微藻處理廢水的研究進展

林海龍，趙權宇，黃 和

(1.國投生物科技投資有限公司，北京 100034；2.南京工業大學 藥學院，江蘇 南京 211800)

水是人類賴以生存的重要資源。雖然超過70%的地球表面被水覆蓋，但是能為人類利用的水是非常有限的。此外，時空分布不均衡，導致現有水資源難以滿足日益增加的生產生活需要。然而，人類的生產生活卻產生大量廢水，造成環境污染等問題，危害人類健康。研究高效綠色的廢水處理工藝是環境可持續發展的迫切要求。

據《全國環境統計公報(2015)》統計，2015年全國工業廢水和城鎮生活污水排放總量已經超過700億t。以往農業廢水并未引起足夠重視，排放量統計也較為困難。2011年環保部開始公布農業源化學需氧量(COD)排放統計數據，農業源化學需氧量排放量每年均超過1 100萬t，占全國廢水化學需氧量總量的50%左右。雖然農業廢水比工業廢水處理難度低，但是總量巨大。和農村生活污水和農田尾水相比，規模化畜禽養殖廢水處理量每年超過100億t，處理難度大。因為禽畜廢水等得不到很好的處理，造成農村地下水污染，環境破壞。經濟、高效地處理農業廢水對合理利用資源，緩解用水需求和保護生態環境具有重要意義。工業廢水中重金屬、多環芳烴等有害污染物對環境有較大危害。生物污水中也含有農藥、香精和抗生素等物質，亟須進行有效處理。

隨著化石能源的耗竭以及溫室效應的日益顯著，尋找更為節能和環境友好的污水處理工藝變得更為迫切。廢水中氮磷過剩是引發水體富營養化的主要原因之一。這些氮磷是細菌、真菌和微藻可以利用的營養物質。微藻廢水處理是環境可持續的綠色工藝，探索藻菌共培養降解廢水污染物的協同代謝調控機制具有科學意義。傳統的廢水處理通過硝化和反硝化作用，把廢水中的污染物轉化成無害的化合物。雖然處理廢水中的碳、氮和磷效率很高，但是需要補充能量，營養物質也會損失。傳統的廢水處理過程非常復雜，過程控制難度大，還會造成溫室氣體排放[1]。利用微藻進行廢水處理，既能降低能耗，又能促進氮磷等營養物質的循環利用。微藻廢水處理包括藻類塘、活性藻和固定化藻等形式[2]。藻菌共生污水處理技術在20世紀50年代由Oswald等[2]率先提出，逐步發展為高效藻類塘技術，該技術通過增加攪拌等使得塘中藻類的生長得以強化，在藻類和細菌的協同作用下，有機物、氮、磷和其他污染物的去除效率得到大幅提高。相比于傳統污水處理中以細菌和原生動物為主體的活性污泥來說，藻類的蛋白質含量高，收獲后可用作動物飼料或餌料。

近年來，微藻廢水處理在農業、工業和城市廢水的處理中有了新的探索。本文中，筆者綜述微藻廢水處理中的藻種選育、藻菌共培養、藻菌絮體、過程集成、可持續開發和技術經濟評估等問題。

1 微藻在廢水處理中的應用

微藻可以處理農業、工業、城市等多個來源的廢水。這些廢水中COD、總氮(TN)、總磷(TP)、總有機碳(TOC)和重金屬等污染物的含量千差萬別，排放標準也不盡相同。為更有針對性地處理這些廢水，去除主要污染物，目前已經有了一些成功嘗試，詳見表1。

1.1 農業廢水處理

1.2 工業廢水處理

采用成熟的液體培養基可以保障微藻快速生長，但是工業廢水中的成分與傳統培養基還有很大差別。Hyu等[7]發現，如果不添加其他成分，混合微藻處理能完全清除動物糞便廢液、沼渣廢液和紡織廢水中的磷，但是氮的去除率分別僅有72.3%、16.7%和70.1%。其中，混合微藻在紡織廢水中的生長最好，但是生物量僅有0.4 g/L，這限制了微藻對氮的進一步利用。Gao等[8]研究發現，海鮮加工廢水中的TN為120 mg/L，經微藻處理45 d后可以較好去除，如果經過曝氣或稀釋，處理時間能縮短至19 d。Memon等[9]發現制糖廢水中的COD可達16 g/L，小球藻和惡臭假單胞菌能去除其中的55%；如果再加入0.08 g/L的聚丙烯酸酯多元醇，COD去除率能達到80%。Solovchenko等[10]發現酒精蒸餾廢水的COD高達20 g/L，經過預處理，將pH調控至 6～7，對之后的廢水處理至關重要。傳統的厭氧硝化廢水處理后產生大量活性污泥，需要處理。Ge等[11]在微藻培養體系中加入4種濃度的活性污泥濃縮液，處理50 d后TN、TP和COD的去除率都大于90%。需要注意的是，Ren等[12]發現，隨著活性污泥濃縮液濃度的提高，微藻油脂含量下降到10.2%。如果在實際活性污泥濃縮液中再加入1 g/L的廢甘油，生物質產率能達到0.46 g/(L·d)，油脂含量能達到27%，污染物的去除率均大于86%。但是加入甘油質量濃度大于1 g/L，微藻生物量和污染物去除率均大幅下降。如果不加甘油，COD和TP的去除沒有顯著差異，但是TN去除率降低到77.2%。Daneshvar等[13]發現藻種選擇在廢水處理中也很關鍵，同樣處理乳業廢水，柵藻能去除86.21%以上的TN和TP，海洋扁藻僅能去除44.92%的TN和42.18%的TP。除了COD、TN和TP等指標外，工業廢水還包括重金屬離子和有毒有害化學品等成分，需要多個步驟進行凈化。微藻可以作為整體工藝的一個環節，可以提高工業廢水效率。

表1 微藻處理農業、工業和城市廢水的參數和去除效果

1.3 城市廢水處理

1.4 含農藥和抗生素等的有害廢水處理

工農業廢水以及城市廢水中可能均含一些有害物質。這些物質含量不高，但是持續累積會對環境和人類健康造成危害，比如農藥、抗生素等。微藻去除廢水中有害化合物的機制包括降解或吸附。水培番茄廢水中含有多種殺蟲劑，包括甲霜靈、嘧霉胺、芬太尼、碘普利酮和三氯吡啶。雖然柵藻和小球藻均能快速去除這些殺蟲劑，但是嘧霉胺僅僅是吸附在微藻表面，而其他殺蟲劑均是被藻完全分解[19]。抗生素一般對藻類具有細胞毒性。在廢水中抗生素也會發生光解和水解。比如，Guo等[20]用小球藻、衣藻和麥可藻(Mychonastes)能在150 h后去除廢水中的頭孢類抗生素7-氨基頭孢菌素酸，除了光解和水解外，3種微藻的吸附發揮了重要作用。如果僅憑光解和水解，去除7-氨基頭孢菌素酸需要300 h。結合光降解和吸附，Norvill等[21]用高速藻類塘處理含100 μg/L四環素的城市廢水，其中四環素的去除率可達93%～99%。Hom-Diaz等[22]用室外1 200 L的光生物反應器處理包含大量藥物化合物的廢水，對抗炎藥物(布洛芬、對乙酰氨基酚、水楊酸和可待因)的去除率可達98%，對利尿劑氫氯噻嗪的去除率84%，呋塞米則能夠完全去除，抗生素類化合物(阿奇霉素、環丙沙星、氧氟沙星和紅霉素)的去除率只有48%，精神藥物氯拉西泮等的去除率在30%～57%。炔雌醇是一種激素，Cheng等[23]補充15% CO2培養小球藻PY-ZU1處理含炔雌醇的廢水220 h后，5 mg/L的炔雌醇去除率達到94%。在實驗室規模的膜生物反應器中，小球藻能去除85.6%的羥氨芐青霉素。Shi等[24]研究發現，如果小球藻處理后，再加來源于濕地沉積物或活性污泥的菌處理，羥氨芐青霉素的去除率能達到99%。廢水中的抗生素、殺蟲劑和化學殺菌劑如果含量高過微藻耐受極限，將抑制微藻生長，甚至造成微藻死亡。如果微藻能完全降解這些抗生素類物質，收獲的微藻生物質還可以開發為生物燃料[20]；如果只是吸附在藻體內[21]，可以考慮將藻熱解后利用。

2 微藻廢水處理的關鍵問題

2.1 藻種選育

廢水是一個復雜的體系，其中如果含有高濃度氨氮和其他有毒有害物質，都會形成環境壓力，影響甚至抑制藻類生長。廢水處理一般在室外進行，溫度和光照等環境條件均會在不同時間尺度上產生波動，也需要微藻能適應這些環境條件的變化。一般來說，微藻處理有害物質要經歷生物富集和生物轉化兩個步驟，前提條件是能耐受這些有害物質對藻類產生的影響。苯酚等濃度是工業廢水排放中的重要檢測指標。Cheng等[25]研究發現，每克小型黃絲藻(Tribonemaminus)能去除449.46 mg苯酚。初始苯酚質量濃度為700 mg/L時，培養6 d后，苯酚去除率80%。二嗪農(Diazinon)是典型的殺蟲劑。Kurade等[26]研究發現，如果水體中二嗪農的質量濃度只有20 mg/L， 12 d后小球藻可以脫除94%的二嗪農。但是，當水體中二嗪農的質量濃度達到40 mg/L，小球藻的生長就會受到明顯抑制，脫除率也會降低。多溴二苯醚是阻燃劑，在使用中會被釋放到水體。多個國家水體中都檢測到多溴二苯醚。Wang等[27]研究了9個藻株發現，有4個可以耐受600 μg/L的多溴二苯醚，其中1株小球藻的7 d脫除率可以達到82%～90%。同時，他們發現500～700 mg/L的苯酚會抑制小球藻生長，并且不會得到有效降解。

一般來說，廢水處理的藻株是從環境中篩選得到。清華大學胡洪營教授團隊的Zhang等[28]利用Biolog方法高效篩選可以異養的微藻，篩選得到的小球藻和柵藻可以利用20余種有機底物。這些微藻可以利用廢水中的有機底物生產生物燃料。

微藻的基因工程改造還有一定難度。適應性進化可以不通過基因工程手段定向提高微藻對環境的適應能力。適應性進化的常用方法是培養微生物到達一定的指標(細胞密度、生長速率或底物消耗等)后進行傳代培養，不斷重復這個過程直至代謝表型不再變化。目前已經有應用適應進化手段強化微藻代謝表型的研究。例如，Wang等[27]研究發現，適應進化后的小球藻不但能夠耐受500～700 mg/L的苯酚，在第7天時，500 mg/L的苯酚可以完全降解，700 mg/L的苯酚也能降解到100 mg/L左右。微藻適應性進化的機制可以通過組學數據等加以分析。如何提高進化效率是關鍵技術問題之一。

2.2 藻菌共培養

藻菌共培養進行廢水處理是目前的研究熱點。除了藻菌選擇，合理安排工藝路線，設置工藝參數也是非常關鍵的，包括水力停留時間、光照循環、通氣速率、稀釋倍率和固定化等。Posadas等[29]考察了藻菌生物膜反應器和普通細菌生物膜反應器處理城市廢水的能力。藻菌生物膜反應器對碳、氮和磷的去除率分別達到91%、70%和85%。碳去除率比普通細菌生物膜反應器高1倍，而且普通細菌生物膜反應器不能去除磷。需要注意的是，藻菌生物膜反應器的水足跡有0.5～6.7 L/(m2·d)，比普通細菌生物膜反應器要高。在厭氧發酵-微藻廢水處理的兩段法工藝中，如果微藻廢水處理后的生物質循環到第一段，可以顯著提高藻絮體的含量，那么第二段廢水的排除液體中總懸浮固體顆粒的含量降低，能滿足歐盟的排放標準[30]。如果停留時間是2 d，TOC、無機碳和TN的去除率分別可達86%～90%、57%～98%和68%～79%。

光暗循環也是微藻廢水處理中的重要參數。同樣處理城市污水，Lee等[32]比較了12 h∶ 12 h光暗循環、12 h∶ 60 h 光暗循環以及12 h∶ 60 h 光暗循環-12 h∶ 12 h光暗循環兩段法這3種工藝，兩段法的微藻生物量產率和油脂產率均最高，分別為282.6和71.4 mg/(L·d)，COD、TN和TP的去除率分別為92.3%、95.8%和98.1%。

合理構建藻-菌的互利共生關系至關重要。受菌種、藻種和環境因素影響，藻-菌之間可能存在互利共生或者競爭關系。微藻消耗一部分小分子有機物，固碳釋放O2。釋放的O2有利于好氧菌代謝，釋放的小分子有機物和CO2可以被微藻利用。微藻排放的抑菌物質和對培養基pH的影響可能都會對細菌不利。微藻分泌的胞外多糖等可以促進細菌等生長。部分細菌也會產生能促進微藻代謝生長的促進因子。隨著污水中可生化降解有機物增加，微生物大量繁殖，有些細菌代謝產物大量累積對微藻也是不利的。藻和菌的接種密度是構建藻菌體系的關鍵參數[43]。目前建立的藻菌共生組合包括微藻-細菌共培養、微藻-真菌共培養和多藻多菌共培養等[44]。在富含營養的廢水中，藻菌的共生關系比較脆弱。為強化藻菌共培養的穩定性，強化采收的效率，已經建立了一些固定化和生物膜的藻菌共培養系統[45]，并用于生活污水、工業廢水和市政廢水的處理。

表2 藻菌絮體處理廢水實例

2.3 藻菌絮體

微藻廢水處理的50%的成本都集中在微藻采收階段。由于光生物反應器中微藻密度低，離心法采收微藻，能量損耗大。如果添加絮凝劑或者固定[46-47]進行微藻采收，還需要二次處理，也可能影響微藻的進一步應用。部分真菌可以輔助藻類絮凝。在自然環境中，一些微型綠藻能夠和藍藻、真菌和細菌等形成絮狀結構。建立藻菌絮體(microalgal bacterial flocs,MaB-flocs)，充分發揮微藻和細菌等的優勢，再加上其具有采收方便的特點，是非常有潛力的廢水處理方法。藻菌絮體處理工業、農業廢水中都取得了一定效果，并在室外12 m3的跑道池中也進行了中試[48-51]。目前，藻菌絮體多是從自然界獲得，如何在實驗室有效構建藻菌絮體還有待研究。藻菌絮體中藻類并非單一藻種，這些微藻在實際應用中能否維持穩定的群落結構也不能夠確定。表2中，筆者比較文獻報道的藻菌絮體處理廢水中的情況，TN去除率19.7%～76.5%，廢水處理效果需要進一步強化。

2.4 工藝集成與光生物反應器選擇

廢水的成分非常復雜，單一工藝往往不能滿足處理需要。對微藻廢水處理來說，光生物反應器的選擇也非常重要。微藻能夠處理的廢水中COD不能太高，同時長時間培養微藻可能產生新的有機物，使得廢水中的COD又再度升高[52]。要想獲得處理廢水的最佳效果，需要在工藝上進行集成，選擇合適的反應器也是關鍵的技術問題[53]。一種是分為兩段，分別通過微藻和活性污泥進行廢水處理。Ren等[54]提出兩段法處理高強度有機廢水，第一段用哈爾濱產乙醇桿菌暗發酵產H2，發酵產物主要是乙酸；再在第二段中用柵藻進行異養培養處理含乙酸廢水，生物量達到1.98 g/L，油脂含量達到40.9%，能源轉化效率從單段的18.6%提高到37.4%，COD去除率提高了131%。多數研究是將微藻和活性污泥共培養進行廢水處理[55-56]，當然有些需要先經過活性污泥的預處理[57]。

為了減少廢水中污染物對微藻的負面影響，Chang等[58]提出了一種環形離子交換膜反應器。廢水經過離子交換膜后進入藻類培養反應器，再處理營養過剩廢水、高濁度廢水和重金屬離子廢水。微藻的生物量可以分別從傳統光生物反應器的2.34、2.15和0 g/L，提高到4.24、3.13和2.04 g/L[58]。藻類生物膜反應器的突出特點是微藻采收容易[59-60]。生物膜中的生物包括藍藻、綠藻、硅藻、細菌和真菌等，不同的生物膜，處理性能也有很大差異[61]。生物膜中的微藻是兼養培養，充分發揮微藻的作用，有利于廢水處理[62]。在活性污泥處理和微藻處理之后再加1個紫外消毒工藝，可以去除部分微生物，如果對水中微生物有特殊要求可以嘗試[63]。Ma等[64]提出了1種新穎的微藻燃料電池處理稀釋的廢水，以有生物膜的不銹鋼網作為陰極和過濾材料，生物量能達到3.5～6.5 g/L，輸出電流密度可以達到200 mA/m2。Zhang等[65-66]在跑道池中豎立平板式光生物反應器，構建立體藻類生物膜反應器，可以提高藻類生物量和污染物去除率，降低生產成本。光生物反應器的設計還需要提高光能利用效率，降低生產成本，滿足大規模微藻培養的需要。

2.5 廢水中營養物質的調整

2.6 可持續綜合開發

微藻廢水處理過程的固定投資和運行成本較高，為了提高其技術經濟性，有必要進行綜合開發，提高技術的可持續性(圖1)。

圖1 活性污泥法-藻菌絮體過程集成廢水處理Fig.1 Integrated process of activated sludge-microalgalbacterial flocs for wastewater treatment

2.7 技術經濟分析和風險評估

隨著技術的發展，微藻廢水處理過程中的技術瓶頸也在變化中。根據不同工藝進行技術經濟性分析有助于綜合評估工藝的優缺點。Mata等[80]分析了微藻處理啤酒廠廢水并制備生物柴油的技術經濟性，結果表明，微藻收獲和油脂分離是主要的技術瓶頸。Sfez等[81]對藻菌絮體處理水產養殖廢水在中試規模(28 m2)和假定的工業規模(41個池子，每個池面積245 m2)做了全生命周期分析。在工業規模，將藻菌絮體開發成蝦餌料比生產沼氣更具經濟性，但是能耗還需要進一步降低。藻菌絮體處理每噸水產養殖廢水和食品工業廢水的成本在0.25～0.5歐元，投資成本與跑道池混合處理工藝相比仍比較昂貴。綜合評價藻菌絮體廢水處理后開發成肥料、蝦餌料、藻膽蛋白和沼氣的經濟性[82]，開發成餌料經濟性較好，但是最有潛力的是生產藻膽蛋白。Diaz-Garduno等[83]對西班牙廢水中的53種有害化合物進行了包括微藻廢水處理技術在內的不同過程的評估。吐納麝香、麝香草胺和氧氟沙星作為香精和抗生素中的代表，很難降解，需要給予關注。微藻處理這些環境風險化合物時具有很強的種屬特異性，在可行性實驗中就需要篩選對這些物質能更高效去除的藻類。

雖然20世紀50年代末就提出了微藻廢水處理，但是至今還沒有工業化的大規模應用。除了廢水處理的效率外，系統的穩定性(魯棒性)也是關鍵問題。高效采收微藻可以降低生產成本，提高綜合利用效率，能夠進一步提高技術的經濟性。為完成廢水處理任務，需要一定的微藻生物量，按照目前常規的微藻產率，需要大面積的土地用于放置光生物反應器。在很多區域，土地成本很高，從這個角度來看，微藻廢水處理的技術經濟性不被認可。此外，即使微藻廢水處理能取得不錯的效果，但可能的環境風險也需要詳盡評估。雖然香精和抗生素的濃度不高，但是需要處理的廢水量大，持續累積仍然會對環境造成危害[84]。

3 總結與展望

微藻廢水處理還需要重點發展高效低耗的高強度生活污水、農業養殖廢水和典型工業廢水的生態治理技術，通過藻-菌共生促進富含碳、氮、磷、硫及重金屬等污染物的防治與資源化利用，探索藻-菌共培養體系內碳、氮、磷、硫、重金屬等污染物的富集或降解機制以及協同降解機制，構筑生態化廢水處理新方法，降低停留時間，提高廢水處理效率，實現系統內的自維持與自更新。

微藻廢水處理是有潛力的綠色技術。需要針對不同廢水的處理需求，選擇合適的藻種(及菌種)和工藝，進一步提高廢水處理效率。目前，多數研究還停留在實驗室階段，需要更多中試規模以上的實驗數據，發現新的技術瓶頸；需要從污染物處理效率、過程能量需求和經濟性等多方面考察新的微藻廢水處理工藝，重視基于微藻的產品開發，提出可持續開發路線，推動微藻廢水處理的更廣泛應用。