微藻生物膜培養裝置的研究進展

周長仁，馮騫,2，張凱杰，羅來威，張逸，郭文，駱苗苗

(1.河海大學 環境學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

微藻生長速度快且含有豐富的營養物質，可作為各類高附加值生物產品(如生物柴油、生物飼料等)的原料[1-2]，因此其工業化培養越來越受到人們重視。懸浮培養是目前應用最廣泛的微藻培養方式，其代表性裝置為開放跑道池[3](Raceway ponds，RWP)和各種密閉的光反應器[4](Photobioreactors，PBRs)。RWP操作方便，結構簡單，運營和投資的成本低，是微藻商業化生產的主要設施[5]。但RWP存在許多不足，例如生物量生產率低、水分蒸發嚴重、極易受到污染等[6]。針對RWP的缺點，研究者開發出了各種PBRs，根據形狀可分為管狀光生物反應器、平板光生物反應器和箔狀光生物反應器[7]。PBRs對養分、光照和溫度等參數的有效控制顯著提高了微藻的生產效率；封閉的空間避免了外界環境對微藻培養液的污染和水分的大量蒸發[8]。但PBRs過高的表面積體積比導致了反應器內嚴重的光抑制和氧氣積聚；技術的復雜性又導致建設和運營成本高昂[9]。由于缺乏高效、低成本的大規模種植技術，目前以微藻為原料生產各類產品并不具備經濟可行性。

近年來，一種新的微藻培養模式——生物膜培養引起了人們的極大興趣。在這種培養模式中，微藻細胞附著在固體基質表面以生物膜的形式生長，培養裝置運行穩定性高且需水量低，在微藻生物膜生長成熟后，可直接通過機械手段刮取藻細胞，操作簡單，技術難度低，可使采收成本大幅度降低[10]。本文分類介紹了目前常見的微藻生物膜培養裝置，總結了其在微藻培養及污水處理領域的優勢，并對其未來的發展方向進行了討論。

1 藻類生物膜培養裝置

微藻生物膜培養裝置是微藻生物膜技術由理論研究邁向工業化生產所需的條件。為了使微藻生物膜培養裝置的性能達到工業化生產的要求，研究者設計了各種類型的反應器。目前常見的藻類附著培養裝置有藻萍凈水系統(Algal turf scrubber units，ATS)、旋轉光生物反應器(Revolving algal biofilm，RAB)、多孔介質光生物反應器(Porous substrate bioreactors，PSBR)以及附著-懸浮光生物反應器。

1.1 藻萍凈水系統

ATS裝置是最早出現的微藻生物膜培養裝置，這種滿液式的連續流反應器結構簡單，運行穩定，利用水泵驅動培養液在生物膜表面流過，借助水流的擾動打破氣液界面的擴散邊界層，增加CO2和養分的傳輸效率[11]。但是流經生物膜表面的水層也會導致光的散射，降低了光能利用率。

圖1 藻萍凈水系統

ATS在污水廠出水深度處理，養殖廢水處理及農業用水處理等方面應用都十分廣泛。Rupert等利用ATS處理二沉池出水，取得了35 g/(m2·d)的生物質產量[11]。Ozka等研究發現利用ATS生產1 kg 微藻生物質所需要水僅為懸浮培養的55%，且能耗降低了99.7%[12]。近年來一些研究者通過對載體的改進，顯著提高了ATS的性能。Walter等研究了平滑載體和3D載體在提高藻類產量和去除養分方面的區別[13]。實驗結果表明,在平滑的載體上的年平均生產力為15.4 g/(m2·d)，在3D載體上，產量提高到39.6 g/(m2·d)，去掉夏季高溫期，產量達到47.7 g/(m2·d)。此外使用3-D載體的ATS氮磷去除率是平坦載體的3.5倍。Zhang等使用木質纖維素材料(松木鋸末、稻殼、甘蔗渣等)作為藻類細胞附著的載體，生物質產量最高可達到10.92 g/(m2·d)[14]。收獲時不用將微藻生物質與木質纖維素分離，混合物可以直接作為生物能源生產的原料。

1.2 旋轉光生物反應器

根據旋轉生物接觸器的原理，研究者設計了見圖2的旋轉藻盤光生物反應器(Algadisk)。通過電機帶動圓盤旋轉，使藻細胞周期性地與培養液和空氣接觸，當藻細胞浸入培養液時，吸收營養基內的營養物質；當藻細胞進入空氣時，直接從空氣中吸收二氧化碳和光能[15]。這種培養方式提高了微藻在載體上的牢固性，更有利于微藻生物質的積累。

圖2 旋轉光生物反應器

基于Algadisk的原理，研究者開發了中試規模的旋轉光生物反應器，并將其與污水處理聯合，利用污水中的氮、磷等元素作為營養物來源，不但降低培養成本，也能對污水進行凈化。Logan等發明了旋轉筒式藻類生物膜反應器，利用纏繞了繩索的滾筒狀不銹鋼框架代替了旋轉藻盤光生物反應器中的圓形轉盤，微藻細胞附著在繩索上生長[16]。當生物膜達到一定厚度后利用配套的收割裝置擠壓繩子收獲藻類生物量，一定程度上實現了微藻生物膜的機械化收獲[16]。Wen等開發出了一種旋轉輥軸藻類生物膜反應器，將載體材料纏繞到兩個輥軸上，通過輥軸的轉動帶動載體轉動[17]。

1.3 多孔介質光生物反應器

PSBR反應器(圖3a)最初被用作藻類生物傳感器，但后來被廣泛應用于微藻培養[18]。

圖3 多孔介質光生物反應器

PSBR 反應器由多個豎直單元平行排列組成，每個單元由微藻附著層和多孔介質營養供給層構成。培養液在泵的驅動下在多空介質層內循環，在毛細力和重力的作用下擴散到微藻附著層，微藻源源不斷的獲得營養物質進行生長[19]。PSBR反應器的優勢在于：(1)通過各單元的豎直布置解決了培養系統占地面積的問題，大大提高了單位土地面積上微藻生物質的生產力[20]；(2)微藻生物膜直接暴露在空氣中，更有利于CO2和光照的傳遞，還可以根據光照強度調節各垂直單元之間的距離，避免光限制或光抑制現象[21]；(3)微藻生物膜不直接和培養液接觸，完全避免了水流對生物膜的沖刷作用[20]。

目前大部分的PSBR裝置營養基的循環通過泵驅動，這是除了微藻收獲外最大的能源消耗工序。研究者依據植物的蒸騰作用開發了一種新型的PSBR裝置(圖3b)，利用蒸騰力和毛細力驅動營養物質在多孔介質層的傳輸，在能源節約方面有重大意義[22]。然而，目前這種類型的PSBR反應器并不是十分完善，存在著由于營養物質傳輸不足導致微藻生物量生產力低的問題[22]。

1.4 附著-懸浮光生物反應器

根據活性污泥法中流化床和固定床的原理，一些研究者通過額外投加載體的方式對藻類懸浮培養裝置進行了強化，得到了一些懸浮與附著相結合的光生物反應器。Zhang等將珊瑚絨材料作為載體強化跑道池處理生活污水，COD、TN、TP的去除率分別可達86.61%,73.68%,89.85%，最高生物質生產力可達8.1 g/(m2·d)[23]。Zhuang等將亞麻載體投加到PBR反應器中，發現載體的加入使微藻生物量最大增加30%[24]。

適量的載體的加入并不會對反應器中懸浮生長的藻類產生光抑制，研究表明,附著-懸浮光生物反應器中懸浮生長的藻類生物量生產力與單純的懸浮培養體系差距不大，因此附著在載體上的藻類生物量可以看作微藻生物量的增量[25]。除此之外，隨著載體的加入，曝氣產生的氣泡在反應器中的停留時間大大增加，提高了二氧化碳的利用效率，這也是附著-懸浮光生物反應器生物量產率提高的原因之一[24]。

2 微藻生物膜培養裝置的優勢

微藻生物膜培養裝置可以有效避免懸浮培養裝置中諸如CO2傳質效率低，光和水利用效率低，藻細胞收獲困難等一系列問題。

2.1 CO2傳質效率高

在懸浮培養裝置中，液體培養基將微藻細胞與周圍的氣相分離，CO2必須克服氣液界面才能進入培養液中被藻類細胞利用。由于較低的傳質效率，懸浮培養裝置中培養液CO2濃度對微藻細胞的生長有顯著影響。目前大多通過曝氣或攪拌的方式為微藻生長提供充足的無機碳源，但這樣做不僅會增加生產成本，強攪拌或曝氣帶來的水流剪切力也會干擾微藻的生長。微藻生物膜培養裝置中藻細胞可以長期或間歇性的暴露在空氣中直接接觸氣態CO2，擴散路徑短，傳質效率高，有效解決了CO2供應問題[21]。研究發現在沒有CO2供應裝置的微藻生物膜培養裝置中微藻依舊可以快速生長[17]。這可能是微藻生物膜中CO2傳質效率高，即使在較低的CO2濃度水平下，微藻仍能從氣相吸收足夠的CO2作為碳源[26]。

2.2 光照利用效率高

在懸浮培養裝置中，約10%的總入射可見輻射光因為反射在水-空氣表面消散，光照利用效率不高。在微藻生物膜培養裝置中，藻細胞長期或間歇性暴露在空氣中，這部分光損失可以被微藻有效捕獲用于光合作用。其次，由于光照直接作用于藻細胞，懸浮培養中普遍存在的光穿透問題也在微藻生物膜培養裝置中得到了很大的緩解。Huang等比較了光照在不同培養體系的穿透性，隨著微藻懸浮體的面積生物量密度從0增加到10 g/m2，懸浮體的輸出光強迅速從120 μmol· m2/s下降到3 μmol· m2/s，此時10 g/m2,生物膜的輸出光強為59 μmol· m2/s[26]。當生物膜生物量密度增加到40 g/m2時，透過微藻生物膜的光強仍為6.06 μmol· m2/s，研究結果表明,光穿透生物膜比穿透微藻懸浮液更容易[26]。Tredici等也報道了類似的結果[27]。

2.3 水的利用效率高

對微藻工業化生產來說，巨大的用水量是一個難以承受的負擔。相關研究表明，在懸浮培養裝置中生產1 t微藻要消耗200 t的水[27]。但在微藻生物膜培養裝置中，僅需少量培養基流經生物膜表面即可維持微藻正常生長，這為大幅度降低藻類培養的需水量提供了可能[21]。Ozkan等研究發現，使用附著培養裝置生產1 kg的微藻需要約1 600 L的水，與開放池塘相比減少了45%[12]。Gross等在能量平衡分析的基礎上，建立了RAB系統蒸發失水模型，并進行了實驗驗證，雖然RAB的蒸發損失較高，但每單位生物量的耗水量僅為跑道池的26%[28]。

2.4 土地利用率高

相比于懸浮培養裝置，微藻生物膜培養裝置獨特的幾何結構會大幅度提高土地利用率。在懸浮培養裝置中，因為光的穿透限制，水的深度有限，垂直方向的空間難以有效利用。微藻生物膜培養裝置多采用平行豎直布置，單位土地面積上的生物培養面積遠超過懸浮培養裝置，顯著提高了土地的空間利用效率[29]。這意味著在相同面積的土地上微藻生物膜培養裝置擁有更高的生物量生產力和廢水處理能力。Liu等研究發現，以生物膜形式培養的微藻單位面積生產力能達到50～80 g/(m2·d)，是生物量生產力懸浮培養的4～7倍，這在土地緊張的地區意義重大[21]。

藻類被廣泛認為可以有效去除生活污水中的營養物質，然而城市有限且昂貴的土地限制了藻類懸浮培養裝置在污水處理中的應用。微藻生物膜培養裝置較高的土地利用效率為藻類在污水處理領域的實際應用提供了可能。

2.5 微藻收集方便

懸浮培養裝置中藻細胞密度非常低，RWP中藻類細胞濃度僅為0.5 g/L(藻類干重0.05%或含水量99.95%)，PBRs中約為 2～6 g/L(藻類干重0.2%～0.6%或含水量99.4%～99.8%)[30]。此外藻細胞密度與水相近，尺寸僅微米大小(2～30 μm)[31]。這導致從懸浮培養系統中收獲藻類是一件非常困難的事情。目前常用的絮凝沉降-離心工藝需消耗大量的能量和時間才能收獲藻類[32]。最近一項關于微藻生產生物燃料的技術經濟研究報告表明，從懸浮培養基中收獲藻細胞的花費占總成本的 20%～30%[30]。除此之外，有研究表明化學絮凝劑的大量使用還會對藻細胞和環境造成破壞。

為了降低成本，研究者又開發了基于藻類-細菌、藻類-真菌或藻類-藻類相互作用的生物絮凝技術[33]。這種方法可以高效且節能的捕獲懸浮藻細胞，而且一般不會造成二次污染。但生物絮凝同樣存在不足之處，如果使用細菌或真菌促進藻類絮凝，在收獲的藻類中往往會含有一定數量的細菌或真菌，目前的技術水平無法將細菌或真菌和藻類有效分離，收獲的藻類僅能用來生產生物燃料，無法用來生產各種高附加值的生物產品[34]。藻類-藻類生物絮凝不需要對收獲的藻細胞進行分離處理，但具有自絮凝能力的微藻種類和數量并不是很多，往往需要對非絮凝藻株進行基因工程改造，這又對生態安全造成了潛在威脅[35]。

在微藻生物膜培養裝置中，微藻附著在材料表面以生物膜的形式生長，天然地與培養基分離，可以通過機械刮取的方式收獲，不需要離心等高能耗過程。研究表明，刮取收獲的生物質中藻細胞含量約為10%～20%，與懸浮培養絮凝-離心步驟處理后的藻液濃度相近，完全可以滿足下游處理的需要[17]。

3 微藻生物膜培養裝置在水處理領域的應用

Pittman等回顧了藻類生物燃料生產的潛力，認為基于目前的技術，不使用廢水的藻類養殖不具有經濟可行性[36]。Lundquist等分析了藻類廢水處理與生物燃料生產的幾種不同案例，認為只有使用廢水作為培養基才能生產具有成本競爭力的生物燃料[37]。因此微藻生物膜技術在水處理領域的應用前景受到人們的廣泛關注，相關研究結果表明，在水處理領域微藻生物膜技術比懸浮培養更具潛力，具體表現在以下幾方面。

(1)微藻生物膜培養裝置避免了懸浮培養中普遍存在的沖刷問題。微藻基于同化作用吸收廢水中的營養物質，因此反應器中微藻生物量是影響廢水處理效率的關鍵因素。廢水中氮磷的濃度遠低于BG11等培養基中氮磷的濃度，因此需要高供給流量才能維持微藻的生長，但這也會導致嚴重的沖刷問題，不利于維持反應器中高生物量和出水水質。在微藻生物膜培養裝置中，微藻附著在載體上生長，可以有效地避免沖刷問題，藻類生物量生產力和養分去除效率顯著提高[38]。

(2)微藻生物膜培養裝置對污染物的去除效果更強。微藻胞外聚合物為微藻類提供了大量官能團和結合位點，這些官能團及結合位點可以通過靜電作用或絡合作用與污染物相結合，提高了微藻對污染物具有良好的去除效果[39]。研究表明，微藻胞外聚合物含量越高，微藻對污染物的去除效果越強[40]。微藻生物膜系統胞外聚合物的含量遠遠高于懸浮體系，因此對污染物的去除效果遠遠超過懸浮藻類。王愛麗等研究了不同生長模式下銅綠微囊藻球對合成污水中污染物的去除，經過5 d的處理，生物膜中銅綠微囊藻對合成污水中P的去除率為69.19%，N的去除率達到了92.92%，而懸浮生長的銅綠微囊藻的去除效果相對差很多,P和N的去除率分別只達到了26.77%和36.54%[38]。

微藻生物膜培養裝置在處理工業廢水時更具優勢。黃國蘭等研究了蛋白核小球藻對染料深棕NM的去除效果，兩天內小球藻生物膜對染料的去除率可達80.5%，而懸浮小球藻僅為18.5%[41](黃國蘭，孫紅文，宋志慧，等,2000)[40]。Travieso等研究了微藻生物膜對合成廢水中鈷(3 mg/L)的去除效果，10 d后鈷的去除率高達94.5%[42]。Orandi等研究了絲狀藻生物膜對酸性礦山廢水中多種重金屬的去除，結果表明，銅、鎳的最大去除率可達初始濃度的50%，錳和鋅的最大去除率分別達到40%和45%[43]。

(3)微藻生物膜培養裝置耐沖擊負荷強。微藻生物膜培養裝置中的微藻及其他微生物聚集成群以生物膜的形式生長，在局部構成了穩定的微環境，對pH、溫度、濁度、毒性沖擊等的抵抗力遠遠超過懸浮培養裝置[44]。即使在極端脅迫下部分微生物消失，其余的微生物仍然能夠存活，從而保證了微藻生物膜在極端環境下的生長。此外，微藻生物膜豐富的胞外聚合物也能夠緩解極端環境對微藻細胞的破壞。Orandi等研究發現，即使在重金屬濃度極高的礦山廢水中，以藍細菌和綠藻為主要物種的生物膜依舊能夠存活，并且可以有效吸附廢水中的重金屬[43]。

由于設計原理不同，各種微藻生物膜培養裝置適用于不同種類的污水，表1詳細介紹了微藻生物膜培養裝置在水處理領域的表現。

表1 微藻生物膜培養裝置在水處理領域的應用情況

4 結論與展望

具有良好性能的微藻生物膜培養裝置是微藻工業化生產的必備條件，截止到目前為止已經有很多學者進行了相關研究且取得了頗多的成果，但關于微藻生物膜培養裝置的研究還存在一定的局現性，有待進一步的研究。

(1)在已報道的微藻附著培養裝置中，絕大多數仍處于實驗室規模，中試規模的系統到目前為止也非常有限，只有ATS系統得到了商業化應用，到目前為止還無法進行可靠的成本分析。在今后的研究中應著眼于將微藻生物膜培養裝置應用于工業化規模的生產環境。

(2)目前研究中涉及的各種微藻生物膜培養裝置在接種和采收時大量使用人工，僅少部分研究對附著培養的機械自動化操作進行了討論。在未來更大規模的微藻生物膜培養裝置中，自動化機械的引入是必然趨勢，關于這方面的研究亟待加強。

(3)微藻生物膜培養裝置中，載體材料的性能對微藻生物膜的微藻的產量和成本決定性作用。具有高表面能的材料(紙、棉制品等)由于良好的附著性能被廣泛地應用在各類附著培養裝置上，但這些材料耐久性很差，需要進行頻繁的更換，不利于藻類商業化生產。未來規模化的附著培養體系中急需一種兼具良好附著性和耐久性的載體材料。