王桂泉

（長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙 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來遏制住全球氣候變暖的大趨勢。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)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。基于此，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。可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)式微藻培養(yǎng)，操作簡單、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、微藻生長速率最高，但是成本高、運(yùn)營復(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，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，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的因素之一。氮磷比被證明不僅影響微藻生長代謝，而且決定了優(yōu)勢藻種的歸屬。此外，微藻生長繁殖和細(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。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。