利用微藻處理釀酒廢水及資源化的研究進展

黎崎均，蘇建，張富勇，茍梓希，劉莉，陳仕江，袁春芳，喬宗偉，安明哲

（宜賓五糧液股份有限公司，四川宜賓 644007）

酒精飲料在全世界范圍內都是人類生活娛樂中備受喜愛的飲品之一。通常，酒精飲料可以分為兩大類：發(fā)酵酒精飲料（如啤酒和紅酒）和蒸餾酒（如白酒、白蘭地和威士忌）。隨著社會經濟的高速發(fā)展，酒精飲料的產量也逐年上升。由于生產過程產生大量的廢水，酒廠也成為環(huán)境污染的主要來源之一〔1〕。據(jù)估計每生產1 L發(fā)酵酒精飲料會產生1～10 L的廢水，1 L蒸餾酒會產生15～48 L廢水〔2-4〕。未經處理的釀酒廢水直接排放至水體容易引起許多環(huán)境問題，如水體富營養(yǎng)化等〔5〕。為了滿足日益嚴苛的環(huán)保法規(guī)，酒廠必須在廢水治理方面投入大量資金和努力，有效避免或盡量減少污染物對環(huán)境的不利影響〔2，4〕。

常見的廢水處理方法被分為物理化學方法和生物方法，主要的物理化學方法包括沉降、絮凝、氧化、電解、過濾和反滲透等，而生物方法主要包括厭氧處理法和好氧處理法〔1〕。傳統(tǒng)成熟的釀酒工業(yè)廢水處理方法通常是物理化學和生物過程的不同組合〔6〕，圖1展示了五糧液公司采用的廢水處理系統(tǒng)。盡管傳統(tǒng)廢水處理工藝被多數(shù)酒廠所采用，但是該工藝仍存在一些缺陷，如能耗高、操作和維護成本高、污泥處理量大等〔4，7〕。因此，需要尋找一種環(huán)境友好且經濟有效的廢水處理方式來替代傳統(tǒng)工藝。

圖1 五糧液公司采用的傳統(tǒng)釀酒廢水處理工藝Fig. 1 Conventional basic process of distillery wastewater treatment process adopted by Wuliangye Company

一種基于微藻的新型廢水處理方式被認為是環(huán)境友好且低成本的技術，有望取代現(xiàn)有的廢水處理方式。微藻具有光合效率高、繁殖速度快、環(huán)境適應性強等多種優(yōu)點。另外，微藻還可以將廢水中的營養(yǎng)物質轉化為生物質，實現(xiàn)廢水資源化利用，并且通過固定空氣中的二氧化碳來減輕溫室效應〔7-8〕，符合目前減碳政策的需求。近幾十年來，科研人員對基于微藻的廢水處理技術進行了長期探索和大量研究，許多研究表明微藻廢水處理技術對城市廢水、農業(yè)廢水和工業(yè)廢水具有較高的凈化效率，從廢水中回收的微藻生物質可以用作生產高附加值產品的原料，如生物能源、生物肥料和動物飼料等〔9-10〕。由于微藻技術集合了廢水治理、二氧化碳減排和資源化利用等多重作用，所以其被認為在“循環(huán)經濟”的發(fā)展模式中扮演了重要角色，為雙碳戰(zhàn)略和資源回收提供了新的方向〔4，10〕。筆者總結了近十年來微藻在釀酒廢水處理中的研究和應用，從釀酒廢水的特性、微藻凈化機制、影響因素、生物質應用等方面介紹了基于微藻的釀酒廢水處理技術，并討論了該技術的優(yōu)缺點。

1 釀酒廢水的特征

釀酒廢水中通常包含復雜的有機物，如糖、淀粉、乙醇、有機酸、酯類以及酚類等，這導致釀酒廢水具有很高的COD和BOD。另外，釀酒廢水富含營養(yǎng)物（氮元素、磷元素等）和各類無機離子（鉀、鈣等）。不同酒精飲料生產過程產生的廢水也具有不同的特點，如表1所示〔2，5-6，11〕。

表1 不同釀酒廢水的特性Table 1 The characteristics of various distillery wastewater

總體而言，蒸餾酒產生的廢水有機物濃度相對高于發(fā)酵酒精飲料。此外，釀酒工藝不同階段產生的廢水也具有不同的特點，如表2所示〔1，12〕。

表2 釀酒過程不同工藝階段的廢水特性Table 2 The characteristics of wastewater in different process stages of winemaking

由表2可知，酒糟廢水與其他廢水有較大的區(qū)別，顏色深，pH低，BOD和COD也顯著高于其他工藝階段。

2 微藻對釀酒廢水中營養(yǎng)元素的同化機制

微藻是一種光合自養(yǎng)的微生物，可以吸收廢水中的營養(yǎng)元素并將其轉化為微藻生物質。碳、氮、磷3種元素是藻細胞的基本組成。在不同的生長模式下，微藻可以利用無機碳源（如CO2、HCO3-）和有機碳源（如葡萄糖、醇類、有機酸）。光照條件下，微藻以光自養(yǎng)的模式生長，固定二氧化碳并釋放氧氣。但空氣中的二氧化碳濃度較低，不能支持微藻快速生長。富含二氧化碳的工業(yè)廢氣可作為低成本補充碳源，用于微藻培養(yǎng)，起到降低碳排放、緩解溫室效應的作用。而在異養(yǎng)或者混養(yǎng)的生長模式下，微藻可以利用葡萄糖等有機碳源。在暗發(fā)酵條件下，微藻可以通過吸收葡萄糖和乙酸鹽來實現(xiàn)細胞增殖，獲得較高的生物質產量〔13-15〕。圖2展示了微藻利用不同碳源進行生長代謝的途徑〔16〕。

圖2 微藻利用廢水中營養(yǎng)元素的機制Fig. 2 Mechanism of organic and inorganic nutrient removal from industrial wastewater by microalgae

氮元素是微藻生長代謝的重要元素之一，其參與了蛋白質、葉綠素、酶、RNA、DNA等多種物質合成。廢水中氮元素含量豐富，通常以銨根離子（NH4+）、硝酸根離子（NO3-）和亞硝酸根離子（NO2-）形式存在。其中，由于同化能耗需求低，NH4+是微藻利用效率最高的氮元素形式〔17〕。如圖2所示，NO3-和NO2-在被微藻吸收利用前，需要被還原成NH4+，還原反應發(fā)生在NO3-和NO2-穿越細胞膜和葉綠體膜的過程中〔8〕。另有研究表明，一些特殊微藻也可以利用簡單的有機氮源（如尿素和氨基酸）進行生長代謝〔18-19〕。

磷元素是微藻生長代謝的另一種重要元素，是合成RNA、DNA、ATP、磷脂和蛋白質的必需元素。磷元素在廢水中以多種形式存在，主要為磷酸根（PO43-）、磷酸氫根（HPO42-）、磷酸二氫根（H2PO4-）以及有機磷。如圖2所示，以HPO42-和H2PO4-形式存在的無機磷更容易被微藻同化吸收，在微藻代謝過程中通過磷酸化合成ADP，進一步還可以轉化為ATP〔16，20〕。ATP形成過程所需的能量可以通過底物氧化、線粒體電子傳遞鏈、光能轉化等途徑獲得〔20〕。當環(huán)境中磷元素濃度過高時，微藻細胞可以將過量的磷酸鹽儲存在胞內，形成多磷酸鹽顆粒。當環(huán)境中磷元素供給不足時，微藻則可以利用胞內儲存的磷元素進行生長代謝〔21〕。

3 微藻處理釀酒廢水的方式

3.1 單一微藻處理釀酒廢水

近年來，采用單一微藻處理釀酒廢水的研究主要聚焦于藻種篩選和釀酒廢水的預處理。Chunfeng SONG等〔22〕比較了4種微藻（Chlorellasp. L166、Chlorellasp.UTEX1602、Scenedesmussp. 336、Spirulinasp. FACHB-439）對啤酒廢水的凈化效率，結果表明，當初始條件COD為2100 mg/L、TN為45 mg/L、TP為7 mg/L、NH3-N為23 mg/L時，4種微藻中Scenedesmussp. 336表現(xiàn)出最優(yōu)的凈化效果，COD、TN、NH3-N、TP的去除率分別達到85.23%、78.94%、95.00%、97.80%。Cuixia LIU等〔23〕從廢棄銅礦中分離出1株微藻（Diplosphaerasp. MM1），該藻株被證明在修復奶廠廢水和葡萄酒廠廢水時具有巨大的應用潛力。在文獻〔24〕中，螺旋藻Spirulinasp.被應用于處理厭氧消化后的釀酒廢水。該釀酒廢水的COD高達40000 mg/L，在氙燈和陽光照射下，Spirulinasp.可以使廢水中COD降低60%～70%。小球藻（Chlorellasp.）是另一種常用于釀酒廢水處理的微藻。H. J. CHOI〔15〕的研究表明曝氣和光照條件可以提高Chlorellasp. 在廢水處理過程中的去除效率，其中TN和TP的去除效率分別比其他條件高出9.7%和11.86%。由于釀酒廢水色澤深、pH低以及COD高，許多研究人員在利用單一微藻處理時需對廢水進行預處理，如過濾、稀釋、厭氧消化等。在Feng LI等〔25〕的研究中，釀酒廢水先經過膜過濾，然后再利用Chlorella vulgaris進行處理，TN、TP和COD的去除率分別達到80%、94%和72.24%。

3.2 微藻與其他微生物共培養(yǎng)處理釀酒廢水

單一微藻處理釀酒廢水存在一些缺點，比如維持無菌培養(yǎng)成本高、微藻生物質采收困難等〔3〕。而通過將微藻與其他微生物共培養(yǎng)的方式則可以避免這些缺點。共培養(yǎng)系統(tǒng)通常對不利環(huán)境具有更好的耐受潛力，微藻和其他微生物共生容易形成更大的聚集體，有利于后期生物質采收。作為自然界的分解者和生產者，細菌和微藻可以利用彼此的代謝物。微藻通過光合作用產生的氧氣有利于好氧菌的生長，而細菌呼吸產生的二氧化碳可以被微藻用作碳源。此外，復雜有機物被細菌降解成簡單小分子，可以被微藻吸收利用；而微藻分泌的有機物和死亡的微藻細胞也可以被細菌分解〔26〕。微藻和細菌之間的這種共生關系在釀酒廢水的處理中發(fā)揮著重要作用。在B. T. HIGGINS等〔27〕的研究中，利用細菌與兩種微藻（Auxenochlorella protothecoides和Chlorella sorokiniana）的共培養(yǎng)來處理葡萄酒釀造廢水，其結果表明共培養(yǎng)體系比單獨培養(yǎng)體系具有更好的去污效率，TN和TP的去除效率分別超過90%和50%。K. P. PAPADOPOULOS等〔28〕利用藍藻Leptolyngbyasp.構建了藻菌共生系統(tǒng)來處理啤酒釀造廢水。COD、TN、TP分別由2272、100.18、4.93 mg/L降低到108、10.04、1.35 mg/L，COD、TN、TP去除率分別達到95%、90%、72%。除細菌外，酵母菌也常用于構建共生體系，以期實現(xiàn)強化廢水凈化和油脂生產的目的，提高生物質的使用價值〔29-31〕。在Jiayin LING等〔29〕的研究中，酵母菌（Rhodosporidium toruloides）和小球藻（Chlorella pyrenoidosa）被用于處理1∶1混合的市政廢水和米酒釀造廢水。酵母菌和微藻共培養(yǎng)方式可以提升非無菌條件下的廢水凈化效率和油脂產率。COD、TN和TP的去除率分別達到（95.34±0.07）%、（51.18±2.17）%和（89.29±4.91）%，同時油脂產量也達到（4.60±0.36） g/L。但是也有研究表明酵母菌和微藻的共培養(yǎng)體系不能直接適用于釀酒廢水處理過程。在C. DIAS等〔30-32〕的研究中，啤酒釀造廢水不能直接用于酵母菌（Rhodosporidium toruloides）和微藻（Tetradesmus obliquus）的共培養(yǎng)，需要補充額外的營養(yǎng)物（如甘蔗、糖蜜和尿素等）來支持它們的生長代謝。另外，由于特殊的種群特性，不同微藻之間也可以形成共生體系。Xiaoxuan HAN等〔33〕研究了3種微藻（Scenedesmussp. 33、Chlorella sorokinianaUTEX1602和Chlorellasp. L166）之間的共培養(yǎng)體系對啤酒廠釀造廢水的處理，實驗結果表明，將Scenedesmussp. 336和Chlorella sorokinianaUTEX1602按1∶1混合培養(yǎng)時，并按0.1 m3/（m3·min）的通氣比補加含15%二氧化碳的氣體，可獲得最優(yōu)的結果。生物質產量達到796.89 mg/L，二氧化碳固定率為32.09 mg/（L·d），NH3-N、TN、TP和COD的最大去除率分別為96.22%、90.57%、97.37%和78.83%，實現(xiàn)廢水處理、二氧化碳固定以及生物質積累多重目標。小球藻和螺旋藻之間形成的共培養(yǎng)體系也具有較好的廢水處理效果。研究人員利用Chlorella vulgaris和Arthrospira platensis共培養(yǎng)體系處理葡萄酒釀造廢水，廢水中超過90%的COD和50%的酚類物質都可以被去除〔34-35〕。

4 微藻處理釀酒廢水過程中的影響因素

在利用微藻處理釀酒廢水的過程中，許多因素都會影響微藻體系的凈化效率，這些因素大致可以分為3類：內在因素、環(huán)境因素和操作因素。

4.1 內在因素

內在因素通常是指釀酒廢水處理所使用微藻的特性。用于處理釀酒廢水的微藻必須具有多種特性。其必要特性是生長速度快，既能適應高營養(yǎng)濃度，又能在較低的營養(yǎng)物濃度下生長。此外，優(yōu)秀的藻種還應該對環(huán)境因素具有較高的耐受性，對其他微生物具有較高的抵抗能力，以及具有生物質容易分離的特性〔21〕。如果考慮利用發(fā)電廠廢氣作為微藻的補充碳源，將二氧化碳固定與廢水處理工藝耦合，所選用的藻種則需要具有高濃度二氧化碳的耐受性〔36〕。但至今研究人員并未篩選到可以擁有上述全部特性的藻種。所以藻種的篩選以及基因工程的改造仍然是該領域的研究熱點。表3中列出了目前為止應用于釀酒廢水處理的常見藻種，其中柵藻Scenedesmus和小球藻Chlorella是目前在釀酒廢水處理工藝中研究最多的藻種，主要因為它們對廢水中的污染物具有較高的耐受性〔3〕。

表3 用于釀酒廢水處理的各種微藻匯總Table 3 Summary of various microalgae used for the treatment of brewery wastewater

由于開放池成本低，利用微藻處理廢水通常在開放池中進行，因此微藻不可避免地會與其他微生物接觸。所以另一個顯著影響微藻系統(tǒng)去污性能的內在因素就是微藻與微生物之間的相互作用〔37〕。一方面，微藻會被一些浮游生物捕食，這會破壞甚至摧毀微藻處理體系〔21〕；另一方面，細菌和真菌也會影響微藻對釀酒廢水的去污效果。這種影響各有利弊，其優(yōu)點在于細菌和真菌可以通過物質交換和信號傳導與微藻形成共生關系，強化微藻體系的去污能力。而其缺點也很明顯，細菌和真菌會與微藻競爭水體中的營養(yǎng)物，限制了微藻的生長代謝，降低了其去污效果〔38〕。因此，細菌和真菌與微藻之間的關系相對復雜，需要更多的研究來明確之間的影響，以便實現(xiàn)過程調控。

4.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素主要包括pH、溫度、光照、二氧化碳濃度、N/P等，這些因素都會顯著影響微藻在釀酒廢水處理過程中的去污效率和生物質產量。

微藻是光合自養(yǎng)的微生物，所以光照是影響微藻生物質積累和去污能力的重要因素。光照對微藻的影響主要表現(xiàn)在3個方面：光譜、光強以及光照周期。眾所周知，光合作用系統(tǒng)在藍光和紅光條件下光合效率最高，所以當光譜范圍為400 nm（藍光）和600～700 nm（紅光）時，微藻對廢水中的氮磷元素具有較高的去除能力〔37-38〕。T. H. KIM等〔65〕研究了不同顏色光照對柵藻（Scenedesmussp.）在廢水中去污能力的影響。結果表明藍光比白光具有更高的除磷效果，紅藍混合光不僅可以提高去污效率，而且可以提高生物質產量。光強對微藻的影響則可以分兩種情況討論，當光照強度低于光飽和點時，隨著光照強度的增加，微藻的光合效率增強，去污能力隨之增強。相反地，當光照強度超過光飽和點時，強光會損害微藻的光合系統(tǒng)，進而降低了微藻的去污能力〔66〕。蕭銘明等〔61〕的研究結果表明，隨著光照強度的增加，微藻對酒精廢水的凈化效率先增加后降低，該結論正好驗證了上述觀點。不同微藻擁有不同的光飽和點，所以適應其生長的最佳光照條件存在差異，例如小球藻（Chlorella）的最佳光照為42～200 μmol/（m2·s），柵藻（Scenedesmus）為106～350 μmol/（m2·s），杜氏鹽藻（Dunaliella）為80～160 μmol/（m2·s），布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）約為200 μmol/（m2·s），螺旋藻（Spirulina）約為166 μmol/（m2·s），雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）為80～120 μmol/（m2·s）〔67-68〕。由于光合作用具有光反應和暗反應兩個階段，因此微藻生長過程中并不需要一直維持光照條件。研究人員證明不同的光照周期同樣會影響微藻對廢水的處理效果。在T. M. MATA等〔42〕的研究中，Scenedesmus obliquus被用于處理啤酒釀造廢水，研究了不同的光照強度（4500、12000 Lux）和光照周期（12/12、24/0 h，光/暗）的影響。其結果表明，在12000 Lux〔約215μmol/（m2·s）〕和12/12 h的條件下，可以獲得較高的生物量（0.9 g/L）和較好的去除效率（COD 7.5%，TN 20.8%）。

溫度可以通過改變微藻細胞內酶的活性來影響釀酒廢水處理系統(tǒng)中微藻的生長，從而影響污染物的去除效率。大多數(shù)微藻生長的最適溫度在15～30 ℃之間，但是不同的微藻對溫度的耐受性不同。例如小球藻和柵藻可以在5～42.5 ℃生長，其最佳生長溫度為15～37.5 ℃〔69〕。蕭銘明等〔61〕考察了不同溫度（20、25、30、35、40 ℃）對鈍頂螺旋藻在酒精廢水中去污效率的影響，TN和TP的去除率隨溫度的上升呈先上升后降低的趨勢，30 ℃時去污效率最高。40 ℃時藻細胞死亡解體反而造成了廢水中TN和TP濃度的增加。K. P. PAPADOPOULOS等〔28〕在利用藍藻與細菌共培養(yǎng)體系處理啤酒釀造廢水時，考察了不同溫度（23、28、33 ℃）對去污效率的影響。研究結果表明，28 ℃是最適宜微藻生長和污染物去除的溫度，COD、NO3--N、TP、NH4+-N的去除率分別達到90%、80%、70%、90%。

pH是影響微藻系統(tǒng)對釀酒廢水處理效果的另一個環(huán)境因素。由于微藻在處理廢水的過程中會消耗水中的二氧化碳，廢水的pH會逐漸上升。通過向廢水中通入二氧化碳氣體，廢水的pH可以維持在8以下。通常適宜微藻生長的pH在7～9之間，過高和過低的pH都不利于微藻的生長〔70〕。同時，pH也會影響廢水中營養(yǎng)元素的存在形式，如果pH過高，廢水中NH4+-N形式的氮元素會轉化為NH3揮發(fā)，同時，PO43-會與Mg2+、Ca2+等形成沉淀，這也會影響微藻對氮、磷元素的吸收利用〔71〕。

二氧化碳濃度也會影響微藻處理釀酒廢水的效率。在微藻廢水處理系統(tǒng)中，二氧化碳的來源主要是細菌通過呼吸作用產生，另外空氣中也含有低濃度的二氧化碳，通過曝氣也可以為微藻補充二氧化碳，進而提升微藻對釀酒廢水的去污效率〔72〕。但是空氣中低體積分數(shù)的二氧化碳（約0.03%）并不能滿足微藻的生長需求，所以為了提高微藻在處理釀酒廢水過程中的生物質產量和去污效率，額外的二氧化碳氣體被通入到廢水中。劉錦上等〔50〕研究了不同體積分數(shù)二氧化碳對微藻處理酒精廢水的影響，結果表明二氧化碳體積分數(shù)為2.5%時，螺旋藻對酒精廢水的去污效果最好。為了降低成本，工業(yè)廢氣（如發(fā)電廠煙氣和釀酒廢氣）被當做額外的二氧化碳來源補充到廢水中，研究也證明補充二氧化碳可以提升微藻對廢水的去污效果〔22，40〕。

氮、磷元素是廢水中的主要營養(yǎng)元素，可以被微藻吸收用于藻細胞增殖。根據(jù)微藻的Stumm經驗化學式（C106H263O110N16P）可知，微藻中的氮磷比（質量比，下同）為7.2∶1，但微藻中的元素比例并不是固定不變的，這取決于藻種和培養(yǎng)環(huán)境〔73〕。氮元素和磷元素都是影響微藻生長和去污能力的限制因子，有文獻表明當?shù)妆忍幱?∶1～10∶1的范圍內時，微藻在廢水處理過程中具有較強的去污能力〔73-74〕。但是釀酒廢水中的氮磷比通常為2∶1～3∶1〔11，75〕，這也意味著廢水中的磷元素超過了微藻生長的需求，在這種情況下，微藻具有吸收超量磷元素的能力，形成多磷酸鹽顆粒儲存于藻細胞內，但這也會降低磷元素的去除效率〔73〕。不同釀酒廢水的氮磷比不同，對微藻的處理工藝也會產生影響。首先要選擇合適的微藻，不同的微藻所需的氮磷元素不同，例如銅綠微囊藻在氮磷比為2時，生長最快；而蛋白核小球藻和斜生柵藻在氮磷比為6.5時，生長最好，且具有較好的氮磷去除效果〔76-77〕。其次，需要通過外添加調整廢水的氮磷比，實驗室中常通過添加硝酸鹽、銨鹽以及磷酸氫鹽等來調節(jié)廢水中的氮磷比，來提升微藻的凈化效果，但這種方式并不經濟〔75〕。因此，一些研究者將具有不同氮磷濃度的廢水進行復配，形成特定氮磷比的混合廢水，席晶晶〔78〕將高氮磷比的初沉池出水（氮磷比約為12.8）與低氮磷比的污泥濃縮池上清液（氮磷比約為2.8）進行復配，形成多個梯度的氮磷比污水，確定氮磷比為6.3時，蛋白核小球藻和斜生柵藻的生長最快，TP和TN的去除率均可達到85%以上。另外，也可以通過其他功能性細菌（如固氮菌、聚磷菌等）調節(jié)廢水氮磷比，將其與微藻共培養(yǎng)，應用于不同氮磷比的污水處理過程。

4.3 操作因素

影響微藻對釀酒廢水處理效率的操作因素主要有水力停留時間（HRT）、攪拌等。

HRT是指連續(xù)處理模式下廢水在處理池中停留的平均時間。在微藻處理釀酒廢水過程中，HRT決定了污染物的負載率以及微藻生物質的停留時間〔21〕。較短的HRT可以增大廢水處理量，但是會降低污染物的去除率。E. SPENNATI等〔34〕在利用Chlorella vulgaris和Arthrospira platensisin共培養(yǎng)處理葡萄酒釀造廢水時，考察了不同HRT（4.6、2.0、1.4 d）對COD去除效果的影響，結果顯示長的HRT（4.6 d）會獲得更好的污染物去除率，COD去除率達到90%。但過長的HRT也有可能會降低廢水處理效率，在A. FERREIRA等〔40〕利用Scenedesmus obliquus處理啤酒釀造廢水的研究中，考察了更大范圍HRT（2.1～10.4 d）的影響，結果表明，在補充10%二氧化碳的條件下，3.5 d的HRT可以獲得最佳的污染物去除效率，NH4+-N、TN、TP、COD的去除率分別為91%、89%、22%、62%。

適當?shù)臄嚢杩梢詾槲⒃鍙U水處理系統(tǒng)提供更好的傳質和均質性，可以防止細胞沉降、光飽和抑制以及熱分層，這也有助于改善微藻生物質的積累和污染物去除性能。但是攪拌操作不能過于劇烈，劇烈的攪拌會導致剪切應力過大。這會損害微藻的新陳代謝，最終導致細胞死亡，降低微藻系統(tǒng)對污染物的去除能力〔79〕。

5 用于廢水處理的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

根據(jù)微藻培養(yǎng)液是否直接與環(huán)境接觸，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)可以分為兩類：開放式培養(yǎng)系統(tǒng)和封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)。

5.1 開放式培養(yǎng)系統(tǒng)

開放式培養(yǎng)系統(tǒng)是微藻工業(yè)化應用中最常見的大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)，具有建設和運營成本低、生產能力高、易于清洗等優(yōu)點〔7〕。微藻處理廢水的開放式系統(tǒng)存在多種形式，如水池、跑道池和圓形池。其中跑道池是最常見的開放式培養(yǎng)系統(tǒng)，被應用于多種廢水處理過程，如釀酒廢水、牛奶廠廢水以及養(yǎng)豬場廢水等〔80-82〕。跑道池處理系統(tǒng)中影響微藻生物質生長和廢水處理效率最關鍵的參數(shù)在于培養(yǎng)液的深度，一般保持在0.2～0.4 m，確保藻液能夠獲得充足的光照〔83〕。G. E. B. MONTALVO等〔82〕在巴西圣保羅建造14 m3的跑道池（12 m×3 m×0.4 m），用于Arthrospira maximaOF15處理酒糟廢水的中試試驗，戶外平均光照為1061 μmol/（m2·s），溫度在21～31 ℃之間。中試結果表明，微藻的生物量可以達到2.25 g/L，COD、TN、TP去除率分別為81%、61.7%、50%。低成本的優(yōu)點使開放池在微藻產業(yè)領域廣受歡迎，但是開放池也存在一些缺陷，如水分蒸發(fā)量大、容易被微生物污染、溫度和光照受天氣影響等。

5.2 封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)

為了彌補開放式培養(yǎng)系統(tǒng)的缺點，各種形式的封閉式光生物反應器被設計應用于微藻培養(yǎng)，如管狀、平板狀、袋狀等。封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)可以避免微生物污染、降低水分蒸發(fā)，同時可以添加溫度和光照控制裝置。這些優(yōu)點也使得封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)獲得更高的生物質產量以及污染物去除效率。但是其高昂的建設費用和操作成本阻礙了封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)的商業(yè)化應用進程〔16〕。目前，封閉式光生物反應器主要用于利用微藻生產高價值產品，僅有少數(shù)研究將其應用于廢水處理。Weidong LU等〔84〕利用封閉式光生物反應器進行小球藻（Chlorellasp.）處理奶制品廢水的實驗，分別在室內和室外進行了小規(guī)模和中試規(guī)模的實驗。室內小規(guī)模實驗溫度和光照分別控制在25 ℃和3000 Lux〔約54 μmol/（m2·s）〕，最終微藻生物質產率為260 mg/（L·d），COD、TN、TP的去除速率分別達到88.38、38.34、2.03 mg/（L·d）。室外中試實驗的溫度在14～32 ℃之間，光照在123～1418μmol/（m2·s），最終可以獲得110 mg/（L·d）的微藻生物質產率，COD、TN、TP的去除速率分別可以達到41.31、6.58、2.74 mg/（L·d）。I. S. YANG等〔85〕在利用Chlorella vulgaris和Scenedesmus obliquus處理市政生活廢水的研究中，采用了一個60 L的垂直平板光生物反應器，經過8 d的培養(yǎng)處理，廢水中超過99%的氮、磷元素都被去除。

無論是開放式還是封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)，最大限度利用光能，提升光能利用效率是光生物反應器設計的主要目標。微藻對太陽光的最大利用效率理論上為9%，但是到目前為止，室外微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的光能利用率很少超過6%〔86〕。所以設計高效光生物反應器是微藻培養(yǎng)技術大規(guī)模應用的關鍵。由于微藻培養(yǎng)時的光衰減，反應器光程是影響光生物反應器光能利用效率的關鍵。在開放式反應器中，光程更短的薄層反應器比常規(guī)跑道池具有更高的光合效率，M. D. M. MORALES-AMARAL 等〔87〕的研究表明，深度0.02 m的薄層反應器在最優(yōu)條件下可以獲得4.7%的光合效率，約為深度為0.12 m的跑道池的兩倍。在封閉式反應器中，管狀反應器是最流行的培養(yǎng)系統(tǒng)，管直徑通常在0.01～0.06 m之間〔88〕，可以通過水平、傾斜、螺旋等多種形式排列，較小的管直徑可以實現(xiàn)較大的表面積與體積比，同時，入射光會沿圓周稀釋，并聚焦到管軸心，因此管狀光反應器具有緩解光衰減作用，實現(xiàn)高光合效率。平板狀光生物反應器具有更小的光程以及更高的光照面積，被認為可以實現(xiàn)更高的光合效率。N. H. NORSKER等〔89〕比較了荷蘭的3種光生物反應器的平均光合效率以及生產力，其中平板式光生物反應器平均光合效率最高，為5%，微藻產率達到6.4 kg/m2，其次是管狀光生物反應器，平均光合效率為3%，產率為4.1 kg/m2，跑道池光合效率最低，為1.5%，產率為2.1 kg/m2。同時，該研究也表明，通過優(yōu)化操作參數(shù)，管狀以及平板狀光生物反應器的最大光合效率可以達到7%。在實際操作過程中，必須針對不同的藻種優(yōu)化各種參數(shù)，如溫度、混合、營養(yǎng)分布、二氧化碳濃度、溶解氧、管排列方式、平板方向、平板距離等來實現(xiàn)光合效率的最大化〔90〕。

6 微藻生物質的應用

微藻可用于生產多種高價值產品，如蛋白質、脂質、色素、生物燃料、動物飼料和生物肥料。利用廢水培養(yǎng)微藻被認為是一種低成本方法，是資源化利用和循環(huán)經濟模式發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。但基于食品安全的考慮，從廢水中收獲的微藻生物質通常僅被用于生產生物燃料、動物飼料和生物肥料。

6.1 生物燃料

生物燃料包括生物柴油、生物氫、生物甲烷和生物乙醇等，是一種清潔的可再生能源，可以作為化石能源的替代品，能有效緩解日益嚴重的溫室效應?；谖⒃迳a的生物燃料是第三代生物能源，與第一、二代生物燃料的原料（菜籽、大豆、麻瘋樹等）相比，微藻具有生長速度快、光合效率高、不與人爭糧、不與糧爭地等優(yōu)點，因此受到研究人員的廣泛關注〔5，7，9〕。許多研究也表明利用廢水培養(yǎng)的微藻可以用于生產生物柴油、生物氫氣、生物甲烷和生物乙醇等〔46-49，62〕。A. FERREIRA等〔40〕評估了利用啤酒釀造廢水培養(yǎng)的微藻通過微生物發(fā)酵生產生物氫氣和通過熱解生產生物油、生物炭和生物燃氣的潛力，其結果表明發(fā)酵產氫氣的產率可以達到67.1 mL/g，熱解則可以分別獲得64%、30%和6%的生物油、生物炭和生物燃氣。此外，一些藍藻（如Anabaena cylindrica、Nostoc muscorum、Spirulina platensis）和綠藻（如Chlamydomonas reinhardtii、Chlorella pyrenoidosa、Tetrasporasp.、Chlorococcum littoral）在培養(yǎng)過程中自生也會產生氫氣，因此選用這些微藻處理廢水可以直接產生氫氣〔91〕。T. MASWANNA等〔92-93〕在研究中利用Tetraspora的固定化細胞來生產氫氣，在有氧和厭氧的條件下，氫氣生產速率分別達到（182±20） nmol/（h·mg）和（1182.45±24.40）nmol/（h·mg），而且該固定化細胞還可以重復使用3～6次。

6.2 動物飼料

由于微藻中蛋白質、維生素、不飽和脂肪酸等營養(yǎng)成分含量高，所以微藻生物質可以用于飼養(yǎng)動物，而且具有提高動物免疫反應和抗菌抗病毒能力的功效〔94〕。C. FUENTES-GRüNEWALD等〔95〕利用厭氧消化的廢水培養(yǎng)微藻，收獲的微藻中蛋白質質量分數(shù)超過45%，非常適合用作動物飼料。而B. W. B. HOLMAN等〔96〕的研究結果也表明，給小羊羔額外補充螺旋藻可以促進小羊羔的生長，其體重和體型均超過對照組。但值得注意的是，微藻處理廢水時可能會吸收一些有害物質，因此需要進一步評估飼料對動物的安全性〔7〕。

6.3 生物肥料

過量施用化肥不僅會降低土壤肥力，還會造成地下水污染。而生物肥料對生態(tài)系統(tǒng)沒有不利影響，因此鼓勵在農業(yè)中大量使用生物肥料〔5〕。微藻是一種潛在的生物肥料，具有固氮、提高磷利用率、改善土壤物理性狀、促進植物生長等諸多優(yōu)點〔97〕。E. NAVARRO-LóPEZ等〔39〕利用啤酒釀造廢水培養(yǎng)柵藻（Scenedesmus obliquus），并評價了柵藻用作植物刺激因子的潛力。結果顯示，0.1 g/L的微藻生物質可以使豆瓣菜種子的發(fā)芽指數(shù)提高40%。而且其微藻細胞提取物具有與生長素和細胞分裂素相似的活性，用于綠豆和黃瓜的效果甚至優(yōu)于商業(yè)的生長素和細胞分裂素。A. FERREIRA等〔41〕的研究也證明微藻可以提高大麥和小麥種子的發(fā)芽指數(shù)。G. K.SHARMA等〔10〕在研究中利用小球藻（Chlorella minutissima）處理廢水，收獲的微藻當作肥料施加于菠菜和玉米。結果表明，與化學肥料相比，微藻肥料可以產生更好的經濟效益。該研究還進一步探究了微藻對土壤性狀的影響，結果表明施用微藻的土壤具有更高的土壤微生物活性。脲酶、硝酸還原酶、脫氫酶等土壤酶均有不同程度的增強。這也說明微藻處理廢水技術與生物肥料的利用是循環(huán)經濟中減少水體富營養(yǎng)化、廢水循環(huán)利用、植物養(yǎng)分循環(huán)利用和改善土壤質量的有效措施。

7 基于微藻的釀酒廢水處理工藝的優(yōu)點和挑戰(zhàn)

基于微藻的釀酒廢水處理工藝具有多種吸引人的優(yōu)點。首先，微藻廢水處理體系可以實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。釀酒廢水中含有豐富的氮磷營養(yǎng)物質，在傳統(tǒng)的廢水處理工藝中，氮元素通過厭氧氨氧化工藝轉化為氮氣，磷元素在污泥中積累，隨著污泥的棄置而廢棄，這會造成資源浪費。而在微藻廢水處理體系中，微藻可以利用氮、磷等營養(yǎng)物質生長，將其轉化為微藻生物質，使釀酒廢水處理系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“處理過程”轉變?yōu)椤吧a過程”，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用〔98〕。其次，在釀酒廢水中用微藻處理可以避免無價值污泥的形成。傳統(tǒng)廢水處理工藝產生大量污泥，對環(huán)境造成二次污染〔9〕，而根據(jù)前文描述，微藻處理工藝收獲的微藻可以用作生物能源、生物肥料以及動物飼料。第三，微藻處理釀酒廢水能耗低。傳統(tǒng)的廢水處理工藝需要很高的能源成本，在活性污泥工藝中去除1 kg BOD大約需要1 kW·h，主要是需要通過曝氣為好氧微生物提供足夠的氧氣〔99〕。相比之下，微藻可以通過光合作用釋放氧氣，直接被好氧細菌利用。最后，微藻處理體系可以減少溫室氣體排放。在傳統(tǒng)廢水處理方式中，微生物以異養(yǎng)方式生長，釋放二氧化碳，增加了碳排放量，而微藻可以通過光合作用固定二氧化碳，減少碳排放，響應國家減碳政策，而且其固碳效率高，是普通陸生植物的10～50倍〔100〕。

雖然基于微藻處理釀酒廢水的工藝具有諸多優(yōu)點，但其工業(yè)應用仍存在一些阻礙。首先，基于釀酒廢水復雜的化學成分和物理特性，篩選適用于釀酒廢水處理的微藻物種至關重要〔5〕。前文中描述了理想藻種的各種特性，但目前并沒有文獻報道有滿足這些特性的微藻藻種，因此藻種的篩選和基因工程改造至關重要。其次，內部細胞互相遮擋是限制微藻處理廢水效率的因素之一。微藻生長速度快，細胞數(shù)量在24 h內可以實現(xiàn)翻倍，若處于對數(shù)期，細胞數(shù)量翻倍時間則可以縮短至3.5 h?？焖僭鲩L的細胞導致溶液透光率下降，底部細胞光照不足會影響處理效率〔9〕。第三，由于晝夜和季節(jié)的溫度變化，室外開放培養(yǎng)的溫度控制比較困難。而且，高溫下水分的蒸發(fā)率高，導致廢水中各種營養(yǎng)物濃度的變化，偏離微藻的適宜環(huán)境〔101〕。最后，從培養(yǎng)液中收集微藻是微藻商業(yè)化應用的主要挑戰(zhàn)。由于微藻細胞體積小、密度與水相似、表面帶負電荷以及廢水處理過程中細胞濃度低，因此收獲過程存在許多障礙〔8〕。絮凝、離心、浮選、重力沉降和過濾是常見的收獲技術。然而，這些技術存在普適性低、能耗高等缺點，所以有必要尋找操作簡單、成本低和效率高的微藻采收方法〔5〕。

8 結論與展望

隨著酒精飲料產量的逐年增長，釀酒廢水量也日益增加。釀酒廢水成分復雜、營養(yǎng)豐富，必須經處理達標后才能排放。由于現(xiàn)有常規(guī)廢水處理工藝成本高、二次污染大，所以研究人員努力探索一種生態(tài)友好且成本較低的處理方法。本綜述中，基于微藻的釀酒廢水處理方法已展示出一些成果，在釀酒廢水處理方面具有巨大潛力。微藻可有效降解釀酒廢水中的COD，利用氮、磷元素合成生物質，固定二氧化碳，生物質可作為生物燃料、動物飼料和生物肥料的原料，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。但微藻技術的應用仍存在一些瓶頸，如藻種選擇和生物質收獲等，極大地阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化進程。因此，仍需加大基于微藻處理釀酒廢水的研究，提高處理效率，以促進工業(yè)應用。未來的研究應該重點關注以下幾個方面：一是藻種的篩選與改造，獲得去污效率高、環(huán)境適應性強、容易采收的藻種；二是深入研究藻菌共生關系，利用基因組學、代謝組學等技術揭示藻菌共生體系強化去污能力的內在機理，構建穩(wěn)定高效的共生體系；三是微藻分離采收技術的研究，開發(fā)一種經濟高效的采收技術，解決微藻分離困難的問題。