微藻用于废水处理应用的研究进展

申婷++胡蕾+冉炜++李君荣

摘 要： 微藻在生产各种生物质的同时也具有环境清洁的功能，因为微藻的生长可以处理废水和废气，利用微藻可以有效的去除废水中的氮、磷、重金属元素等物质，废水中的营养成分组成会显著的影响微藻的生长和微藻生物质的产量。该文综述了微藻在养猪场废水处理方面的应用，具体应用领域包括微藻的环境清洁功能、用于微藻培养的废水等。

关键词：微藻；环境清洁；废水处理

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）18-0016-03

联合国粮农组织已经预测到2050年全球食品生产将会增加70%以应对不断增长的世界人口需求，即粮食生产在2050年将达到92亿t（FAO，2009）。由于农业生产占据全球70%的淡水需求，且全球30%的能源消耗与农业生产相关，因此水和能源对粮食安全的重要性显而易见。化石能源造成了经济影响和气候变化等方面的沉重负担，而诸如南北极冰帽融化、海平面升高、旱涝等恶劣天气频率增加（Rahmstorf等，2007）；大量温室气体排放导致全球气候变暖（Fell，2012）等负面气候变化已经比设想的来得更快，因此全球社会迫切需求从化石能源到可持续可再生能源的转变。近50a来，大量的科学研究已经探索了不同微藻的生长属性和大规模生产技术，而相当一部分已成功应用于清洁能源和食品提供。近期的研究则主要集中于微藻生物质相关的电力、水和食物生产等的商业化能源应用：（1）利用包括克隆技术在内的创新生物技术方法优选和开发适合生物质生产的藻种资源；（2）优化提高微藻生长效率和生物质采收技术的改进；（3）提高微藻的废水处理能力；（4）提高微藻生物质油脂含量、提升油脂萃取技术、改进油脂能源的利用效率。

1 微藻环境清洁功能的应用

微藻在生产各种生物质的同时也具有环境清洁的功能，因为微藻的生长可以处理废水和废气，这使得整个循环利用过程更具环境可持续性和经济性。近年来二氧化碳生物固定过程越来越受到社会的关注，特别是大量的二氧化碳从发电厂和工厂中被排放到自然环境中。因此，微藻对于工业化废气的处理再利用提供了一种较为可靠的解决温室气体排放的策略和方法。微藻固定的二氧化碳分为以下几个来源：（1）大气中的二氧化碳；（2）工业排放废气中的二氧化碳（如天然气燃烧等）；（3）以可溶性碳酸盐形态存在的二氧化碳（如NaHCO3和Na2CO3）。绿球藻可以耐受高达40%的二氧化碳浓度，斜生栅藻和螺旋藻在30℃生长条件下也具备较强的二氧化碳固定能力：斜生栅藻每天最高生长速率和产量分别达到0.22g/L和0.14g/L；螺旋藻在二氧化碳浓度为6%～12%的条件下每天最高产量可达到3.5g干细胞/L（De Morais等，2007）。月牙藻在培养基中能较高效率的同时利用碳酸氢钠盐和二氧化碳气体作为碳源，微藻具有较高的胞外碳酸脱水酶活性，使得碳酸盐转化为游离的二氧化碳并促进二氧化碳同化（Emma等，2000）。

Oswald和Gotaas在1950年首次开展利用微藻作为废水修复剂的研究微藻在生长过程中利用废水中的营养成分。利用微藻处理废水，其中一个主要的益处是微藻光合作用过程中会产生氧气，氧气促进有机物中需氧细菌的降解，细胞的降解过程产生的二氧化碳则反过来促进微藻的光合作用和无机营养盐的吸收（Mona，2013）。微藻可被不同废水处理目的，例如去除废水中大肠杆菌、减少废水中化学和生化氧气的需求、去除废水中的氮和磷、去除废水中的重金属等（Abdel-Raouf等，2012）。

2 用于微藻处理的废水种类

过去20a间，国内外大量开展了利用废水培养微藻的研究。很多研究表明，利用微藻可以有效的去除废水中的氮、磷、重金属元素等物质（Cabanelas等，2013）。另外，废水中的营养成分组成会显著的影响微藻的生长和微藻生物质的产量（Cai等，2013），表1为用于微藻培养的不同废水来源的氮磷含量。根据来源的不同，用于微藻培养的废水大概可以分为城市废水、农业废水和工业废水等3种。废水处理总体包括2个或3个阶段：（1）沉淀或浮选固定物质的初步处理；（2）利用物理、化学和生物处理方法除去有机物质；（3）出水前的消毒和过滤过程。经污水处理厂处理后的废水中还含有各种物质，如污泥、有机废弃物、无机废弃物、营养物质、毒素、病原微生物等，可利用微藻或菌藻混合生长进一步处理。

表1 可用于小球藻培养的废水氮磷含量（mg/L）

[废水来源 NH4+-N TN TP TN/TP 城市污水处理厂废水 86 132 215 0.6 经预处理的城市废水 81 84 6 14.0 城市废水的初级沉淀出水 31 36 3 12.0 城市废水分离液 264 290 530 0.5 10% 厌氧消化池+90%汇流排水 220 250 17 14.7 传统的二级处理废水 205 223 330 0.7 50%养猪场废水 NA 148 156 0.9 奶牛场废水 70 71 61 1.2 10%奶牛场废水 5 12 15 0.8 消化后的牛粪废水 112 173 13 13.3 大豆加工厂废水 170 190 46 4.1 核黄素生产企业废水 NA 885 120 7.4 啤酒发酵废水 NA 90 18 5.0 ]

注：Chiu等，2015

微藻处理农业废水的效率取决于许多的因素，其中废水来源和污染物浓度影响最大。不同种类微藻对特定农业废水污染物的耐受程度不同。绿藻门是微藻的最大门类之一，拥有众多的藻种类别和地理分布。研究发现，绿藻门微藻可以處理多种不同类型农业废水并高效去除废水中营养元素。绿藻门中的小球藻可以高效去除废水中不同起始浓度状况下的氮元素和磷元素（Cai等，2013）。表1所示为可用于小球藻生长的不同废水中的氮磷元素浓度及其离子存在形态，表2所示为在不同农业废水中生长后的小球藻微藻生物质产量、油脂含量、及其日平均累积速度。与生活废水相比，农业废水具有较高的氮、磷、有机物含量，并同时以可溶性和固体形态存在于废水中，而微藻对农业废水中较高浓度的氮、磷、有机物等具有较高的耐受性。例如，养猪场废水中碳氮含量高，在合适的温度和光照下，能够收获较高的微藻生物质产量。然而，农业废水中太高的氨氮含量可能会降低微藻的生长速度与微藻生物质产量。养猪场废水中挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，既可以作为微藻的碳源，又可以作为废水pH值的调节剂。前期试验也已经证实，利用醋酸作为微藻生长废水的pH值调节剂，可以显著提高小球藻在奶牛场废水中生长速度和微藻生物质含油量（Huo等，2012）。养猪场废水中的有机碳可为微藻提供混合营养，有利于提高废水中微藻的生物质和脂肪产量。

表2 利用不同农业废水培养的小球藻微藻生物质产量

[农业废水来源 产量

（mg/L） 日增

（mg/L） 脂肪含量

（%） 脂肪产量

（mg/L） 脂肪日增

（mg/L） 50%养猪场废水 2962 296 37.3 1105 111 奶牛废水 1870 450 10.3 193 48 10%奶牛废水 144 29 17.9 26 5 发酵后奶牛废水 1710 81 13.4 233 11 豆制品废水 2150 640 37 806 240 啤酒发酵废水 2266 227 26.7 605 61 ]

相对于城市废水的处理手段，农业废水的处理方法相对较少，这可能是因为市政污水处理具有更成熟且控制良好的处理方式及完善的市政污水管道系统。农业废水的特性使其更具有采用微藻处理的潜力，更适合于微藻生物质和油脂的生产。因此规模化畜禽养殖场和当地废水处理场，都可作为微藻处理废水的潜在处理对象。研究试验已经证实，小球藻（Zofingiensis）在养猪场废水处理过程中具有较好的废水营养元素去除功能，并且具有较高的微藻生物质和油脂产量，其一个生长周期即10d后的微藻生物质产量达到了2.9g/L（Zhu等，2013）。研究发现，将养猪场废水稀释以达到较佳的营养浓度后，微藻具有更高的处理效率；另外，奶牛场废水经高度稀释后，用微藻处理可将含牛粪的废水转化为微藻高价值副产品（Wang等，2010）。

参考文献

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（責编：徐焕斗）