技术还会产生多种高价值物质如辅酶Q10等，可抵消一部分碳排放。因此，光合细菌污水资源化技术是一种适应碳中和目标的低碳污水处理技术。

关键词: 污水处理, 资源化, 光合细菌, 碳排放

Abstract:

Accelerating carbon neutralization has become a global consensus. The carbon emission and carbon reduction technologies in the field of sewage treatment have also been gradually concerned. Photosynthetic bacteria bioconversion technology of wastewater is a new wastewater recycling technology. It is a new method that can realize wastewater treatment and resource recovery simultaneously. At present，the carbon emission of this technology has not been studied. Based on the biological treatment process of photosynthetic bacteria，this study calculated its net carbon emission and evaluated its low-carbon degree based on the sewage treatment data and the material balance. The results showed that the carbon emission/COD removal of photosynthetic bacteria bioconversion technology of wastewater was less than 1.1，which was far lower than other wastewater treatment technologies. At the same time，the technology could also produce a variety of high-value products such as coenzyme Q10，which would offset part of the carbon emissions. Therefore，photosynthetic bacteria bioconversion technology of wastewater is a wastewater recycling technology suitable for the goal of carbon neutralization.

Key words: sewage treatment, resource recovery, photosynthetic bacteria, carbon emission

中图分类号:

X703.1

孟帆, 张光明. 基于物料平衡的光合细菌污水资源化碳排放研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(6): 74-78.

Fan MENG, Guangming ZHANG. Carbon emission of photosynthetic bacteria wastewater bioconversion technology based on material balance algorithm[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(6): 74-78.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I6/74

图/表 7

图1 光合细菌吸收碳和排放碳的过程

Fig. 1 The process of carbon absorption and emission by photosynthetic bacteria

表1 不同光氧条件下光合细菌污水资源化技术的CO₂净产生量

Table 1 Net CO₂ production of PSB wastewater bioconversion technology under different oxygen conditions

光氧条件	COD去除量/（mg·L^-1）	PSB生物量增加量/（mg·L^-1）	CO₂净产生量/（mg·L^-1）
自然光，DO<0.5 mg/L	4 869.0	1 569.7	4 431.0
自然光，DO=0.5~2 mg/L	7 978.5	2 482.1	7 703.9
自然光，DO>2 mg/L	8 279.1	2 262.4	8 556.9
光照厌氧	1 432.5	501.0	1 510.3

图2 不同光氧条件下光合细菌污水资源化技术的碳排放量/COD去除量

Fig. 2 Carbon emission/COD removal of PSB wastewater bioconversion technology under different oxygen conditions

表2 不同废水类型下光合细菌污水资源化技术的CO₂净产生量

Table 2 Net CO₂ production of PSB wastewater bioconversion technology under different kinds of wastewater

废水类型	COD去除量/（mg·L^-1）	PSB生物量增加量/（mg·L^-1）	CO₂净产生量/（mg·L^-1）	参考文献
大豆废水1	3 207.6	1 323.5	1 577.2	〔11〕
大豆废水2	9 285.0	4 520.0	2 777.4	〔10〕
酿酒废水	9 205.1	1 472.8	6 051.9	〔12〕
海产品废水	485.0	271.6	373.1	〔13〕
制药废水	2 000.0	860.0	844.6	〔14〕

图3 不同废水类型下光合细菌污水资源化技术的碳排放量/COD去除量

Fig. 3 Carbon emission/COD removal of photosynthetic bacteria wastewater bioconversion technology under different kinds of wastewater

图4 不同污水处理技术的碳排放量/COD去除量

Fig. 4 Carbon emission/COD removal value of different sewage treatment technologies

表3 光合细菌污水资源化技术的附加价值

Table 3 The added value of photosynthetic bacteria wastewater bioconversion technology

资源回收种类	光合细菌菌体量	市场价	抵消碳排放量	参考文献
菌液	—	20~50 元/L	0.47~1.17 t/L	〔19〕
辅酶Q10	38.60 mg/g	30 000 元/g	700.12 t/g	〔19〕
类胡萝卜素	2.53 mg/g	5 元/g	0.12 t/g	〔19〕
5-ALA	1.30 g/L	18 元/g	0.42 t/g	〔5〕

参考文献 19

1	程豪. 碳排放怎么算：《2006年IPCC国家温室气体清单指南》［J］. 中国统计，2014（11）：28-30.
	CHENG Hao. How to calculate carbon emissions：2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［J］. China Statistics，2014（11）：28-30.
2	SINGH P， KANSAL A， CARLIELL-MARQUET C. Energy and carbon footprints of sewage treatment methods［J］. Journal of Environmental Management，2016，165：22-30. doi:10.1016/j.jenvman.2015.09.017
3	PRACHANURAK P， CHIEMCHAISRI C， CHIEMCHAISRI W，et al. Biomass production from fermented starch wastewater in photo-bioreactor with internal overflow recirculation［J］. Bioresource Technology，2014，165：129-136. doi:10.1016/j.biortech.2014.03.119
4	HÜLSEN T， BARRY E M， LU Yang，et al. Domestic wastewater treatment with purple phototrophic bacteria using a novel continuous photo anaerobic membrane bioreactor［J］. Water Research，2016，100：486-495. doi:10.1016/j.watres.2016.04.061
5	LU Haifeng， ZHANG Guangming， ZHENG Ziqiao，et al. Bio-conversion of photosynthetic bacteria from non-toxic wastewater to realize wastewater treatment and bioresource recovery：A review［J］. Bioresource Technology，2019，278：383-399. doi:10.1016/j.biortech.2019.01.070
6	张光明，赵微. 光合细菌内高价值物质研究进展［J］. 东北农业大学学报，2013，44（7）：156-160. doi:10.3969/j.issn.1005-9369.2013.07.029
	ZHANG Guangming， ZHAO Wei. Research development of high-value substances in photosynthetic bacteria［J］. Journal of Northeast Agricultural University，2013，44（7）：156-160. doi:10.3969/j.issn.1005-9369.2013.07.029
7	EATON A D， CLESCERI L S， GREENBERG A E，et al. Standard methods for the examination of water and wastewater［J］. American Journal of Public Health Nations Health，1966，56（3）：387-388. doi:10.2105/ajph.56.3.387
8	LU Haifeng， ZHANG Guangming， WAN Tian，et al. Influences of light and oxygen conditions on photosynthetic bacteria macromolecule degradation：Different metabolic pathways［J］. Bioresource Technology，2011，102（20）：9503-9508. doi:10.1016/j.biortech.2011.07.114
9	臧小华. 污水处理厂如何降低能耗分析［J］. 节能，2019，38（4）：101-102. doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2019.04.039
	ZANG Xiaohua. Analysis on how to reduce energy consumption in sewage treatment plant［J］. Energy Conservation，2019，38（4）：101-102. doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2019.04.039
10	姚明涛，康艳兵，熊小平. 我国大型发电集团度电碳排放分析与思考［J］. 中国能源，2017，39（6）：27-31. doi:10.3969/j.issn.1003-2355.2017.06.006
	YAO Mingtao， KANG Yanbing， XIONG xiaoping. Analysis and considerations on carbon emission of large power generation group in China［J］. Energy of China，2017，39（6）：27-31. doi:10.3969/j.issn.1003-2355.2017.06.006
11	赵微，张光明. 微量元素对废水中光合细菌生长的影响［J］. 哈尔滨工业大学学报，2012，44（2）：52-55. doi:10.11918/j.issn.0367-6234.2012.02.011
	ZHAO Wei， ZHANG Guangming. Effects of trace elements on photosynthetic bacteriagrowth in wastewater［J］. Journal of Harbin Institute of Technology，2012，44（2）：52-55. doi:10.11918/j.issn.0367-6234.2012.02.011
12	LU Haifeng， ZHANG Guangming， DAI Xiao，et al. A novel wastewater treatment and biomass cultivation system combining photosynthetic bacteria and membrane bioreactor technology［J］. Desalination，2013，322：176-181. doi:10.1016/j.desal.2013.05.007
13	LIMA L K F， PONSANO E H G， PINTO M F. Cultivation of Rubrivivax gelatinosus in fish industry effluent for depollution and biomass production［J］. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2011，27（11）：2553-2558. doi:10.1007/s11274-011-0725-3
14	MADUKASI E I， DAI X， HE C，et al. Potentials of phototrophic bacteria in treating pharmaceutical wastewater［J］. International Journal of Environmental Science & Technology，2010，7（1）：165-174. doi:10.1007/bf03326128
15	呼永锋，梁梅，张永祥，等. A²/O+MBR工艺运行效果与碳排放特征研究［J］. 中国环境科学，2021（9）：4439-4446.
	HU Yongfeng， LIANG Mei， ZHANG Yongxiang，et al. Study on operation efficiency and carbon emission characteristics of A²/O+MBR process［J］. China Environmental Science，2021（9）：4439-4446.
16	蒋礼兵，刘金鑫，董进波，等. 城镇污水处理厂二氧化碳排放研究现状［J］. 山东化工，2021，50（22）：222-224. doi:10.3969/j.issn.1008-021X.2021.22.074
	JIANG Libing， LIU Jinxin， DONG Jinbo，et al. Research status of carbon dioxide emission from urban sewage treatment plants［J］. Shandong Chemical Industry，2021，50（22）：222-224，227. doi:10.3969/j.issn.1008-021X.2021.22.074
17	解清杰，韩鹏飞，陈诗龙，等. CAST工艺污水处理厂CO₂排放特性分析［J］. 环境科技，2019，32（3）：39-44. doi:10.3969/j.issn.1674-4829.2019.03.008
	XIE Qingjie， HAN Pengfei， CHEN Shilong，et al. The characteristics of CO₂ emissions in sewage treatment plant with CAST process［J］. Environmental Science and Technology，2019，32（3）：39-44. doi:10.3969/j.issn.1674-4829.2019.03.008
18	张光明，孟帆，曹可凡，等. 光合细菌污水资源化研究进展［J］. 工业水处理，2020，40（3）：1-6. doi:10.11894/iwt.2019-0808
	ZHANG Guangming， MENG Fan， CAO Kefan，et al. Research progress in resource recovery of wastewater by photosynthetic bacteria（PSB）［J］. Industrial Water Treatment，2020，40（3）：1-6. doi:10.11894/iwt.2019-0808
19	MENG Fan， YANG Anqi， WANG Hangyao，et al. One-step treatment and resource recovery of high-concentration non-toxic organic wastewater by photosynthetic bacteria［J］. Bioresource Technology，2018，251：121-127. doi:10.1016/j.biortech.2017.12.002

[1]	刘飞飞, 武彦巍, 王文涛, 唐彤, 马海龙. 膜技术与蒸发结晶工艺在VB₁₂高盐废水零排放中的应用[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 219-226.
[2]	杨雄强, 王浩宇. 污水处理厂低碳运行策略与案例[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 36-45.
[3]	安余梁, 祁峰, 母锐敏, 马桂霞. 微藻除磷机理及其工艺模式的研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 10-17.
[4]	唐安中, 邸雪梅, 陈佳明. 低碳约束下石化污水污染物溯源分析与过程减排[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 197-202.
[5]	谭东东, 聂光华, 邓强. 预氧化酸性矿山废水制备硫酸亚铁镁[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 146-152.
[6]	薛罡, 刘建奇, 强志斌, 王永刚, 郭尧, 陈红. 煤矿矿井水处理和资源化利用的关键问题及对策[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 1-8.
[7]	师雅琪, 孟广源, 陈鹏, 张芯婉, 付涛, 杨正武, 张连胜, 张乐华. 基于神经网络精准预测含铬废酸电氧化再生效果[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 131-138.
[8]	刘畅益, 田佳旺, 张浩东, 秦哲. 改性芦苇材料的吸附脱氮性能及其资源化探究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 122-132.
[9]	杨术刚, 王庆吉, 张坤峰, 陈宏坤, 刘双星, 蔡明玉, 王毅霖. 我国气田采出水处置面临的关键挑战与对策建议[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 13-20.
[10]	陈娟娟, 李伟斌, 黄鸥, 晁伟翔, 张典典, 任南琪, 路璐. 基于降本增效目标的污水处理厂低碳运行调控策略[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 53-60.
[11]	贾仲琪, 卫金秋, 宿辉, 刘宪斌. 纳米零价铁耦合高级氧化技术处理废水的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 9-18.
[12]	王帆, 方秋月. 聚乙烯亚胺接枝/微球共混改性PVDF膜的制备及其性能研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 165-171.
[13]	刘建国, 门颖欣, 魏敬铤, 李文凯, 朱畅, 曹英楠, 杨晓霞, 刘俊新, 郑天龙. 污水处理填料堵塞的形成机理及控制措施[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 1-13.
[14]	程坤, 崔政伟, 胡海涛, 苗盈, 黄莉莉, 金政翰, 刘浩伍. 静态螺旋切割优化A²/O曝气工艺处理生活污水的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 149-155.
[15]	仲航, 刘学锋, 苏东霞. 北京某镇应急污水处理站设计要点[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 193-197.

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