碳中和背景下微藻資源化技術(shù)處理廢水的應(yīng)用進(jìn)展與展望

王桂泉

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

自從工業(yè)化以來，全球的碳排放量逐年升高，為了緩解碳排放的問題，“碳中和”這一概念被提出[1]。碳中和的意義在于減緩年度溫室氣體排放量的增長(zhǎng)來遏制住全球氣候變暖的大趨勢(shì)。廢水資源化高效回收利用是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵一環(huán)。關(guān)鍵[2]，傳統(tǒng)廢水處理方法不僅浪費(fèi)氮磷和電能[3]，還沒有實(shí)現(xiàn)資源回收，并常常伴隨著二次污染[4]。因此，傳統(tǒng)廢水處理法不符合碳中和的概念。

污水生態(tài)處理技術(shù)可以利用生態(tài)處理技術(shù)使資源化產(chǎn)品產(chǎn)出高，產(chǎn)品附加值高[5]。微藻作為一種單細(xì)胞光合作用微生物，具有光合效率高、生長(zhǎng)周期短、環(huán)境適力強(qiáng)、產(chǎn)油脂量高等特點(diǎn)[6]。目前微藻廢水處理技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用?；诖?，微藻在廢水處理領(lǐng)域已逐漸成為水質(zhì)凈化、環(huán)境整治、資源回收的研究熱點(diǎn)[2]。

本綜述在實(shí)現(xiàn)碳中和的背景下，從微藻培養(yǎng)工藝中藻種種類、光生物反應(yīng)器的特性，基于光、二氧化碳、菌藻共生體系的微藻強(qiáng)化技術(shù)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、環(huán)境因子等對(duì)微藻培養(yǎng)的影響，微藻處理廢水機(jī)制以及未來研究方向展望等方面進(jìn)行詳盡的介紹，以期為微藻資源化技術(shù)處理廢水的應(yīng)用提供參考和支持。

1 微藻培養(yǎng)工藝

1.1 藻種

圖1展示了廢水應(yīng)用和分布較廣泛的四種微藻藻種，即螺旋藻、紅球藻、小球藻和杜氏藻。其中，螺旋藻生長(zhǎng)繁殖快、光照利用率高。紅球藻富含的天然蝦青素具有極強(qiáng)的穿透力及抑制腫瘤等特性。小球藻含豐富的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)，繁殖速度極快。杜氏藻具有趨光和耐強(qiáng)酸堿的特性，同時(shí)有豐富的油脂、蛋白質(zhì)、多糖等。

圖1 四類代表性微藻及其優(yōu)點(diǎn)

1.2 光生物反應(yīng)器

微藻光生物反應(yīng)器基于對(duì)環(huán)境的開放程度，可分為封閉式反應(yīng)器、開放式反應(yīng)器和貼壁式反應(yīng)器。表1總結(jié)了三種微藻光生物反應(yīng)器的特性。其中，開放式反應(yīng)器主要表現(xiàn)形式是跑道池反應(yīng)器，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行簡(jiǎn)單、成本低、易于操作，但是受外部環(huán)境季節(jié)和氣候的變化影響大。封閉式反應(yīng)器分為立柱式反應(yīng)器、平板式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)式微藻培養(yǎng)，操作簡(jiǎn)單、耐受性強(qiáng)不容易受到外部環(huán)境的影響，但其運(yùn)維復(fù)雜且造價(jià)較大。貼壁式反應(yīng)器利用超細(xì)纖維紡織物的親水性和多孔性等特性，將藻細(xì)胞懸浮在纖維紡織物的表面進(jìn)行淺層培養(yǎng)；光能利用效率最大、微藻生長(zhǎng)速率最高，但是成本高、運(yùn)營(yíng)復(fù)雜。

表1 光生物反應(yīng)器特性

2 微藻強(qiáng)化技術(shù)

2.1 光強(qiáng)化技術(shù)

光強(qiáng)化技術(shù)對(duì)微藻光合作用生長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用。目前，主要通過靜態(tài)折流裝置和導(dǎo)光材料來提高反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)化程度[7]。靜態(tài)折流裝置可以強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)的藻液沿光衰減方向的混合，通過混合，可將反應(yīng)器內(nèi)遠(yuǎn)離光入射面處于暗區(qū)的微藻細(xì)胞輸送到反應(yīng)器內(nèi)靠近光入射面的光區(qū)。導(dǎo)光材料可促進(jìn)微藻反應(yīng)器將入射光均勻，有效提高光在微藻細(xì)胞液中的分布，緩解光衰減對(duì)微藻光自養(yǎng)生長(zhǎng)的不利影響。

2.2 二氧化碳強(qiáng)化技術(shù)

微藻細(xì)胞通過利用CO2和光能進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物并釋放氧氣實(shí)現(xiàn)光合固碳[8]。光生物反應(yīng)器內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)特性同時(shí)影響著CO2的傳遞過程與微藻的分布狀況，進(jìn)而影響微藻的光合固碳。光生物反應(yīng)器中裝配CO2氣體分布器主要是多進(jìn)口分配式氣體分布器技術(shù)。胡[9]等人對(duì)光生物反應(yīng)器中氣體分布器的孔尺寸及間距進(jìn)行了優(yōu)化，使得CO2氣體傳輸?shù)男矢?。光生物反?yīng)器中的生物質(zhì)濃度提高了18.8%，固碳速率提高23.2%。

2.3 藻菌共生強(qiáng)化體系

微藻共生體系（微藻-細(xì)菌或微藻-真菌）是利用微藻和細(xì)菌之間生理特性協(xié)同凈化污水的生態(tài)系統(tǒng)[10]。微藻通過光合作用產(chǎn)生O2供好氧細(xì)菌和真菌進(jìn)行呼吸作用，而好氧細(xì)菌和真菌通過呼吸作用又會(huì)產(chǎn)生CO2或低分子有機(jī)物，為微藻生長(zhǎng)提供碳源，同時(shí)微藻和細(xì)菌也會(huì)各自分泌一些代謝產(chǎn)物來促進(jìn)對(duì)方生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)互利共生。藻-菌共生體系的構(gòu)建可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除，微藻生物量的積累，廢水凈化及資源化利用效果明顯。此特性在微藻收獲階段具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)樵谖⒃迨斋@階段，需要細(xì)胞破裂才能獲得所需的產(chǎn)品，因此微藻－細(xì)菌共生系統(tǒng)也降低了生物精煉廠下游加工的成本和時(shí)間。

鑒于藻-菌共生系統(tǒng)的這些優(yōu)勢(shì)，近年來，關(guān)于建立藻菌共生體系以提高污水處理效率、微藻生物量、油脂產(chǎn)率的研究已有一定的進(jìn)展。

2.4 微生物燃料電池強(qiáng)化技術(shù)

基于微藻的微生物燃料電池（MFC）是一種通過外來菌分解可降解有機(jī)物并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的生物電化學(xué)裝置，可實(shí)現(xiàn)污染物去除，同時(shí)能產(chǎn)電的新型能源技術(shù)。該工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔環(huán)保、產(chǎn)能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性高。微藻在MFC中既可作為陽極也可作為陰極，微藻作為陽極，構(gòu)造光合微生物燃料電池將一部分光能轉(zhuǎn)化為電能。微藻作為陰極，可同時(shí)吸收利用陽極室釋放CO2，和捕捉周圍的CO2，還可進(jìn)行藻體產(chǎn)品的有價(jià)回收，降低MFC成本。

3 微藻培養(yǎng)影響因子

3.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

微藻培養(yǎng)需要大量氮、碳、磷源、微量元素等，它們一定程度上影響著微藻光合作用的能力和微藻的生長(zhǎng)代謝。氮是微藻體內(nèi)氨基酸、核苷酸等重要化合物的基本組成元素之一。氮源不足時(shí)，微藻光合作用和呼吸代謝均減弱。碳元素占微藻干重的40%～50%，微藻所需的碳源影響微藻細(xì)胞生長(zhǎng)和脂類、糖類等物質(zhì)的積累[11]。研究表明碳源充足有利于細(xì)胞儲(chǔ)碳進(jìn)而油脂積累。藻通過同化作用吸收磷進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)的合成，磷參與的信號(hào)傳遞、能量轉(zhuǎn)換和光合作用影響細(xì)胞中的糖類、蛋白質(zhì)、脂肪合成及代謝，因此缺磷是直接限制微藻生長(zhǎng)的因素之一。氮磷比被證明不僅影響微藻生長(zhǎng)代謝，而且決定了優(yōu)勢(shì)藻種的歸屬。此外，微藻生長(zhǎng)繁殖和細(xì)胞代謝也離不開微量元素。

3.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素，例如光、溫度和pH，用是決定微藻生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素。光照通過影響微藻的光合作而直接影響其新陳代謝；溫度變化影響微藻內(nèi)酶的活性導(dǎo)致微藻的生物反應(yīng)發(fā)生變化。pH能改變微藻細(xì)胞膜的滲透性影響細(xì)胞生長(zhǎng)。光作為微藻主要的能量輸入形式，可采用適當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)和光周期提高微藻生物量產(chǎn)量。溫度主要通過改變酶的活性對(duì)微藻產(chǎn)生影響，大部分微藻的最適溫度范圍為20-30℃。微藻生長(zhǎng)環(huán)境溫度過高會(huì)增加細(xì)胞的呼吸作用，降低細(xì)胞產(chǎn)率。合適的pH值促進(jìn)微藻光合作用的CO2的獲取和營(yíng)養(yǎng)離子的吸收等；過高pH可能能導(dǎo)致微藻細(xì)胞裂解死亡。

4 微藻廢水資源化機(jī)制

如圖2所示，微藻廢水資源化過程機(jī)制包括：污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如硝酸鹽、氨氮和富含N、P等物質(zhì)的廢水輸入到光生物反應(yīng)器中，在光照的作用下，光反應(yīng)器中的微藻和細(xì)菌中的葉綠素和氨基酸分別通過光合作用和同化作用將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行分解，并產(chǎn)出O2和CO2。污水被處理后一部分被進(jìn)一步加工成柴油、動(dòng)物飼料、藥品的原材料等副產(chǎn)物，另一部分進(jìn)行無害化處理排放至河流當(dāng)中。其資源的回收符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的概念，也符合碳中和的概念。

圖2 微藻廢水資源化機(jī)制簡(jiǎn)圖

5 結(jié)論及展望

以上歸納了在碳中和背景下利用微藻進(jìn)行廢水資源化的技術(shù)，本文主要從微藻培養(yǎng)工藝、微藻強(qiáng)化技術(shù)、微藻培養(yǎng)影響因子、微藻廢水資源化機(jī)制等方面進(jìn)行闡述，且對(duì)微藻強(qiáng)化技術(shù)、影響因子進(jìn)行了全面的闡釋并分析了各個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

對(duì)未來在碳中和背景下利用微藻進(jìn)行廢水資源化的技術(shù)展望：（1）更好的光反應(yīng)器；（2）更好藻的篩選，基因工程，基因突變；（3）進(jìn)一步探究菌藻共生，合適的細(xì)菌和藻類；（4）進(jìn)一步好的光傳播，二氧化碳傳播的設(shè)備；（5）探究藻合成油脂的調(diào)節(jié)策略。