微藻污水處理與生物質能耦合技術綜述

傅曉娜，姚 剛

（四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065）

1 引言

水資源危機是指淡水消耗量超過可用淡水資源量的20%，而事實上，全球的淡水消耗量在1995年就已經超過20%，達到了27%～30%。我國人口眾多，水資源匱乏，用水需求旺盛，但水體污染嚴重，尤其是氮、磷等化學物質排放到水體，引起藻類異常繁殖，造成水質富營養化問題，長期不能得到有效解決。與此同時，全球40%的人口嚴重缺水，水資源的可持續利用問題迫在眉睫。經過凈化處理的可再生水可用作于城市和農村的非飲用水，如灌溉用水、景觀用水，部分還可作為工業用水，不失為解決水資源緊張問題的新途徑。因此，開發利用高效、低成本的水質深度處理技術，是解決水資源危機的重要手段之一。

早在20世紀50年代，Oswald和Gotaas就提出利用微藻處理污水的想法。近幾年來，國內外對進一步發揮藻類凈化污水的潛力進行了大量研究，在藻類凈化污水的機理研究方面取得了很大進展［1］。與傳統方法相比，利用藻類處理污水可以克服傳統污水處理方法易引起的二次污染、潛在營養物質丟失、資源不能完全利用等弊端，同時能夠有效去除造成水體富營養化的氮、磷等營養物質，具有廣闊的應用前景。利用微藻產油作為生物柴油來源的構想，早在1980年就有相關學者提出，但并未受到重視。直到近年來因原油價格的攀升，開發再生能源的意識逐漸提高，微藻生物質能有著能源密度高、易儲運、含硫低等優點，可以直接作為民用燃料和內燃機燃料，以微藻生產生物柴油的想法受到各界關注。

2 微藻污水處理技術

2.1 微藻對氮、磷的去除原理

中國湖泊的富營養化問題嚴重，巢湖、太湖、滇池等幾大湖泊中氮磷含量較高，造成硅藻、藍藻、綠藻等藻類大量繁殖，不僅會使水中溶解氧降低，而且藻類釋放的藻毒素亦會影響水生生物的生長繁衍。但同時微藻可以用來去除污水中的氮、磷等營養物質，并以有機物的形式將其儲存在藻細胞中［2］。微藻細胞利用二氧化碳和碳酸鹽等作為碳源，通過光合作用進行自養生長，水中的氨氮、硝態氮和亞硝態氮等無機氮和各類有機氮便合成藻體氨基酸和蛋白質等必須營養物質。水中的磷可直接被藻細胞吸收，并通過多種磷酸化途徑轉化成ATP、磷脂等有機物（圖1）。

圖1 微藻對氮、磷的吸收原理示意

同時，微藻的光合作用造成水體p H值升高，導致正磷酸鹽和NH3·H2O分別通過形成沉淀和揮發的形式去除，從而間接去除氮磷。此外，微藻光合作用形成的高p H值，也可起到一定的消毒作用［3］。

2.2 微藻對重金屬的去除原理

重金屬種類較多，具有微量、穩定、毒性大等特點，通過食物鏈在生物體內富集，不僅會危害水生生物的生長繁衍，也是造成多種人體疾病的罪魁禍首，是潛在危害性最大的水體污染物之一［4］。可通過各種水生植物和微生物，尤其是微藻細胞的生物吸附、積累、排泄、凈化4個步驟來去除重金屬。

微藻細胞對中重金屬的吸收是包含了物理、化學、生物反應和各種機理的復雜過程。根據該過程是否消耗能量，微藻對重金屬的吸收方式可分為主動和被動吸收兩種方式，前者是指新陳代謝的藻類與金屬之間的相互作用，重金屬離子通過主動運輸的方式被吸收到微藻細胞內，吸收速度慢，持續時間長，不可逆，需要細胞新陳代謝提供能量；后者則是通過物理和化學反應將重金屬離子吸引到微藻細胞表面，吸附速度慢，持續時間短，可逆，不需要能量［5］。

微藻細胞壁的組成對重金屬離子的吸收起決定作用。微藻的細胞壁是由多糖、蛋白質、脂質組成，因此它具有很高的黏度和較大的表面積且呈負電性。這些組成陳分包含了許多容易和重金屬離子結合的基團，如羧基，酰胺基，羥基，硫代醇，硫代醚，咪唑，磷基，硫基等。其次，微藻細胞膜具有高選擇性和半透性，這對生物吸附吸收重金屬的效率有決定性作用。目前被廣泛接受的微藻對重金屬的吸收機理主要有表面絡合，離子交換，氧化還原，微沉降等。

3 微藻生物質能源生產技術

微藻細胞的主要化學成分是脂類、纖維素、木質素和蛋白質等，其中脂類是制備生物質燃料的主要成分。生長在海水中的綠藻，能積累大量游離的甘油以平衡環境中的鹽濃度，其甘油的含量可占自身干重的50%～60%［6］。藻細胞通過光合作用將太陽能轉化為生物能，通過不同的藻細胞加工方式可生產各種生物燃料。一方面，利用高溫高壓液化技術或超臨界CO2萃取技術可獲得藻細胞中的油脂，再通過酯交換技術將其轉變為脂肪酸甲酯，即生物柴油；另一方面，藻細胞在無氧條件下可直接熱解制備生物質油、焦炭、合成氣及氫氣等多種生物燃料［3］。通過微藻獲得生物能源的途徑（圖2）。

圖2 微藻制油原理示意

3.1 微藻培養系統

目前，常見的微藻培養系統可分為開放式和封閉式，其選擇需要考慮許多因素，如微藻的生物特性、氣候狀況、目標產物種類與土地、人工、能源、用水、營養源等各項成本［7］。

3.1.1 開放式微藻培養系統

開放式微藻培養系統是在戶外利用陽光進行培養，適用于傳統活性污泥法、氧化塘法與批量微藻生產的結合，培養快速生長的藻細胞和可耐受極限環境（高濃度重碳酸鈉、高鹽度等）的藻細胞，大致分為大型池、開放式槽體、圓形培養池及高效藻類塘跑道型培養池等4種形態。這種培養系統的優點在于能耗低、基建投入少、運行成本低，微藻產量大，缺點在于培養環境易受外界溫度、天氣、光照等的影響，以及其他藻種、細菌及原生動物的污染［7］，要控制這些條件以適應微藻的生長和達到污水處理的效果，操作上比較困難，且微藻的產率較低。

目前應用較廣泛的開放式系統是高效藻類塘，通過“藻菌共生系統”可以同時去除污染水體中的有機物、重金屬和氮磷等營養物（圖3）。開放式系統在廣大農村和小城鎮的污水處理方面具有廣闊的應用前景。在德國、法國、新西蘭、以色列、南非、新加坡、印度、玻利維亞、墨西哥和巴西等國家都有高效藻類塘的應用，并取得了良好的運行效果。

圖3 高效氧化塘藻菌共生塘系統示意

3.1.2 封閉式微藻培養系統

封閉式微藻培養系統主要指微藻光生物反應器，可用于自營、異營或混營培養，而且在戶內或戶外都可實施，可分為管式（垂直、水平、螺旋）、圓柱式、薄板式和聚乙烯袋式。光生物反應器可人為控制藻細胞生長條件，從而獲得高產率品質穩定的藻細胞生物質，且可避免雜藻污染，后續分離純化所花費的成本也可減少，但建設、運行成本高，規模放大難度較大鞥缺點。

封閉式系統的微藻培養技術有活性藻系統和藻類固定化技術。前者采用人工強化培養出高濃度的藻液，然后再光生物反應器中利用污水進行藻類的繼續培養的系統。該方法對有機物的降解效果好，且能有效去除顆粒污染物和氮、磷等營養物［8］。后者是通過包埋法或吸附法，將藻類細胞聚集成團或固定在載體上，其中包埋法應用較廣泛。該技術具有微藻細胞濃度高、反應速度快、去除效率高、藻細胞易于收獲等優點，在微藻處理污水中有廣闊的應用前景。

3.1.3 藻種選擇

早在1978年，美國的能源部燃料發展就設立了水生生物計劃（ASP）項目，專門研究微藻生物質能，包括沼氣、甲烷和生物柴油，主要采用開放式微藻培養系統，在1978年到1996年將近20年的時間里，科研人員從3 000株藻中篩選了300株高油脂含量的咸水藻種（大多是綠藻和硅藻）。20世紀80年代初美國國家可再生能源實驗室（NREL）牽頭并聯合多個單位進行了可用于生產生物柴油的微藻的調查與篩選研究，運用現代生物技術開發出海洋工程微藻，實驗室條件下脂質含量超過60%，戶外生產達40%以上，每畝年產1～2.5t柴油［6］。同一時期，日本、德國和法國也在進行微藻培養的研究，主要方向是封閉式微藻光生物反應器［3］。表1列出了幾種微藻的產油效率，產油效率是微藻作為生物質能源潛能的主要表征形式。

表1 微藻產油率

在我國，用于生物質燃料生產的微藻細胞的篩選和改良工作也取得了一定的成果。清華大學生物技術研究所通過異養轉化細胞工程技術控制C／N，獲得高脂含量、葉綠素消失、細胞變黃的異養小球藻細胞，其脂含量高達細胞干重的55%，是自養藻細胞的4倍。

然而高含油藻種不一定能在生活污水二級出水條件下正常生長并積累油脂，欲實現污水處理系統從處理工藝向生產工藝的轉化，藻種的篩選與馴化是研究工作的前提與重點。針對水質深度凈化與高價值生物質生產相耦合的目的，藻種篩選的依據應為：在生活污水二級處理出水的條件下生長速率快、氮磷去除效率高、生物質產量高以及單位微藻生物量的油脂產量高等。基于上述原則，李鑫，胡洪營等人在不同污水處理廠二級出水中篩選、分離得到了橢圓小球藻（ChlorellaellipsoideaYJ1）、貧營養型二型柵藻（Scenedesmussp.LX1）等多株藻種［9，10］，它們對生活污水二級處理出水中的氮磷去除效率均在90%以上，單位藻細胞的脂質含量在33%～42%之間。

3.2 微藻細胞的收集和油脂提取

3.2.1 微藻細胞的收集和分離

污水處理中的微藻細胞的收集是實現污水系統發展微藻生物質能的重要環節，因為藻細胞非常小，本身密度與水接近，且培養液很稀，要收獲一定量的藻細胞就要處理大量的液體，培養后的藻液需要濃縮100倍～1 000倍之后才能在工業上得以利用［11］。微藻的分離濃縮是高耗能過程，藻細胞分離濃縮的能耗是僅次于微藻培養的第2大成本消耗［12］。因此藻細胞的分離濃縮方式成為很多研究者的關注熱點，也是實際工程中必須面對和解決的問題。

微藻收集主要的方法有自然沉降、絮凝沉降、氣浮、固定化、離心分離、膜分離、過濾、濃縮、壓濾等，表2列出了幾種常見的微藻收集方法。

表2 微藻收集方法

其中，絮凝沉淀／氣浮、過濾離心、固定化是較常用的藻細胞分離方式，但成本較高，同時藻細胞固定化容易帶來藻細胞外泄的問題。膜分離是一種有潛力的藻細胞分離收獲方式，在反應器之后通過膜分離截留藻細胞以獲得低氮磷含量的清水，同時通過濃藻液的回流實現反應器內藻細胞的高密度培養，可實現耦合系統對于出水水質及微藻光生物反應器中藻細胞高密度培養的要求。然而沒有哪一種方法是萬能的，對于價值較低的產品可以使用重力沉降的方法，或是配合絮凝進行，但對于價值較高的產品則可使用離心的方法［13］。

3.2.2 微藻細胞的油脂提取

有機溶劑萃取是常用的藻細胞油脂提取方法，主要包括甲醇／氯仿法［14］、乙醚／石油醚法［15］和正己烷法［16］等。按照萃取時藻細胞的狀態不同，又可分為干法萃取和濕法萃取。Lardon等人通過生命周期評價（Lifecycleassessment，LCA）的方法對正己烷干法萃取和濕法萃取藻細胞油脂的效率及經濟性進行了分析，表明油脂提取的能耗在生物柴油生產總能耗中占有很大比例（干法萃取和濕法萃取的能耗分別占總能耗的90%和70%），因此油脂提取技術的改進對耦合系統的經濟性和可持續性具有直接影響［16］。

另外，油份提取后的藻渣還可繼續利用，如用作肥料滋養農田，或進行厭氧發酵，可獲得甲烷、氫氣和乙醇等能源。有研究甚至認為，當單位藻細胞的油脂含量低于40%時，為了獲得最大的能量收益，所有藻細胞生物質應該全部用于厭氧發酵［17］。

4 進展與發展趨勢

4.1 國內外研發新進展

利用微藻處理污水在國內外早有應用，如德國、法國、新西蘭、玻利維亞、以色列、新加坡、印度和巴西等已先后建成藻菌－共生大型氧化塘系統，用于處理一般市政廢水和農村污水，比利時也有利用微藻處理養殖廢水。美國早在20世紀50年代便提出利用藻類去除氮磷等營養物的概念，并基于此進行了大量研究，基于藻細胞污水處理技術有了快速的發展［18，19］。在微藻生物質能方面，國內外許多企業和機構也進行了大規模的試驗，有得甚至已開始推廣應用。雪佛蘭（Chevrolet）公司在2006年與美國聯邦研究員建立合作伙伴，共同研發微藻生物油；殼牌（Royal Dutch Shell）公司與夏威夷一家名為HR的微藻生物油公司聯合成立了一家新公司，名為Cellana，在夏威夷1億hm2的海面培養海藻，用于生產生物質燃料；埃克森美孚（Exxon Mobil）公司計劃在未來5～6年投資6億美元，用于研究與一般化石燃料兼容性良好的微藻生物燃料；日本國際貿易與工業部在1999和2000期間，資助了名為創新技術地球研究（Earth Research of Innovative Technology）的項目，用微藻來固定CO2，并初步研究光生物反應器。我國河北新奧科技發展有限公司，在內蒙古建立了一個生態微藻培養基地，面積將在2013年達到280hm2，并計劃在2014年實現微藻生物油產業化；中石化與中科院于2009年開始共同實施微藻生物柴油技術系列項目，研究微藻光生物反應器；中石油和中科院也在合作研發微藻生物柴油技術。

在微藻污水處理與微藻生物質能的耦合方面，美國已經開始嘗試用市政廢水和煤煙廠大規模培養產油微藻，并取得了較好的物質和能量循環效果。胡洪營等人設計了利用污水資源生產微藻產油的耦合系統，以2008年的污水標準對培養微藻細胞每年生產生物柴油的潛力進行估算，得出如果全國范圍內的生活污水全部采用他們設計的耦合系統進行處理與生產生物柴油，則生活污水中所含有的氮磷除去供給活性污泥微生物的生長后，剩余部分所培養的藻細胞每年生物柴油的生產潛力約為397萬t［20］。

雖然微藻培養具有凈化效率高、系統建造運行費用低等特點。另外，藻類在污水凈化過程中產生大量的氧氣，可減少水體因缺氧而形成的惡臭氣味，因此用藻類處理污水在水質的改善中有廣泛的應用前景。作為一種生物質能源的原料，微藻亦有許多其他原料不可比擬的優點，首先是種類繁多，便于取材；其次是藻類光合作用效率高，生長周期短；另外微藻的培養不需要占用糧食產地，并且和其他生物質能源一樣，相對于化石能源，能減少或消除二氧化碳等溫室氣體的排放，并有可能解決海洋和湖泊的富營養化問題，環境效益高。但是要實現微藻污水處理與生物質能源生產耦合技術的產業化，仍存在一些問題有待解決。

4.2 發展趨勢

（1）新型藻種的選育和改良。繼續篩選具有高效凈化能力且營養價值高的微藻。

（2）光生物反應器的構建與規模化。將微藻光生物反應器與污水處理相結合，開發適合于可規模化運轉的高效生物反應器，實現污染控制與資源化利用相結合。

（3）固定化載體的開發。目前，包埋法固定化載體主要有天然高分子凝膠（如瓊脂、海藻酸鈣等）和有機合成高分子凝膠載體（如聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（ACAM）等）。天然高分子對生物沒有毒害，傳質性能較好，但是強度較低；有機合成高分子凝膠強度較大，但其傳質性能稍差，在包埋時有時可能會影響細胞活性。因此，開發復合型固定化載體，改善其性能，是藻類固定化技術研究的重要內容［21］。今后還需弄清固定化微藻的生理生化特性及其凈化機制，研究固定化微藻的保存、活化方法，為批量生產奠定基礎。

（4）藻類生長繁殖條件的控制。由于微藻培養和污水處理耦合系統的前期投資較大，必須滿足微藻最佳的培養條件和污水處理最低的運行成本，既要選擇合適的光照方式，提高光能利用率，選用合適的培養系統，達到最大的培養數量，又要考慮出水水質和環境條件對污染物的影響等。

（5）降低制油成本。高昂的生產成本是利用微藻生產生物柴油所面臨的最大問題，其中藻類培養耗資巨大，而藻類的收集、分離和脂質提取又是耗能最大的環節，假設采用含油量為30%（細胞干重）的微藻來生產生物柴油，那么從培養、收集、提煉到成品，成本約為19.1元／L。而我國2008年0號柴油的價格只有6.1元／L，此價格還包含了稅收、利潤、運輸等費用。

（6）油脂提取技術的改良。高等植物種子中的油脂大都屬于中性脂，易于通過壓榨的方式提取，因此提取后的油脂基本上不存在極性脂及色素。而微藻細胞小，難以采取常規的壓榨方式以獲取油脂，用有機溶劑來提取，油脂中不可避免地存在著色素及磷脂等極性脂，為后續提煉等過程帶來了相當大的隱患。

5 結語

微藻污水處理技術與微藻生物質能生產技術，可以算是一項環境友好的集成創新技術，大多還處于概念提出和試驗階段。盡管目前仍然存在上述許多亟待解決的問題，但這些問題同時也是目前的研究重點和未來的發展方向，一旦突破了這些障礙，相信在水資源和能源日趨緊張的形勢下，這項工藝將迎來更廣泛和良好的發展前景。

［1］張書平，白曉弘.低壓低產氣井排水采氣工藝技術［J］.天然氣工業，2005，25（4）：106～109.

［2］張靜霞.利用微藻處理污水的研究進展及發展趨勢［J］.現代農業科技，2008（4）：61～62.

［3］胡洪營，李 鑫，楊 佳.基于微藻細胞培養的水質深度凈化與高價值生物質生產耦合技術［J］.生態環境學報，2009，18（3）：1 122～1 127.

［4］Cai Zhuoping，Duan Shunshan.Micro－algal Bio－sorption on the Heavy Metals in Polluted Waters［J］.生態科學，2008，27（6）：211～212.

［5］Cochrane E L，Lu S，Gibb S W，et al.A comparison of low－cost bio－sorbents and commercial sorbents for the removal of copper from aqueous media［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137（1）：198～206.

［6］李玉芳，伍小明.利用微藻開發生物能源前景廣闊［J］.精細化工原料及中間體，2010（6）：17～18.

［7］王文軒.微藻－綠色生物能源［J］.穿行天下資源，2009（7）：11.

［8］況琪軍，譚渝云.活性藻系統對氮磷及有機物的去除研究［J］.中國環境科學，2001，21（3）：23～29.

［9］楊 佳，胡洪營.城市二級出水條件下橢圓小球藻YJ1（Chlorella ellipsoidea YJ1）的脂肪含量變化及其對氮磷的去除特性的初步研究［C］／／中國環境科學學會.2008中國水環境污染控制與生態修復技術高級研討會論文集.廣州：中國環境科學學會，2008.

［10］李 鑫，胡洪營，甘 柯.氮元素對貧營養型二形柵藻LX1生長及去除氮磷特性的影響研究［C］／／中國環境科學學會.2008中國水環境污染控制與生態修復技術高級研討會論文集.廣州：中國環境科學學會，2008.

［11］Molina Grima E，Belarbi E.－H，Acin Fernndez F G，et a.l.Recovery of micro algal biomass and metabolites：process options and economics［J］.Biotechnology Advances，2003（20）：491～500.

［12］Wang B，Li Y，Wu N，et al.CO2bio－mitigation using microalgae［J］.Applied Micro－biological Biotechnology，2008（79）：707～718.

［13］王 清，都基峻，石應杰，等.培養藻類制取生物能源的研究，四川環境，2009，28（5）：21～22.

［14］Bligh E G，Dyer W J.A rapid method of total lipid extraction and purification ［J］.Canadian Journal of Physiology，1959（37）：911～917.

［15］Converti A，Casazza A A，Ortiz E Y，et al.Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production［J］.Chemical Engineering and Processing，2009（48）：1 146～1 151.

［16］Lardon L，HéLias A，Sialve B，et al.Life－cycle assessment of biodiesel production from Microalgae［J］.Environmental Science＆Technology，2009，43（17）：6475～6481.

［17］Bruno S，Nicolas B，Olivier B.Anaerobic digestion of micro－algae as a necessary step to make micro algal biodiesel sustainable［J］.Biotechnology Advances，2009（27）：409～416.

［18］Hamouri B E，Jellal J，Outabiht H.The performance of a highrate algal pond in the Moroccan climate［J］.Water Science and Technology，1995，31（12）：67～74.

［19］Mallick N.Biotechnological potential of immobilized algae for wastewater N，P and metal removal：A review［J］.Bio Metals，2002（15）：377～390.

［20］胡洪營，李 鑫.利用污水資源生產微藻生物柴油的關鍵技術及潛力分析［J］，生態環境學報，2010，19（3）：739～744.

［21］孟范平，宮艷艷，馬冬冬.基于微藻的水產養殖廢水處理技術研究進展［J］.微生物學報，2009，49（6）：691～696.