微藻反應器用于水氣凈化與產氧的功能驗證

吳祖成，馮道倫，常園園，邊磊，任瓊，廖文

（浙江大學環境工程系環境電化學與化學貯能實驗室能源清潔利用國家重點實驗室，杭州310058）

微藻反應器用于水氣凈化與產氧的功能驗證

吳祖成，馮道倫，常園園，邊磊，任瓊，廖文

（浙江大學環境工程系環境電化學與化學貯能實驗室能源清潔利用國家重點實驗室，杭州310058）

將微藻和電去離子技術引入密閉生態系統，設計單元反應器旨在驗證其在空氣再生、水凈化和潛在食物的生產。在反應器中對尿液進行消解和NH+硝化轉化得到超過90%NH+-44N硝化為NO3--N-的培養液適宜于螺旋藻養殖并獲得高質量的微藻生物量；此時，CO2的平均吸收速率VCO2=458.6 mL/m3·min、O2產生速率VO2=616.5 mL/m3·min，即螺旋藻的同化系數VCO2/VO2≈0.74，接近人的呼吸系數VCO2/VO2=0.86；EDI法水凈化率97%可直接回用。結果表明：該體系能實現CO2吸收、O2釋放和螺旋藻生物量的生產，同時將水凈化。

微藻反應器；水氣凈化；放氧速率；EDI凈水

1 引言

長期空間載人飛行的生命保障系統[1]要求能連續不斷地供O2、給水、生產食物、凈化空氣、清除廢物，從而維持人、植物、動物的生存，保持一個基本平衡穩定的閉環微小生態環境。因此，密閉生態系統在載人航天上引起了高度的重視。“禮炮”號、“和平”號到“國際”空間站的實踐表明，利用物理和化學手段只能實現系統中O2和H2O的部分再生，在系統中引入生物以實現食物的循環逐漸成為共識[2]。前蘇聯“人-藻類”證明藻類能夠成功地完成與系統中大氣和水交換的功能[1]，“BIOS-3人-植物”在大氣調控、食物生產、水循環以及廢物處理方面獲得了大量的實驗結果[3]。NASA提出受控生態生命保障系統實驗模型，對高等植物生物再生部分的性能進行試驗和證實[3]。然而，像“生物圈II號”這樣一個龐大的密閉生態系統尚且難以實現穩定的生態平衡，在小型的密閉生態系統中實現較高閉合度的循環更是存在諸多科學問題和影響因素需要進一步地探索[4]。

事實上，由于植物的大量不可食部分重新進入廢物處理循環消耗氧氣是造成閉合程度降低的主要原因。為提高生態平衡和提供蛋白質來源，一些學者研究動物來解決航天員的食物供給。顯然，培養動物將給系統增加復雜程度。藻類既具有植物的吸收CO2和釋放O2的特性，又能制造動物性蛋白，在密閉生態系統中起著不可替代的關鍵作用。歐空局的MELISSA方案中，將螺旋藻作為一個生物部件引入生保系統[5]。基于藻類的光合自養特性和空間尿液N，P和K含量豐富的特點，可以利用尿液來培養微藻，不但可以實現廢物中資源的凈化回收，而且還能提供高蛋白食物，但直至目前藻類在密閉循環中的關系仍不清楚，有必要深入研究。本工作旨在確定以螺旋藻為例的微藻在密閉生態系統中對水的再生、CO2的凈化和食物循環的作用，實驗驗證單元反應器的效率和測定放氧速率。

2 反應器設計原理

基于MELISSA，本課題組經過近二十多年的探索研究，設計如圖1所示的單元反應，首先在艙I內進行收集和分類預處理。硝化艙IIA的任務是將尿液中的NH4+轉化成NO3-，為后繼艙的植物和螺旋藻提供最適合其生長的N源。該艙的優勢菌種為亞硝化細菌和硝化細菌，前者將NH4+氧化成NO2-，后者將生成的NO2-進一步氧化成NO3-。艙IIIA/IIIB（光合自養/植物艙）包括兩個部分，艙IIIA為能進行光合自養的鈍頂螺旋藻，艙IIIB為植物艙，以經過硝化和礦化處理的生活廢水為營養液進行培養，獲得螺旋藻和植物的可食部分可作為宇航員食物，兩者的光合作用可吸收CO2，同時釋放出O2。植物中的不可食部分經過預處理后返回送入艙IIA進行氧化分解。

本方案不僅極大程度地降低了系統的復雜程度、提高了整個系統的穩定性，而且實現了MELISSA的全部功能。將尿液和其他廢物分開處理是基于以下理由：人體產生的衛生廢物中，尿液中的有機物只占總量的5%，卻包含80%的N，50%的P以及90%的K[6]，因此可以直接制備用于生物的營養液；此外，尿液中的低有機物含量和高NH4+-N濃度有利于硝化細菌的生長，適宜的硝化細菌硝化后的尿液可以為藻類和高等植物提供適合的N源（NO3--N）。

圖1 反應器中物質的循環Fig.1 Components cycle inm icroalgae reactor

3 反應器中螺旋藻的養殖

3.1 螺旋藻在尿液中的生長

螺旋藻在Zarrouk培養基中生長至對數生長期（4天）后，收集并接種至模擬，實際以及硝化尿液中培養。培養過程中每天定時測定各種培養液中的生物量濃度，pH。并基于這些數據計算螺旋藻的生長速率（v）和最大生物量濃度（Pmax）[7]。

螺旋藻能在實際尿液中快速生長，但需將其稀釋至180倍，尿液中較高濃度的銨抑制其生長。表1列出尿液中培養獲得螺旋藻主要組分測定結果，對比于Zarrouk培養基，各組分含量與其他研究者結果大致在同一水平上[8]。

實際尿液和模擬尿液[7]中獲得的螺旋藻成分相差不大，但在蛋白質和脂肪的含量上有明顯差別，蛋白質含量在Zarrouk組中的高達67.2%，而在合成尿液（SHU）[7]和真實尿液（RHU）組中分別為32.4%和34.78%。脂肪在Zarrouk組較低，只有11.93%，而SHU和RHU組卻分別上升20.43%和17.58%。在間歇投加試驗中，N源并不存在不足，其所造成螺旋藻蛋白質含量低的原因與N源的形態有關。

螺旋藻在以NaNO3作為N源和以NH4+-N作為N源相比，其v為0.237 g/L·d大致相當，但Pmax稍大些。物理觀感上，NaNO3組培養的質量與Zarrouk培養基無明顯差別，優于實際和模擬尿液中的培養藻體。通過對藻體葉綠素含量的分析表明，NaNO3組和Zarrouk培養的含量無明顯差別[8]。吸收光譜分析表明兩種N源的螺旋藻在整個測試波長范圍內的波形基本吻合、類胡蘿卜素以及灰分含量亦處于同一水平。更為重要的是蛋白質含量豐富，NaNO3組的螺旋藻54.6%與Zarrouk培養基組67.2%接近。同時，脂肪含量為9.53%，亦和Zarrouk培養基組差別不大（11.93%）。可以認為，在尿液中培養螺旋藻，-N是合適的N源。

表1 Zarrouk、SHU、RHU培養液中獲得螺旋藻的主要成分含量（SHU、RHU均稀釋180倍）Table 1 M ain com position of Spirulina p latensis cultured in Zarrouk，real urine and synthetic urine

表2 螺旋藻在不同培養液中的v和Pmax對比Table 2 Com parison of v and Pmaxof Spirulina platensis cultured in differentmedia

尿液中NO3--N含量＞90%時，培養獲得螺旋藻的主要組分差別不大。因此，顯著改善螺旋藻在尿液中的培養需至少將90%的NH4+-N轉換成NO3--N，同時避免NO2--N的生成。

3.3 尿液的硝化

尿液的硝化在硝化反應器中進行：在進行尿液硝化之前，需完成硝化反應器內硝化細菌的增殖和掛膜，將硝化培養基加入到硝化反應器中隨后接種硝化細菌。培養7天后，硝化培養基開始連續添加，使硝化反應中的硝化細菌逐漸得以純化和累積，并在陶瓷環表面形成生物膜。在適宜的NH4+-N負荷和濃度水平下，控制硝化反應器中的pH值并確保反應器中的尿液處于高DO，能實現對實際尿液的完全硝化，且不會產生NO2--N的累積；當反應器的DO處于較低水平時，硝化過程難以完整進行，NH4+-N只能氧化到NO2--N，溶液中出現了大量的NO2--N累積，調節DO直至90%轉化率[9]；螺旋藻能順利在硝化尿液中生長，獲得生物量的主要營養組分與Zarrouk培養基中的相當或接近，其中每100g中蛋白質、脂肪、葉綠素、胡蘿卜素分別為58.43、10.67、1376.97、264.37 g，對比于Zarrouk為67.20、11.93、1399.68、337.76 g。

3.4 共存有機物中螺旋藻生長

尿液中含有少量有機物，故亦探討了其對螺旋藻生長的影響。尿液中有機物去除后，盡管培養過程中螺旋藻的顏色未發生明顯改變，但在去除有機物后的尿液培養液中螺旋藻難以生長。進一步將含有機物的液體加入尿液中，在培養的前半階段隨著螺旋藻生物量的增加，尿液中CODcr的下降明顯，由154.2 mg/L下降到最低約64.2 mg/L。這表明螺旋藻在增殖過程中吸收利用了尿液中的部分有機物[10]。

3.5 微量元素的影響

微量元素盡管量少，但對螺旋藻的生長非常重要。尿液稀釋后，除Zn外其它微量元素含量大都遠低于Zarrouk培養基。為此，添加足夠的微量元素，結果表明對于NaNO3組來說，Pmax大致相同，但v由0.237 g/L·d降至0.163 g/L·d；對于NH4Cl組來說，加入微量元素后，其v為0.182 g/ L·d，Pmax為1.84 g/L。對于未改變N源組來說，加入微量元素后，v為0.182 g/L·d，Pmax為1.84 g/L。對比于對照組，在尿液中加入微量元素對螺旋藻生長的改善并不顯著。由此可見，微量元素存在的多少對螺旋藻生長不是關鍵影響因素。由廢棄物在氧化艙（圖1中IIA）獲得的微量元素即能形成循環。

3.6 反應器中pH值的變化

pH值在對數生長期都會有所提高，當NH+-4N作為N源，稀釋尿液（180倍）中pH值會由停滯期的8.4上升到對數生長期的9.2左右。當NO3--N作為N源時，pH值會由停滯期的8.2上升到9.6左右。螺旋藻在Zarrouk培養基中培養時，基本沒有停滯期，pH值由最初的8.2迅速上升至10.0左右。這表明，無論是以NaNO3或是以NH Cl作為N源，堿度都和培養液中的4和HCO3-濃度相關，反過來，堿度的變化亦會影響到尿液中和的濃度。水溶液中溶解的有CO2，H2CO3，和四種形態。

當溶液pH值較低，C源主要以CO2形式存在，光合藻類以其為C源，合成有機物，構成藻體自身的一部分，當pH值較高時CO2已經不存在，C源主要以和的形式存在。在此情況下，一些藻類能產生脫水酶將脫去水分子，生成CO2，提供給藻類生長[11]。Binaghi等人[12]的實驗結果表明：螺旋藻優先利用的無機C源為。在高pH值條件下，螺旋藻亦能吸收利用甚至，這可能是螺旋藻在pH值高達10.0的尿液中，亦能快速生長的原因。

對pH值與生長速率作指數模擬，得到如下的指數函數：

上式表明，螺旋藻的線性生長速率（v）和ΔpH之間存在指數增長的經驗關系，由于pH值的測量簡便快速，也有助于快捷確定螺旋藻生長速率，R2=0.9823。

4 吸收CO2和放O2速率

4.1 CO2吸收速率VCO2測定

螺旋藻吸收CO2裝置依據前期工作[13]參數控制如下：光照強度444.4W/m2；光照時間14 h；培養溫度30℃。進氣中CO2的含量（C0，%）以1.8 L/min速率鼓入反應器，每天定時測出口處的CO2含量（C，%），螺旋藻的CO2吸收速率VCO2（mL/m3·min）按下式計算：

在將生物引入密閉生態系統后，可以通過其光合作用來同時實現密閉體系中CO2的去除和O2的制造。螺旋藻在不同培養液中的吸收CO2和放O2速率是一個重要參數，密閉體系中利用硝化尿液培養螺旋藻時，N、P和S元素，以及O2，CO2和食物的閉合循環率是能否實現長期載人運行的依據。

螺旋藻吸收CO2速率對批次培養螺旋藻過程中的吸收CO2速率進行了測定，結果見圖2。不同培養基中CO2速率的變化基本相同。實際尿液中吸收CO2的速率迅速升高，在大約4天后達到峰值，并維持在此水平上，隨后逐漸降低并趨于穩定。相應的，螺旋藻在硝化尿液和Zarrouk培養基中分別在3天和4天后達到峰值。對于實際尿液和硝化尿液，螺旋藻合成的C源基本上來自空氣中的CO2。因此螺旋藻的合成最大時，CO2的吸收速率亦達到最大。實際尿液的最大CO2吸收速率為467.5 m L/m3·min，略高于硝化尿液的443.95 mL/m3·min。Zarrouk培養基中的生物量增長速率是最高的，但其最大CO2吸收速率（410.29 mL/m3·min）低于實際和硝化尿液組，這可能是由于Zarrouk培養基中含大量的NaHCO3作為C源被吸收，因此減少了對空氣中CO2的需求量。

4.2 螺旋藻的放O2特性

實際尿液和硝化尿液培養螺旋藻時，密閉體系空氣中O2濃度的變化情況見圖3。在向密閉光生物反應器中注入400 mL CO2后，在試驗時間段內O2濃度呈線性上升，螺旋藻生物量的合成符合零級反應，放O2速率達到極大值，據此計算出螺旋藻在不同培養液中的放O2速率，結果見表3。

密閉體系中O2和CO2的含量始終都保持著近乎線性的變化，這表明：即使在高濃度CO2的環境中螺旋藻的光合速率都沒有受到影響。造成這種差別的原因可能在于植物大都是直接從空氣中獲取CO2來完成光合作用，空氣中CO2含量高低直接影響到植物的光合作用。對于螺旋藻來說，其光合作用所利用的C源基本上是HCO3-或CO32-。在培養過程中，螺旋藻液的pH大都不低于9，此時即使空氣中CO2含量很高，藻液中CO2卻基本不存在。因此，即使CO2對螺旋藻的光合作用有影響，螺旋藻所處的高pH值環境都會確保其不受影響。

圖2 批次培養時的CO2吸收速率Fig.2 Uptake rate changes of CO2（●）Zar rouk，（■）95.0%nitrifying urine，（◆）180-diluted RHU

圖3 對數生長期螺旋藻的放O2Fig.3 O2release in ZM，95.0%nitrifying urine and 180-diluted RHU during batch cultu re（●）Zar rouk（■）95.0%nitrifying urine（◆）180-diluted RHU

表3 不同培養液中螺旋藻的放O2速率Table3 Rates of O2release by Spirulina platensis in different cultu rem edia

試驗時間段內CO2的平均吸收速率為458.61 mL/m3·min（VCO2），相應O2的平均產生速率為616.53 m L/m3·min（VO2）。亦即螺旋藻的同化系數約為0.74（VCO2/VO2）。相應的人的呼吸系數（VCO2/VO2）約為0.86[13]，兩者之間存在一定的差異。這表明：密閉體系中生物部件需輔以一定物化手段改善和維持O2和CO2含量的穩定。

5 EDI水凈化回收

從營養液成分的影響可知，氮、磷、有機物濃度高，則螺旋藻生長快，且吸收CO2和釋放O2速率也高。為維持營養液濃度又能對水進行回收利用，在本反應器中引入電去離子（EDI）技術。EDI目前主要應用于純水制備，基于EDI在去除和回收廢水中氮、磷營養鹽方面具有技術優勢和良好潛力[15]，首次對螺旋藻培養中含有的營養鹽進行濃縮和水回收利用。

EDI中原水離子濃度越高遷移至濃室的離子越多濃室中離子濃度就越高，濃室中溶液適宜返回培養螺旋藻；淡室中離子濃度就越低，淡化/凈化后可以回用。反應器中三種濃度配比培養液進行比較：第一種濃度運行后，濃室NO3-為8.0×mol/L，為2.1×10-4mol/L，NO3-和的濃縮倍數分別為6.0和3.1；第二種濃室為5.0×10-4mol/L，為2.7×10-4mol/L，NO3-和-的濃縮倍數分別為5.0和2.7；第三種濃室為3.2×10-4mol/L，為3.7×10-4mol/L，和的濃縮倍數分別為4.8和2.8。濃縮倍數為4.8～6.0，濃縮倍數為2.7～3.1。NO3-的濃縮程度高于，去除率在97%以上，出水中和離子濃度均低于0.1 mg/L，符合回用標準。

6 結語

基于螺旋藻一類的微藻具有光合自養與異養特性，不僅能充分利用空間尿液中的無機和有機物營養成分，還能將CO2轉化為O2，起到空氣再生、水凈化、提供食物高蛋白的作用：

2）螺旋藻能夠利用廢棄物中的有機物進行異養生長，脫除氮、磷，達到水體的凈化；

3）進一步改善螺旋藻培養條件使其保持穩定釋放O2和吸收CO2含量，將有可能實現密閉系統中大氣的自我循環凈化；

4）EDI技術對N、P濃縮倍數分別為4.8～6.0和2.7～3.1，有效維持螺旋藻培養液較高濃度有利養殖。出水N、P營養鹽去除率97%以上，離子濃度均低于0.1 mg·L-1，可直接回用。

[1] Salisbury F B，Gitelson J I，Lisovsky GM.Bios-3：Siberian experiments in bioregenerative life support[J].BioScience，1997，47（9）：575-585.

[2] Ashida A.Considerations of design for life support systems [J].Advances in Space Research，2003，31（7）：1805-1809.

[3] Wheeler R M，Mackowiak C L，Stutte GW，et al.NASA's biomass production chamber：a testbed for bioregenerative life support studies[J].Advances in Space Research，1996，18（4）：215-224.

[4] Bluem V，Paris F.Aquatic modules for bioregenerative life support systems based on the CEBASbiotechnology[J].Acta astronautica，2001，48（5）：287-297.

[5] Godia F，Albiol J，Montesinos JL，et al.MELISSA：a loop of interconnected bioreactors to develop life support in space [J].Journal of biotechnology，2002，99（3）：319-330.

[6] Fittschen I，Hahn H H.Characterization of the municipal wastewaterpart human urine and a preliminary comparison with liquid cattle excretion[J].Water science and technology，1998，38（6）：9-16.

[7] Feng D，Wu Z，Xu S.Nitrification of human urine for its stabilization and nutrient recycling[J].Bioresource technology，2008，99（14）：6299-6304.

[8] Shimamatsu H.Mass production of Spirulina，an ediblemicroalga[M]//Asian Pacific Phycology in the 21st Century：Prospects and Challenges.Springer Netherlands，2004：39-44.

[9] Feng D，Wu Z，Wang D.Effects of N source and nitrification pretreatment on growth of Arthrospira platensis in human urine [J].Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2007，8（11）：1846-1852.

[10] Chang Y，Wu Z，Bian L，et al.Cultivation of Spirulina platensis for biomass production and nutrient removal from synthetic human urine[J].Applied Energy，2013，102：427-431.

[11] Azov Y.Effect of pH on inorganic carbon uptake in algal cultures[J].Applied and environmentalmicrobiology，1982，43（6）：1300-1306.

[12] Binaghi L，Del BorghiA，LodiA，et al.Batch and fed-batch uptake of carbon dioxide by Spirulina platensis[J].Process Biochemistry，2003，38（9）：1341-1346.

[13] 邊磊.微藻對氮磷營養鹽的脫除利用與廢水凈化[D].杭州：浙江大學，2010.

[14] Doerr D F，Convertino V A，Blue J，et al.Interaction between exercising humans and growing plants in a closed ecological life support system[J].Acta astronautica，1995，36（8）：601-605.

[15] 馮霄.電去離子技術濃縮與脫除水中重金屬離子和營養鹽研究[D].杭州：浙江大學，2008.

Oxygen Production in M icroalgal Reactor for W ater，Air and W aste Reclam ation

WU Zucheng，FENG Daolun，CHANG Yuanyuan，BIAN Lei，REN Qiong，LIAOWen
（Department of Environmental Engineering，Laboratory for Electrochemistry and Energy Storage，State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

In order to evaluate the feasibility of introducingmicroalgae into closed ecological system and achieving potential food production aswellas air revilization and water reclaimation，-N in wastes urine was nitrified to-N as proper N source for culture of edible protein，Spirulina platensis，which was utilized to absorb CO2and produce O2.More than 90%-N was successfully oxidized to-N，which was an optimum medium for culture of Spirulina platensis.Mean CO2uptake rate VCO2was458.61 mL/m3·min and O2evolution rate was 616.53 mL/m3·min respectively，assimilation factor（VCO2/VO2）was about 0.74 which is close to human respiration factor 0.86.The utilizability of urine has been proved and 97%water can be reused with EDI technique.The results showed that the system could realize CO2 absorption，O2 production and Spirulina biomass production and the water was purified at the same time.

microalgae reactor；culture；air revitalization and water reclamation；oxygen evolution.

V444.3；S965.89

A

1674-5825（2014）03-0196-06

2013-11-20；

2014-05-14

國家自然科學基金（No.21173188）

吳祖成（1956-），男，教授、博士，研究方向為受控生命保障系統技術。E-mail：wuzc@zju.edu.cn