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://gyscl.magtechjournal.com/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]	王强民. 生态脆弱富煤区矿井水水文地球化学成因及资源化利用[J]. 工业水处理, 2026, 46(4): 81-88.
[2]	蒙小俊, 葛光环, 柴海文. 污水处理厂绿色转型中的碳减排策略[J]. 工业水处理, 2026, 46(4): 25-34.
[3]	徐黄欢, 武英, 林旭萌, 陈炳江, 周启帆, 薛罡. 黄铁矿驱动混养反硝化体系的关键运行参数优化[J]. 工业水处理, 2026, 46(4): 164-172.
[4]	唐正, 张凯, 陈爱, 吕修颖, 李根, 马菁菁, 赵维, 张夏丽. 含盐废水处理技术前沿及低碳资源化研究进展[J]. 工业水处理, 2026, 46(3): 1-16.
[5]	赵培红, 赵高利, 吕臣凯, 詹浩东, 王浩博, 庾, 王健, 皇猛, 梅长松. 南方某污水处理厂曝气系统节能降耗研究与实践[J]. 工业水处理, 2026, 46(3): 201-208.
[6]	蒙小俊, 葛光环, 蒙欣. “双碳”背景下城市污水低碳处理技术与资源化利用分析[J]. 工业水处理, 2026, 46(3): 33-46.
[7]	王皖蒙, 冯喆, 姚立荣, 王文凤, 陆圆, 曹伟. 园区含氟废水处理的工艺设计与碳排放分析[J]. 工业水处理, 2026, 46(1): 184-188.
[8]	时玉龙, 鲍海鹏, 蒋奇海, 白煜, 王金惠. 污泥龄调控实现污水污泥资源化处理良性互动[J]. 工业水处理, 2026, 46(1): 163-167.
[9]	侯郊, 罗文辉, 侯彦青, 高延粉, 孙斯景. 铅锌冶炼高盐废水中硫酸钠的资源化利用[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 167-173.
[10]	刘丹, 王海潮, 郭栋, 郑晓伟, 邵岩, 李珊. 减压蒸馏提取畜禽粪便厌氧发酵液中有机酸[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 109-114.
[11]	林涛, 赵一玲, 薛永常. 生物强化技术在污水处理中的应用研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 39-47.
[12]	何飞宇, 封玲, 朱铭, 陈莉, 田秉晖, 王学科, 池勇志, 付翠莲. 电渗析选择性分离与回收工业废水有价物质研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 10-18.
[13]	魏秀丽, 郭小平, 王珍. 基于不同处理处置路径的污泥碳排放预测[J]. 工业水处理, 2025, 45(9): 174-184.
[14]	王安娜, 徐是龙, 袁敏忠, 袁维芳, 江峰, 姚璐. 硫基复合填料应用于污水脱氮的研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(8): 11-18.
[15]	夏传, 刘双, 高伟, 王水云, 李绪忠, 李运龙, 袁静怡. 锌冶炼废水反渗透高倍浓缩工艺改造工程实例[J]. 工业水处理, 2025, 45(7): 195-199.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容