微藻用于廢水處理應用的研究進展

申婷++胡蕾+冉煒++李君榮

摘 要： 微藻在生產各種生物質的同時也具有環境清潔的功能，因為微藻的生長可以處理廢水和廢氣，利用微藻可以有效的去除廢水中的氮、磷、重金屬元素等物質，廢水中的營養成分組成會顯著的影響微藻的生長和微藻生物質的產量。該文綜述了微藻在養豬場廢水處理方面的應用，具體應用領域包括微藻的環境清潔功能、用于微藻培養的廢水等。

關鍵詞：微藻；環境清潔；廢水處理

中圖分類號 X703 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）18-0016-03

聯合國糧農組織已經預測到2050年全球食品生產將會增加70%以應對不斷增長的世界人口需求，即糧食生產在2050年將達到92億t（FAO，2009）。由于農業生產占據全球70%的淡水需求，且全球30%的能源消耗與農業生產相關，因此水和能源對糧食安全的重要性顯而易見。化石能源造成了經濟影響和氣候變化等方面的沉重負擔，而諸如南北極冰帽融化、海平面升高、旱澇等惡劣天氣頻率增加（Rahmstorf等，2007）；大量溫室氣體排放導致全球氣候變暖（Fell，2012）等負面氣候變化已經比設想的來得更快，因此全球社會迫切需求從化石能源到可持續可再生能源的轉變。近50a來，大量的科學研究已經探索了不同微藻的生長屬性和大規模生產技術，而相當一部分已成功應用于清潔能源和食品提供。近期的研究則主要集中于微藻生物質相關的電力、水和食物生產等的商業化能源應用：（1）利用包括克隆技術在內的創新生物技術方法優選和開發適合生物質生產的藻種資源；（2）優化提高微藻生長效率和生物質采收技術的改進；（3）提高微藻的廢水處理能力；（4）提高微藻生物質油脂含量、提升油脂萃取技術、改進油脂能源的利用效率。

1 微藻環境清潔功能的應用

微藻在生產各種生物質的同時也具有環境清潔的功能，因為微藻的生長可以處理廢水和廢氣，這使得整個循環利用過程更具環境可持續性和經濟性。近年來二氧化碳生物固定過程越來越受到社會的關注，特別是大量的二氧化碳從發電廠和工廠中被排放到自然環境中。因此，微藻對于工業化廢氣的處理再利用提供了一種較為可靠的解決溫室氣體排放的策略和方法。微藻固定的二氧化碳分為以下幾個來源：（1）大氣中的二氧化碳；（2）工業排放廢氣中的二氧化碳（如天然氣燃燒等）；（3）以可溶性碳酸鹽形態存在的二氧化碳（如NaHCO3和Na2CO3）。綠球藻可以耐受高達40%的二氧化碳濃度，斜生柵藻和螺旋藻在30℃生長條件下也具備較強的二氧化碳固定能力：斜生柵藻每天最高生長速率和產量分別達到0.22g/L和0.14g/L；螺旋藻在二氧化碳濃度為6%～12%的條件下每天最高產量可達到3.5g干細胞/L（De Morais等，2007）。月牙藻在培養基中能較高效率的同時利用碳酸氫鈉鹽和二氧化碳氣體作為碳源，微藻具有較高的胞外碳酸脫水酶活性，使得碳酸鹽轉化為游離的二氧化碳并促進二氧化碳同化（Emma等，2000）。

Oswald和Gotaas在1950年首次開展利用微藻作為廢水修復劑的研究微藻在生長過程中利用廢水中的營養成分。利用微藻處理廢水，其中一個主要的益處是微藻光合作用過程中會產生氧氣，氧氣促進有機物中需氧細菌的降解，細胞的降解過程產生的二氧化碳則反過來促進微藻的光合作用和無機營養鹽的吸收（Mona，2013）。微藻可被不同廢水處理目的，例如去除廢水中大腸桿菌、減少廢水中化學和生化氧氣的需求、去除廢水中的氮和磷、去除廢水中的重金屬等（Abdel-Raouf等，2012）。

2 用于微藻處理的廢水種類

過去20a間，國內外大量開展了利用廢水培養微藻的研究。很多研究表明，利用微藻可以有效的去除廢水中的氮、磷、重金屬元素等物質（Cabanelas等，2013）。另外，廢水中的營養成分組成會顯著的影響微藻的生長和微藻生物質的產量（Cai等，2013），表1為用于微藻培養的不同廢水來源的氮磷含量。根據來源的不同，用于微藻培養的廢水大概可以分為城市廢水、農業廢水和工業廢水等3種。廢水處理總體包括2個或3個階段：（1）沉淀或浮選固定物質的初步處理；（2）利用物理、化學和生物處理方法除去有機物質；（3）出水前的消毒和過濾過程。經污水處理廠處理后的廢水中還含有各種物質，如污泥、有機廢棄物、無機廢棄物、營養物質、毒素、病原微生物等，可利用微藻或菌藻混合生長進一步處理。

表1 可用于小球藻培養的廢水氮磷含量（mg/L）

[廢水來源 NH4+-N TN TP TN/TP 城市污水處理廠廢水 86 132 215 0.6 經預處理的城市廢水 81 84 6 14.0 城市廢水的初級沉淀出水 31 36 3 12.0 城市廢水分離液 264 290 530 0.5 10% 厭氧消化池+90%匯流排水 220 250 17 14.7 傳統的二級處理廢水 205 223 330 0.7 50%養豬場廢水 NA 148 156 0.9 奶牛場廢水 70 71 61 1.2 10%奶牛場廢水 5 12 15 0.8 消化后的牛糞廢水 112 173 13 13.3 大豆加工廠廢水 170 190 46 4.1 核黃素生產企業廢水 NA 885 120 7.4 啤酒發酵廢水 NA 90 18 5.0 ]

注：Chiu等，2015

微藻處理農業廢水的效率取決于許多的因素，其中廢水來源和污染物濃度影響最大。不同種類微藻對特定農業廢水污染物的耐受程度不同。綠藻門是微藻的最大門類之一，擁有眾多的藻種類別和地理分布。研究發現，綠藻門微藻可以處理多種不同類型農業廢水并高效去除廢水中營養元素。綠藻門中的小球藻可以高效去除廢水中不同起始濃度狀況下的氮元素和磷元素（Cai等，2013）。表1所示為可用于小球藻生長的不同廢水中的氮磷元素濃度及其離子存在形態，表2所示為在不同農業廢水中生長后的小球藻微藻生物質產量、油脂含量、及其日平均累積速度。與生活廢水相比，農業廢水具有較高的氮、磷、有機物含量，并同時以可溶性和固體形態存在于廢水中，而微藻對農業廢水中較高濃度的氮、磷、有機物等具有較高的耐受性。例如，養豬場廢水中碳氮含量高，在合適的溫度和光照下，能夠收獲較高的微藻生物質產量。然而，農業廢水中太高的氨氮含量可能會降低微藻的生長速度與微藻生物質產量。養豬場廢水中揮發性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，既可以作為微藻的碳源，又可以作為廢水pH值的調節劑。前期試驗也已經證實，利用醋酸作為微藻生長廢水的pH值調節劑，可以顯著提高小球藻在奶牛場廢水中生長速度和微藻生物質含油量（Huo等，2012）。養豬場廢水中的有機碳可為微藻提供混合營養，有利于提高廢水中微藻的生物質和脂肪產量。

表2 利用不同農業廢水培養的小球藻微藻生物質產量

[農業廢水來源 產量

（mg/L） 日增

（mg/L） 脂肪含量

（%） 脂肪產量

（mg/L） 脂肪日增

（mg/L） 50%養豬場廢水 2962 296 37.3 1105 111 奶牛廢水 1870 450 10.3 193 48 10%奶牛廢水 144 29 17.9 26 5 發酵后奶牛廢水 1710 81 13.4 233 11 豆制品廢水 2150 640 37 806 240 啤酒發酵廢水 2266 227 26.7 605 61 ]

相對于城市廢水的處理手段，農業廢水的處理方法相對較少，這可能是因為市政污水處理具有更成熟且控制良好的處理方式及完善的市政污水管道系統。農業廢水的特性使其更具有采用微藻處理的潛力，更適合于微藻生物質和油脂的生產。因此規模化畜禽養殖場和當地廢水處理場，都可作為微藻處理廢水的潛在處理對象。研究試驗已經證實，小球藻（Zofingiensis）在養豬場廢水處理過程中具有較好的廢水營養元素去除功能，并且具有較高的微藻生物質和油脂產量，其一個生長周期即10d后的微藻生物質產量達到了2.9g/L（Zhu等，2013）。研究發現，將養豬場廢水稀釋以達到較佳的營養濃度后，微藻具有更高的處理效率；另外，奶牛場廢水經高度稀釋后，用微藻處理可將含牛糞的廢水轉化為微藻高價值副產品（Wang等，2010）。

參考文獻

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（責編：徐煥斗）