碳中和背景下微藻資源化技術處理廢水的應用進展與展望

王桂泉

（長沙理工大學水利與環境工程學院，湖南 長沙 410000）

自從工業化以來，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現碳中和的關鍵一環。關鍵[2]，傳統廢水處理方法不僅浪費氮磷和電能[3]，還沒有實現資源回收，并常常伴隨著二次污染[4]。因此，傳統廢水處理法不符合碳中和的概念。

污水生態處理技術可以利用生態處理技術使資源化產品產出高，產品附加值高[5]。微藻作為一種單細胞光合作用微生物，具有光合效率高、生長周期短、環境適力強、產油脂量高等特點[6]。目前微藻廢水處理技術已經在國內外廣泛應用。基于此，微藻在廢水處理領域已逐漸成為水質凈化、環境整治、資源回收的研究熱點[2]。

本綜述在實現碳中和的背景下，從微藻培養工藝中藻種種類、光生物反應器的特性，基于光、二氧化碳、菌藻共生體系的微藻強化技術，營養物質、環境因子等對微藻培養的影響，微藻處理廢水機制以及未來研究方向展望等方面進行詳盡的介紹，以期為微藻資源化技術處理廢水的應用提供參考和支持。

1 微藻培養工藝

1.1 藻種

圖1展示了廢水應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的穿透力及抑制腫瘤等特性。小球藻含豐富的蛋白質、脂質，繁殖速度極快。杜氏藻具有趨光和耐強酸堿的特性，同時有豐富的油脂、蛋白質、多糖等。

圖1 四類代表性微藻及其優點

1.2 光生物反應器

微藻光生物反應器基于對環境的開放程度，可分為封閉式反應器、開放式反應器和貼壁式反應器。表1總結了三種微藻光生物反應器的特性。其中，開放式反應器主要表現形式是跑道池反應器，優點是運行簡單、成本低、易于操作，但是受外部環境季節和氣候的變化影響大。封閉式反應器分為立柱式反應器、平板式反應器和管式反應器。可以實現連續式微藻培養，操作簡單、耐受性強不容易受到外部環境的影響，但其運維復雜且造價較大。貼壁式反應器利用超細纖維紡織物的親水性和多孔性等特性，將藻細胞懸浮在纖維紡織物的表面進行淺層培養；光能利用效率最大、微藻生長速率最高，但是成本高、運營復雜。

表1 光生物反應器特性

2 微藻強化技術

2.1 光強化技術

光強化技術對微藻光合作用生長起到至關重要的作用。目前，主要通過靜態折流裝置和導光材料來提高反應器內光強化程度[7]。靜態折流裝置可以強化反應器內的藻液沿光衰減方向的混合，通過混合，可將反應器內遠離光入射面處于暗區的微藻細胞輸送到反應器內靠近光入射面的光區。導光材料可促進微藻反應器將入射光均勻，有效提高光在微藻細胞液中的分布，緩解光衰減對微藻光自養生長的不利影響。

2.2 二氧化碳強化技術

微藻細胞通過利用CO2和光能進行光合作用合成有機物并釋放氧氣實現光合固碳[8]。光生物反應器內的氣液兩相流動特性同時影響著CO2的傳遞過程與微藻的分布狀況，進而影響微藻的光合固碳。光生物反應器中裝配CO2氣體分布器主要是多進口分配式氣體分布器技術。胡[9]等人對光生物反應器中氣體分布器的孔尺寸及間距進行了優化，使得CO2氣體傳輸的效率更高。光生物反應器中的生物質濃度提高了18.8%，固碳速率提高23.2%。

2.3 藻菌共生強化體系

微藻共生體系（微藻-細菌或微藻-真菌）是利用微藻和細菌之間生理特性協同凈化污水的生態系統[10]。微藻通過光合作用產生O2供好氧細菌和真菌進行呼吸作用，而好氧細菌和真菌通過呼吸作用又會產生CO2或低分子有機物，為微藻生長提供碳源，同時微藻和細菌也會各自分泌一些代謝產物來促進對方生長，實現互利共生。藻-菌共生體系的構建可進一步實現污水營養物質的去除，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濟效益。因為在微藻收獲階段，需要細胞破裂才能獲得所需的產品，因此微藻－細菌共生系統也降低了生物精煉廠下游加工的成本和時間。

鑒于藻-菌共生系統的這些優勢，近年來，關于建立藻菌共生體系以提高污水處理效率、微藻生物量、油脂產率的研究已有一定的進展。

2.4 微生物燃料電池強化技術

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物并將化學能轉化為電能的生物電化學裝置，可實現污染物去除，同時能產電的新型能源技術。該工藝結構簡單、清潔環保、產能穩定、經濟性高。微藻在MFC中既可作為陽極也可作為陰極，微藻作為陽極，構造光合微生物燃料電池將一部分光能轉化為電能。微藻作為陰極，可同時吸收利用陽極室釋放CO2，和捕捉周圍的CO2，還可進行藻體產品的有價回收，降低MFC成本。

3 微藻培養影響因子

3.1 營養物質

微藻培養需要大量氮、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，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胞生長和脂類、糖類等物質的積累[11]。研究表明碳源充足有利于細胞儲碳進而油脂積累。藻通過同化作用吸收磷進行細胞內各種物質的合成，磷參與的信號傳遞、能量轉換和光合作用影響細胞中的糖類、蛋白質、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，而且決定了優勢藻種的歸屬。此外，微藻生長繁殖和細胞代謝也離不開微量元素。

3.2 環境因素

環境因素，例如光、溫度和pH，用是決定微藻生長發育的關鍵因素。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酶的活性導致微藻的生物反應發生變化。pH能改變微藻細胞膜的滲透性影響細胞生長。光作為微藻主要的能量輸入形式，可采用適當的光強和光周期提高微藻生物量產量。溫度主要通過改變酶的活性對微藻產生影響，大部分微藻的最適溫度范圍為20-30℃。微藻生長環境溫度過高會增加細胞的呼吸作用，降低細胞產率。合適的pH值促進微藻光合作用的CO2的獲取和營養離子的吸收等；過高pH可能能導致微藻細胞裂解死亡。

4 微藻廢水資源化機制

如圖2所示，微藻廢水資源化過程機制包括：污水中的營養物質，例如硝酸鹽、氨氮和富含N、P等物質的廢水輸入到光生物反應器中，在光照的作用下，光反應器中的微藻和細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物質進行分解，并產出O2和CO2。污水被處理后一部分被進一步加工成柴油、動物飼料、藥品的原材料等副產物，另一部分進行無害化處理排放至河流當中。其資源的回收符合循環經濟的概念，也符合碳中和的概念。

圖2 微藻廢水資源化機制簡圖

5 結論及展望

以上歸納了在碳中和背景下利用微藻進行廢水資源化的技術，本文主要從微藻培養工藝、微藻強化技術、微藻培養影響因子、微藻廢水資源化機制等方面進行闡述，且對微藻強化技術、影響因子進行了全面的闡釋并分析了各個方面的優缺點。

對未來在碳中和背景下利用微藻進行廢水資源化的技術展望：（1）更好的光反應器；（2）更好藻的篩選，基因工程，基因突變；（3）進一步探究菌藻共生，合適的細菌和藻類；（4）進一步好的光傳播，二氧化碳傳播的設備；（5）探究藻合成油脂的調節策略。