微藻生物膜去污技術應用研究進展

張華，沈英，俞濤

（1.衢州職業技術學院機電工程學院，浙江 衢州 324000；2.福州大學機械工程及自動化學院可再生能源實驗室，福建 福州 350108；3.華東理工大學生物工程學院生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237）

0 引言

隨著工農業生產、人民生活需求的持續增長以及淡水資源的不合理利用，生活污水、畜禽排泄物、食物垃圾滲濾液和醫藥化工污水等的排放量大幅增加[1]。若處理不當，這些廢棄水體會引起嚴重的環境污染，對農業現代化、生態系統穩定和人類健康造成嚴重威脅[2]。微藻可以吸收利用污水里的氮和磷，對污水里的重金屬等也有一定的吸附作用。微藻還能合成油脂、蛋白質、抗氧化化合物等高附加值產品，其理論產油量遠高于油料作物，被認為是最理想的綠色清潔可再生生物質資源。近年來，微藻生物膜培養技術因需水量小、收獲簡便、油脂品質好等優勢而備受關注，它通常是將藻類細胞附著在塑料、纖維、無機材質等基體表面或內部形成生物膜，當生物質積累到一定厚度后通過機械刮削或擠壓方式采收，大大簡化了微藻生物質的收集工藝，節省了培養成本[3]。

近年來，微藻生物膜培養技術總體呈現出從基礎研究到應用領域拓展、從單純培育到多種資源耦合培養、從單一應用到綜合開發利用的新局面，在污水凈化和生物燃料生產等領域展現出了一定的應用潛力；同時，該技術面臨著生物膜產量低、難以兼顧生物量和油脂等的產率、野外培養技術或系統不成熟、推廣應用成本居高不下等困難和挑戰[3]。

本文綜述了微藻生物膜凈化污水和生產生物燃料等方面的國內外最新成果，闡述了典型微藻去污生物膜系統的運行特點及產業應用前景，試圖對微藻生物膜去污技術存在的問題及關鍵技術進展及發展趨勢進行分析，以期為微藻生物膜處理污水技術的成熟和產業應用提供參考。

1 微藻生物膜去污技術的發展現狀

微藻生物膜培養源于自然界中微生物的貼壁生長特性[4]。相比懸浮培養，生物膜培養模式的技術綜合性強、集成度高、產業應用潛力大（表1），能顯著提升微藻的環境耐受性、去污能力和光利用效率[5]等。

表1 微藻生物膜去污技術及其應用Table 1 Wastewater treatment technology of microalgae biofilm and its application

續表1

微藻生物膜系統不僅可以高效凈化生產生活污水或地表徑流中過剩的營養物及其他污染物，而且其環境耐受性較強[2]。研究發現，顫藻生物膜在5 d內能去除富營養化湖水中93.8%的總氮（TN）和79%的總磷（TP），去除二級污水94.5%的TN和73%的TP[19]。柵藻生物膜[22]對高濃度氨氮有較強的耐受性，能更有效地去除氨氮。Craggs將三角褐指藻和顫藻接種在波紋滾道表面反應器內處理海洋排污口污水，可完全去除污水中銨和正磷酸鹽，且能保證菌株單一[23]。Palma H研究了小球藻生物膜對富磷鎳礦冶煉尾水的修復情況，發現在有效去除Ni，Co，Mn和Sr的同時，生物膜的總碳水化合物含量高達40.0%，脂肪含量提升了6.7～19.5%[24]。Huang Y發現，生物膜培養時，能接受有效光照的細胞超過40%，而懸浮培養時，能接受到有效光照的細胞只有2.5%[25]。Suka?ováK在微藻生物膜處理城市污水的實驗中發現，隨著光照的增加，磷去除率和生物膜產量持續增加[7]。Yuan H對比了各色光線下小球藻和微綠球藻生物膜的生長情況，發現藍、紅光更能促進微藻的生長[9]。

國外對生物膜反應器系統的應用研究起步較早，比較典型的有ATS（Algal Turf Scrubbers）[2]，RABR（Rotating Algal Biofilm Reactor）[16]和屋頂生物膜系統[26]等。近幾年，國內也積極投入基礎和應用研究，創新推出如多層平板生物膜系統[27]，HAPB（Heterotrophic-Assisted Photoautotrophic Biofilm）[28]，CPBR（Capillary-driven Photobioreactor）[29]和VAB（Vertical-Algal-Biofilm）[30]等多種技術模型。從結構上看，生物膜去污系統可分為平板式、分離式和旋轉式等類型，具體見表2。

表2 典型的生物膜去污培養系統舉例Table 2 Examples of typical biofilm wastewater treatment culture systems

平板式系統多采用硬質材料載體，生物膜浸入培養基中生長，具有結構簡單、載體廉價易得、容易布置和應用潛力大的優點。分離式系統多采用質軟量輕、細密多孔的纖維載體，生物膜與培養液相對分開，載體多垂直、間隔布置。旋轉式系統的載體材質與分離式系統類似，培養基相對靜止，載體纏繞在滾筒外表面循環旋轉，藻體附著在載體上。總體上看，這些系統具備一定的創新性和工程應用潛力，使研究者在反應器設計、生物膜培養和環境優化控制等方面積累了不少理論和實踐經驗。例如海洋農場系統可充分耦合多種可再生能源，技術集成度較高，前景可觀[21]。分離式系統可將微藻生物膜從污水介質中分離出來，使生物膜免受污水有害成分的影響，同時有效改善光透過性，提高光利用率和營養物質擴散速率。

2 微藻生物膜去污技術存在的問題

理論上，微藻生物膜的集中度較高；實際上，由于過度遮蔭和養分限制，底層生物膜的生物量通常較低[5]。相比懸浮培養，生物膜能讓更多的細胞接受到光照，光耐受性和總利用效率也高，但是，下層生物膜的生長依然受限[31]。Huang Y研究了光照對小球藻生物膜生長的影響，發現在120 μmol/（m2·s）的光照強度下，只有生物膜上層41.31μm厚度內的微藻細胞能有效地接受光照，底層生物膜所受光照和養分均不足，總體生物量也不高[25]。Shen Y培養鏈帶藻生物膜時發現，在不同生長階段，生物量和脂類積累所需的光照強度差異很大，這可能與生物膜厚度增加有關；厚度增加使得生物膜通透性降低，導致遮蔭和養分限制，不利于生物量的進一步積累，必須將光照強度提高才能滿足生物膜的生長需要[5]。生物膜通透性越好，微藻生長就越快。但是，在生長后期，生物膜的穩定性普遍變差，易出現脫落現象。Christenson L利用RABR反應器凈化污水，發現再生長的生物膜在18～19 d后發生脫落[16]。Zheng Y研究微藻光合作用產生的氧氣泡粘附載體的機制及其對生物膜結構的影響時，監測到了生物膜濃度降低的現象[11]。所以，為了便于生物質集中，生物膜還要保證結構完整性。綜上所述，生物膜的通透性與完整性是相對矛盾的，平衡二者之間的關系值得深入研究。

獲得高產率的生物質和高附加值代謝物也是微藻生物膜去污技術重點關注的方面。但由于污水環境在鹽度、重金屬含量、酸堿性等方面均有所差異，加上光照、溫度等自然條件殘酷多變，微藻生物量和代謝物積累差異很大，獲得的油脂量普遍低且不穩定[3]。例如，Wu X D用小球藻生物膜深度凈化豬糞污水，微藻脂類含量為10.17%，而懸浮液中該藻類的脂質含量為14.29%[14]。Shen Y利用豬糞污水進行生物膜培養和懸浮培養布朗葡萄藻的試驗，結果表明，布朗葡萄藻生物膜的脂質含量僅為11.6%，低于懸浮培養時的24.8%[32]。有研究人員試圖通過提高光生物反應器的集成度來增加單位面積的生物量，如采用多層封閉式管道反應器和新型跑道池反應器提高生物膜產率，但反應器本身結構復雜，會導致造價和能耗較高[15]。而采用營養抑制、高鹽度或重金屬誘導、基因編輯等策略脅迫刺激細胞多合成油脂和碳水化合物，往往會導致生物量降低[33]。因此，單一的生物膜培養模式在保證一定生物量的同時往往難以獲得高產率的附加值產品。

目前，生物膜去污反應器系統普遍存在技術不成熟、容易被污染和運營成本高等問題。例如，周布式垂直平板系統處于中試運營階段，綜合效益較高，但生物膜浸在污水中，降低了透光度[18]。砂層生物膜[20]和海洋農場[21]對拓展微藻生物膜的培養空間有積極的啟發意義，但目前只是處于試驗或設想階段。對于藻液分離式系統，泡沫和纖維等材料的多孔性雖有助于微藻細胞的吸附和采收，但也會滯留污染物，長期使用容易被污染。此外，這些系統絕大多數還處于中低試階段，運行成本較高。

3 微藻生物膜去污關鍵技術分析與發展趨勢

3.1 平衡生物膜結構完整性與通透性

微藻生物膜的生長是一個動態過程，包括初始吸附階段、快速生長階段、緩慢增長和脫落階段。初始吸附是生物膜接種和生長的基礎，受藻種特性、載體特征和培養環境等的綜合影響。絲狀藻（顫藻和鐮形纖維藻等）通常纏繞成團塊，比球藻更容易吸附和收獲[34]。在載體材料方面，常見通過表面微加工、表面改性和新結構設計等方法促進生物膜接種的報道。Ji L以蚌殼粉為原料，經碳酸鉀活化和L-精氨酸修飾制成了帶正電的多孔性材料，該材料能夠吸附帶負電的小球藻細胞快速聚集和接種，使生物膜保持良好的微觀形貌和較長的存活時間[35]。有研究綜合考慮了污水環境特性和載體特征對微藻生物膜初始吸附的影響，發現隨著污水表面張力的降低，在疏水載體表面上的生物膜會持續減少[10]。初始吸附完成后，生物膜生長速度加快，胞外聚合物（Exopolysaccharides，EPS）分泌增加，EPS在保證生物膜穩定及結構完整性方面起關鍵作用[36]。一般認為胞外多糖為生物膜的形成提供了細胞粘附和保護作用，胞外蛋白帶負電荷的氨基團與多價陽離子的靜電吸引作用會促進微藻絮凝體的形成[32]。

值得注意的是，微藻與藻細菌的協同效應在保證生物膜結構穩定方面起關鍵作用。藻-菌協同作用源于活性污泥等污水治理中的生物絮凝現象，在活性污泥中加入微藻能改善污泥的熱值和細胞組成，有利于微藻的生長、富集和回收，COD和營養鹽的去除效果也變得更好[37]。Yang L利用絲狀真菌的生物絮凝作用，將其與小球藻共培養凈化污水，提高了微藻采收率，總懸浮物和營養物去除率分別為93.0%和88.0%，可產生35.2%的脂肪[38]。Zamalloa C深入研究了社區生活污水中柵藻生物膜的生長情況，研究結果顯示，最初的生物膜由柵藻構成[圖1（a）]，隨著時間的推移，藻種類型發生很大改變，絲狀藍綠藻和顫藻在生物膜表面占據優勢，柵藻主要存在于生物膜內部[圖1（b）]，使生物膜更加穩定。這主要歸功于污水環境的雜生藻和細菌等胞外聚合物的交聯和粘附功能形成的保護層。保護層為生物膜提供了穩定的生長空間，且能承受持續的水流剪切力，保證了系統長期運行[26]。因此，在生物膜培養，尤其是野外放大培養中，要重視藻-藻或藻-菌之間的協同作用，以促進生物膜結構穩定。

圖1 生物膜的掃描電鏡照片Fig.1 Scanning electron microscopy（SEM）pictures of the microalgae biofilm

同時，適度的生物膜通透性有助于光線和營養物質的傳輸，促進生物膜的生長。Zheng Y為加快柵藻生物膜接種，借助于鐮形纖維藻的交聯和纏繞作用形成了大量的藻-藻絮凝體，利用絮凝體多微孔結構的特點提高了營養物質的傳遞效率，使生物膜的產量提高了90.15%[34]。近年來，有研究發現，細胞呼吸作用也會影響生物膜的結構和生長[11]。研究人員在吸附材質表面噴涂聚四氟乙烯PTFE乳液，測試了PTFE量與粘附氣泡數量和生物膜濃度的關系，結果顯示：1%PTFE處理的表面使生物膜濃度增加了9.26%，這是因為微藻細胞在光合作用中釋放的O2會以氣泡的形式聚集和粘附在載體表面上，導致生物膜具有多孔性（多孔率為9.43%），有利于光線、溶解氧的擴散和營養物質在生物膜中的傳遞，進而提高生物量；而5%PTFE處理的表面卻使生物膜濃度降低了15.30%，這是因為隨著PTFT量的增加，聚集在吸附材質上的氣泡逐漸越多，當增多到一定程度時，氣泡就會脫離出去，生物膜中的部分細胞也會被氣泡帶走，導致多孔性過度（20.94%）而生物膜濃度降低。實際上，過于松散的生物膜結構雖能提高光照和養分的傳遞效率，但也會破壞生物膜的完整性，從而發生脫落現象。

綜上所述，初始吸附、EPS以及藻菌的協同作用是平衡生物膜的通透性與完整性的關鍵因素。生物膜穩定性變差或脫落是由多種因素綜合作用導致多孔性過度的結果。

3.2 兼顧生物膜積累和高附加值產品產率

由于單一的自養生物膜培養模式在保證一定生物量的同時往往難以獲得高產率的附加值產品，必須進一步創新生物膜培養模式，提高光照等環境條件以及營養物質的傳輸利用效率。Ye Y L構建了一種異養輔助培養小球藻生物膜模式（HAPB），見圖2。在光自養基礎上添加最佳配比的碳源和氮源，增強了生物膜的透光能力（比光自養提高64%），改變了細胞內脂肪生成途徑，促進了生物膜生長和脂肪積累[28]。研究發現，微藻細胞的體積比光自養模式下增大了36%，表層生物膜細胞中的葉綠素a和總葉綠素含量比光自養模式低。進一步分析可知，橢球狀的微藻細胞直徑越大，生物膜結構的孔隙率越高；隨著生物孔膜孔隙率的增加，養分轉移效率也增加；葉綠素含量較低意味著生物膜上層的細胞可能吸收的光子減少，更多的光子穿透到生物膜內部，使得生物膜內部的光合作用增強，更多的光和營養物質進入生物膜下層，促使生物膜下層的細胞大量合成脂質。

圖2 異養輔助光自養生物膜Fig.2 Heterotrophic-assisted photoautotrophic biofilm

相比于自養培養，混合營養下的生物膜可以最大限度地利用所有投入的資源（光照和無機、有機碳），減少生物膜下層接受光照和養分受限的影響，從而提高生物質和油脂等產量。在混合營養條件下，微藻生物膜的生物量比純自養生物膜高出2～3倍，油脂積累量高出2～10倍[31]。這是因為混合營養條件提供了過多的碳通量，促進了胞外多糖的積累和釋放。胞外多糖有助于生物膜形成，還可以轉變為可利用的形式供微生物生長。近年來，利用EPS來刺激生物膜油脂合成的研究吸引了學者們的注意。Zhuang L L在懸浮固相光生物反應器中研究了環境細菌EPS預涂吸附載體對柵藻生物膜生長的影響，研究發現附著的微藻的生物量顯著提高（230%），同時微藻細胞的蛋白質含量也得到了有效提升[39]。Shen Y為解決布朗葡萄藻生物膜的生物量和脂肪積累不能同時增加的問題，對培養14 d的布朗葡萄藻生物膜進行EPS刺激，大大提升了油脂含量和品質[32]。此外，混合營養培養還能進一步提高微藻的環境耐受性。高濃度污水的氨氮毒性一般不利于微藻生長，但Li X T發現，混合營養培養時，螺旋藻對高銨的耐受性增強，同時高銨對微藻中碳水化合物合成的抑制程度比自養培養時強，使得脂類含量增加[40]。

綜上所述，微藻生物膜去污技術既要關注污水凈化效果，也要追求高效的生物質和高附加值代謝物積累。混合營養生物膜培養可以最大限度地利用所有投入的資源，進一步增強光照和營養物質的傳輸和利用效率，有效提高生物膜生物量和油脂積累，提高生物膜的環境耐受性，具有顯著的綜合優勢。需要指出的是：額外添加碳源和氮源增加了成本，但降低空間大；在污水環境中培養生物膜，光照和營養物質的傳輸利用機制還要深入研究。

3.3 創新生物膜去污系統及培養模式

開發節能、低成本、運行穩定的新型生物膜去污系統是生物膜去污技術推廣的重點工作。要在現有反應器系統的基礎上，加大投入力度，改進劣勢，綜合優勢，推進生物膜去污系統的成熟和產業應用。如屋頂平板式生物膜系統耦合處理居民社區分散的生活污水，在逐年提升的城鎮化社區除污設施建設中有參考價值。旋轉式生物膜系統的持續運轉能力強，便于實現生物膜收集的自動化。臥式平板反應器的除污速度快，采用自然光照，運行平穩，易于擴大規模。這兩種生物膜系統在集中式污水處理站有推廣價值。中試的螺旋藻生物膜試驗系統若采用更經濟的吸附材料，將具有很大的應用空間[3]。HAPB系統雖然還處于實驗室水平，但如果擴大研究規模，優化物質傳輸效率，未來能達到推廣應用的水平。砂層生物膜含水量低，易剝離，為拓寬微藻生物膜的培養空間提供了思路。

近年來，一些學科交叉技術應用到了生物膜培養領域。以CPBR反應器為例，藻體生物膜和培養基相對分離，營養物質經毛細作用輸送到載體，改善了營養物質的運輸方式，降低了能耗，光利用效率是懸浮培養的10倍，生物膜產率、油脂以及碳水化合物含量均獲得較大提升[29]。沈英基于CPBR獲得高產量螺旋藻和衣藻生物膜的同時，對生物膜施加磁場激勵，得到兩種藻的碳水化合物含量分別為30.5%和60.8%，相較于對照組分別增加了17%和16%。該研究利用磁場激勵改善微藻細胞的代謝過程，促使微生物細胞膜上蛋白質中金屬離子的形態和運輸發生改變，進而促進了碳水化合物的合成[41]。多學科交叉技術與生物膜培養相結合，為拓寬生物膜培養模式提供了參考價值。

4 結論與展望

第二次全國污染源普查數據顯示，我國農業和生活領域的水污染治理面臨著新的嚴峻挑戰。微藻生物膜培養技術為水環境治理和生物燃料生產提供了一種節能和節水的方法。近幾年，國內生物膜去污技術在反應器優化設計、生物膜培養和環境控制等方面積累了實踐經驗，但總體上仍面臨關鍵技術和成本困境，如生物膜生長受限、代謝產物差異大且不穩定、生物膜去污系統運營成本高等。

首先，生物膜生長及利用依然受限，微藻生物膜的結構完整性與通透性相矛盾。生物膜脫落是由多種因素綜合作用導致膜結構多孔性過度的結果。要充分利用初始吸附、EPS以及藻菌的協同效應在平衡生物膜通透性與結構完整性上的重要作用。

其次，光自養生物膜培養方式單一，加上污水環境的復雜多變，生物量和高附加值產品產量普遍低且不穩定。僅通過反應器集成提高產率，能耗成本較高，而脅迫策略刺激油脂合成往往會導致生物量降低。因此，需要進一步創新生物膜培養模式。混合營養生物膜最大限度地利用了所投入的光照和營養成分等資源，是生物膜去污技術應用的重要發展趨勢。

最后，生物膜去污系統普遍存在運營成本高、容易被污染和技術不成熟等問題。要在現有研究的基礎上，加大投入力度，揚長避短，持續推進生物膜去污系統的成熟和產業應用。總體上看，屋頂平板式生物膜系統、旋轉式生物膜系統和臥式平板反應器等模型的耦合度高，綜合性強，應用空間較大。HAPB的生物量和油脂產率高，在光照和營養物質利用率方面優勢明顯，但要達到規模應用還有很多工作要做。

為實現微藻去污生物膜系統的規模應用和推廣，研究者要做到：轉變思想觀念，具備系統思維和全局觀念；需要謀求深化合作，加大資源投入和研發力度；堅持綠色、環保和可持續發展，提高微藻生物膜技術的集成整合力度，實現能源、資源、環境之間“1+1+1＞3”。