微藻处理废水的研究进展

林海龙，赵权宇，黄 和

(1.国投生物科技投资有限公司，北京 100034；2.南京工业大学 药学院，江苏 南京 211800)

水是人类赖以生存的重要资源。虽然超过70%的地球表面被水覆盖，但是能为人类利用的水是非常有限的。此外，时空分布不均衡，导致现有水资源难以满足日益增加的生产生活需要。然而，人类的生产生活却产生大量废水，造成环境污染等问题，危害人类健康。研究高效绿色的废水处理工艺是环境可持续发展的迫切要求。

据《全国环境统计公报(2015)》统计，2015年全国工业废水和城镇生活污水排放总量已经超过700亿t。以往农业废水并未引起足够重视，排放量统计也较为困难。2011年环保部开始公布农业源化学需氧量(COD)排放统计数据，农业源化学需氧量排放量每年均超过1 100万t，占全国废水化学需氧量总量的50%左右。虽然农业废水比工业废水处理难度低，但是总量巨大。和农村生活污水和农田尾水相比，规模化畜禽养殖废水处理量每年超过100亿t，处理难度大。因为禽畜废水等得不到很好的处理，造成农村地下水污染，环境破坏。经济、高效地处理农业废水对合理利用资源，缓解用水需求和保护生态环境具有重要意义。工业废水中重金属、多环芳烃等有害污染物对环境有较大危害。生物污水中也含有农药、香精和抗生素等物质，亟须进行有效处理。

随着化石能源的耗竭以及温室效应的日益显著，寻找更为节能和环境友好的污水处理工艺变得更为迫切。废水中氮磷过剩是引发水体富营养化的主要原因之一。这些氮磷是细菌、真菌和微藻可以利用的营养物质。微藻废水处理是环境可持续的绿色工艺，探索藻菌共培养降解废水污染物的协同代谢调控机制具有科学意义。传统的废水处理通过硝化和反硝化作用，把废水中的污染物转化成无害的化合物。虽然处理废水中的碳、氮和磷效率很高，但是需要补充能量，营养物质也会损失。传统的废水处理过程非常复杂，过程控制难度大，还会造成温室气体排放[1]。利用微藻进行废水处理，既能降低能耗，又能促进氮磷等营养物质的循环利用。微藻废水处理包括藻类塘、活性藻和固定化藻等形式[2]。藻菌共生污水处理技术在20世纪50年代由Oswald等[2]率先提出，逐步发展为高效藻类塘技术，该技术通过增加搅拌等使得塘中藻类的生长得以强化，在藻类和细菌的协同作用下，有机物、氮、磷和其他污染物的去除效率得到大幅提高。相比于传统污水处理中以细菌和原生动物为主体的活性污泥来说，藻类的蛋白质含量高，收获后可用作动物饲料或饵料。

近年来，微藻废水处理在农业、工业和城市废水的处理中有了新的探索。本文中，笔者综述微藻废水处理中的藻种选育、藻菌共培养、藻菌絮体、过程集成、可持续开发和技术经济评估等问题。

1 微藻在废水处理中的应用

微藻可以处理农业、工业、城市等多个来源的废水。这些废水中COD、总氮(TN)、总磷(TP)、总有机碳(TOC)和重金属等污染物的含量千差万别，排放标准也不尽相同。为更有针对性地处理这些废水，去除主要污染物，目前已经有了一些成功尝试，详见表1。

1.1 农业废水处理

1.2 工业废水处理

采用成熟的液体培养基可以保障微藻快速生长，但是工业废水中的成分与传统培养基还有很大差别。Hyu等[7]发现，如果不添加其他成分，混合微藻处理能完全清除动物粪便废液、沼渣废液和纺织废水中的磷，但是氮的去除率分别仅有72.3%、16.7%和70.1%。其中，混合微藻在纺织废水中的生长最好，但是生物量仅有0.4 g/L，这限制了微藻对氮的进一步利用。Gao等[8]研究发现，海鲜加工废水中的TN为120 mg/L，经微藻处理45 d后可以较好去除，如果经过曝气或稀释，处理时间能缩短至19 d。Memon等[9]发现制糖废水中的COD可达16 g/L，小球藻和恶臭假单胞菌能去除其中的55%；如果再加入0.08 g/L的聚丙烯酸酯多元醇，COD去除率能达到80%。Solovchenko等[10]发现酒精蒸馏废水的COD高达20 g/L，经过预处理，将pH调控至 6～7，对之后的废水处理至关重要。传统的厌氧硝化废水处理后产生大量活性污泥，需要处理。Ge等[11]在微藻培养体系中加入4种浓度的活性污泥浓缩液，处理50 d后TN、TP和COD的去除率都大于90%。需要注意的是，Ren等[12]发现，随着活性污泥浓缩液浓度的提高，微藻油脂含量下降到10.2%。如果在实际活性污泥浓缩液中再加入1 g/L的废甘油，生物质产率能达到0.46 g/(L·d)，油脂含量能达到27%，污染物的去除率均大于86%。但是加入甘油质量浓度大于1 g/L，微藻生物量和污染物去除率均大幅下降。如果不加甘油，COD和TP的去除没有显著差异，但是TN去除率降低到77.2%。Daneshvar等[13]发现藻种选择在废水处理中也很关键，同样处理乳业废水，栅藻能去除86.21%以上的TN和TP，海洋扁藻仅能去除44.92%的TN和42.18%的TP。除了COD、TN和TP等指标外，工业废水还包括重金属离子和有毒有害化学品等成分，需要多个步骤进行净化。微藻可以作为整体工艺的一个环节，可以提高工业废水效率。

表1 微藻处理农业、工业和城市废水的参数和去除效果

1.3 城市废水处理

1.4 含农药和抗生素等的有害废水处理

工农业废水以及城市废水中可能均含一些有害物质。这些物质含量不高，但是持续累积会对环境和人类健康造成危害，比如农药、抗生素等。微藻去除废水中有害化合物的机制包括降解或吸附。水培番茄废水中含有多种杀虫剂，包括甲霜灵、嘧霉胺、芬太尼、碘普利酮和三氯吡啶。虽然栅藻和小球藻均能快速去除这些杀虫剂，但是嘧霉胺仅仅是吸附在微藻表面，而其他杀虫剂均是被藻完全分解[19]。抗生素一般对藻类具有细胞毒性。在废水中抗生素也会发生光解和水解。比如，Guo等[20]用小球藻、衣藻和麦可藻(Mychonastes)能在150 h后去除废水中的头孢类抗生素7-氨基头孢菌素酸，除了光解和水解外，3种微藻的吸附发挥了重要作用。如果仅凭光解和水解，去除7-氨基头孢菌素酸需要300 h。结合光降解和吸附，Norvill等[21]用高速藻类塘处理含100 μg/L四环素的城市废水，其中四环素的去除率可达93%～99%。Hom-Diaz等[22]用室外1 200 L的光生物反应器处理包含大量药物化合物的废水，对抗炎药物(布洛芬、对乙酰氨基酚、水杨酸和可待因)的去除率可达98%，对利尿剂氢氯噻嗪的去除率84%，呋塞米则能够完全去除，抗生素类化合物(阿奇霉素、环丙沙星、氧氟沙星和红霉素)的去除率只有48%，精神药物氯拉西泮等的去除率在30%～57%。炔雌醇是一种激素，Cheng等[23]补充15% CO2培养小球藻PY-ZU1处理含炔雌醇的废水220 h后，5 mg/L的炔雌醇去除率达到94%。在实验室规模的膜生物反应器中，小球藻能去除85.6%的羟氨苄青霉素。Shi等[24]研究发现，如果小球藻处理后，再加来源于湿地沉积物或活性污泥的菌处理，羟氨苄青霉素的去除率能达到99%。废水中的抗生素、杀虫剂和化学杀菌剂如果含量高过微藻耐受极限，将抑制微藻生长，甚至造成微藻死亡。如果微藻能完全降解这些抗生素类物质，收获的微藻生物质还可以开发为生物燃料[20]；如果只是吸附在藻体内[21]，可以考虑将藻热解后利用。

2 微藻废水处理的关键问题

2.1 藻种选育

废水是一个复杂的体系，其中如果含有高浓度氨氮和其他有毒有害物质，都会形成环境压力，影响甚至抑制藻类生长。废水处理一般在室外进行，温度和光照等环境条件均会在不同时间尺度上产生波动，也需要微藻能适应这些环境条件的变化。一般来说，微藻处理有害物质要经历生物富集和生物转化两个步骤，前提条件是能耐受这些有害物质对藻类产生的影响。苯酚等浓度是工业废水排放中的重要检测指标。Cheng等[25]研究发现，每克小型黄丝藻(Tribonemaminus)能去除449.46 mg苯酚。初始苯酚质量浓度为700 mg/L时，培养6 d后，苯酚去除率80%。二嗪农(Diazinon)是典型的杀虫剂。Kurade等[26]研究发现，如果水体中二嗪农的质量浓度只有20 mg/L， 12 d后小球藻可以脱除94%的二嗪农。但是，当水体中二嗪农的质量浓度达到40 mg/L，小球藻的生长就会受到明显抑制，脱除率也会降低。多溴二苯醚是阻燃剂，在使用中会被释放到水体。多个国家水体中都检测到多溴二苯醚。Wang等[27]研究了9个藻株发现，有4个可以耐受600 μg/L的多溴二苯醚，其中1株小球藻的7 d脱除率可以达到82%～90%。同时，他们发现500～700 mg/L的苯酚会抑制小球藻生长，并且不会得到有效降解。

一般来说，废水处理的藻株是从环境中筛选得到。清华大学胡洪营教授团队的Zhang等[28]利用Biolog方法高效筛选可以异养的微藻，筛选得到的小球藻和栅藻可以利用20余种有机底物。这些微藻可以利用废水中的有机底物生产生物燃料。

微藻的基因工程改造还有一定难度。适应性进化可以不通过基因工程手段定向提高微藻对环境的适应能力。适应性进化的常用方法是培养微生物到达一定的指标(细胞密度、生长速率或底物消耗等)后进行传代培养，不断重复这个过程直至代谢表型不再变化。目前已经有应用适应进化手段强化微藻代谢表型的研究。例如，Wang等[27]研究发现，适应进化后的小球藻不但能够耐受500～700 mg/L的苯酚，在第7天时，500 mg/L的苯酚可以完全降解，700 mg/L的苯酚也能降解到100 mg/L左右。微藻适应性进化的机制可以通过组学数据等加以分析。如何提高进化效率是关键技术问题之一。

2.2 藻菌共培养

藻菌共培养进行废水处理是目前的研究热点。除了藻菌选择，合理安排工艺路线，设置工艺参数也是非常关键的，包括水力停留时间、光照循环、通气速率、稀释倍率和固定化等。Posadas等[29]考察了藻菌生物膜反应器和普通细菌生物膜反应器处理城市废水的能力。藻菌生物膜反应器对碳、氮和磷的去除率分别达到91%、70%和85%。碳去除率比普通细菌生物膜反应器高1倍，而且普通细菌生物膜反应器不能去除磷。需要注意的是，藻菌生物膜反应器的水足迹有0.5～6.7 L/(m2·d)，比普通细菌生物膜反应器要高。在厌氧发酵-微藻废水处理的两段法工艺中，如果微藻废水处理后的生物质循环到第一段，可以显著提高藻絮体的含量，那么第二段废水的排除液体中总悬浮固体颗粒的含量降低，能满足欧盟的排放标准[30]。如果停留时间是2 d，TOC、无机碳和TN的去除率分别可达86%～90%、57%～98%和68%～79%。

光暗循环也是微藻废水处理中的重要参数。同样处理城市污水，Lee等[32]比较了12 h∶ 12 h光暗循环、12 h∶ 60 h 光暗循环以及12 h∶ 60 h 光暗循环-12 h∶ 12 h光暗循环两段法这3种工艺，两段法的微藻生物量产率和油脂产率均最高，分别为282.6和71.4 mg/(L·d)，COD、TN和TP的去除率分别为92.3%、95.8%和98.1%。

合理构建藻-菌的互利共生关系至关重要。受菌种、藻种和环境因素影响，藻-菌之间可能存在互利共生或者竞争关系。微藻消耗一部分小分子有机物，固碳释放O2。释放的O2有利于好氧菌代谢，释放的小分子有机物和CO2可以被微藻利用。微藻排放的抑菌物质和对培养基pH的影响可能都会对细菌不利。微藻分泌的胞外多糖等可以促进细菌等生长。部分细菌也会产生能促进微藻代谢生长的促进因子。随着污水中可生化降解有机物增加，微生物大量繁殖，有些细菌代谢产物大量累积对微藻也是不利的。藻和菌的接种密度是构建藻菌体系的关键参数[43]。目前建立的藻菌共生组合包括微藻-细菌共培养、微藻-真菌共培养和多藻多菌共培养等[44]。在富含营养的废水中，藻菌的共生关系比较脆弱。为强化藻菌共培养的稳定性，强化采收的效率，已经建立了一些固定化和生物膜的藻菌共培养系统[45]，并用于生活污水、工业废水和市政废水的处理。

表2 藻菌絮体处理废水实例

2.3 藻菌絮体

微藻废水处理的50%的成本都集中在微藻采收阶段。由于光生物反应器中微藻密度低，离心法采收微藻，能量损耗大。如果添加絮凝剂或者固定[46-47]进行微藻采收，还需要二次处理，也可能影响微藻的进一步应用。部分真菌可以辅助藻类絮凝。在自然环境中，一些微型绿藻能够和蓝藻、真菌和细菌等形成絮状结构。建立藻菌絮体(microalgal bacterial flocs,MaB-flocs)，充分发挥微藻和细菌等的优势，再加上其具有采收方便的特点，是非常有潜力的废水处理方法。藻菌絮体处理工业、农业废水中都取得了一定效果，并在室外12 m3的跑道池中也进行了中试[48-51]。目前，藻菌絮体多是从自然界获得，如何在实验室有效构建藻菌絮体还有待研究。藻菌絮体中藻类并非单一藻种，这些微藻在实际应用中能否维持稳定的群落结构也不能够确定。表2中，笔者比较文献报道的藻菌絮体处理废水中的情况，TN去除率19.7%～76.5%，废水处理效果需要进一步强化。

2.4 工艺集成与光生物反应器选择

废水的成分非常复杂，单一工艺往往不能满足处理需要。对微藻废水处理来说，光生物反应器的选择也非常重要。微藻能够处理的废水中COD不能太高，同时长时间培养微藻可能产生新的有机物，使得废水中的COD又再度升高[52]。要想获得处理废水的最佳效果，需要在工艺上进行集成，选择合适的反应器也是关键的技术问题[53]。一种是分为两段，分别通过微藻和活性污泥进行废水处理。Ren等[54]提出两段法处理高强度有机废水，第一段用哈尔滨产乙醇杆菌暗发酵产H2，发酵产物主要是乙酸；再在第二段中用栅藻进行异养培养处理含乙酸废水，生物量达到1.98 g/L，油脂含量达到40.9%，能源转化效率从单段的18.6%提高到37.4%，COD去除率提高了131%。多数研究是将微藻和活性污泥共培养进行废水处理[55-56]，当然有些需要先经过活性污泥的预处理[57]。

为了减少废水中污染物对微藻的负面影响，Chang等[58]提出了一种环形离子交换膜反应器。废水经过离子交换膜后进入藻类培养反应器，再处理营养过剩废水、高浊度废水和重金属离子废水。微藻的生物量可以分别从传统光生物反应器的2.34、2.15和0 g/L，提高到4.24、3.13和2.04 g/L[58]。藻类生物膜反应器的突出特点是微藻采收容易[59-60]。生物膜中的生物包括蓝藻、绿藻、硅藻、细菌和真菌等，不同的生物膜，处理性能也有很大差异[61]。生物膜中的微藻是兼养培养，充分发挥微藻的作用，有利于废水处理[62]。在活性污泥处理和微藻处理之后再加1个紫外消毒工艺，可以去除部分微生物，如果对水中微生物有特殊要求可以尝试[63]。Ma等[64]提出了1种新颖的微藻燃料电池处理稀释的废水，以有生物膜的不锈钢网作为阴极和过滤材料，生物量能达到3.5～6.5 g/L，输出电流密度可以达到200 mA/m2。Zhang等[65-66]在跑道池中竖立平板式光生物反应器，构建立体藻类生物膜反应器，可以提高藻类生物量和污染物去除率，降低生产成本。光生物反应器的设计还需要提高光能利用效率，降低生产成本，满足大规模微藻培养的需要。

2.5 废水中营养物质的调整

2.6 可持续综合开发

微藻废水处理过程的固定投资和运行成本较高，为了提高其技术经济性，有必要进行综合开发，提高技术的可持续性(图1)。

图1 活性污泥法-藻菌絮体过程集成废水处理Fig.1 Integrated process of activated sludge-microalgalbacterial flocs for wastewater treatment

2.7 技术经济分析和风险评估

随着技术的发展，微藻废水处理过程中的技术瓶颈也在变化中。根据不同工艺进行技术经济性分析有助于综合评估工艺的优缺点。Mata等[80]分析了微藻处理啤酒厂废水并制备生物柴油的技术经济性，结果表明，微藻收获和油脂分离是主要的技术瓶颈。Sfez等[81]对藻菌絮体处理水产养殖废水在中试规模(28 m2)和假定的工业规模(41个池子，每个池面积245 m2)做了全生命周期分析。在工业规模，将藻菌絮体开发成虾饵料比生产沼气更具经济性，但是能耗还需要进一步降低。藻菌絮体处理每吨水产养殖废水和食品工业废水的成本在0.25～0.5欧元，投资成本与跑道池混合处理工艺相比仍比较昂贵。综合评价藻菌絮体废水处理后开发成肥料、虾饵料、藻胆蛋白和沼气的经济性[82]，开发成饵料经济性较好，但是最有潜力的是生产藻胆蛋白。Diaz-Garduno等[83]对西班牙废水中的53种有害化合物进行了包括微藻废水处理技术在内的不同过程的评估。吐纳麝香、麝香草胺和氧氟沙星作为香精和抗生素中的代表，很难降解，需要给予关注。微藻处理这些环境风险化合物时具有很强的种属特异性，在可行性实验中就需要筛选对这些物质能更高效去除的藻类。

虽然20世纪50年代末就提出了微藻废水处理，但是至今还没有工业化的大规模应用。除了废水处理的效率外，系统的稳定性(鲁棒性)也是关键问题。高效采收微藻可以降低生产成本，提高综合利用效率，能够进一步提高技术的经济性。为完成废水处理任务，需要一定的微藻生物量，按照目前常规的微藻产率，需要大面积的土地用于放置光生物反应器。在很多区域，土地成本很高，从这个角度来看，微藻废水处理的技术经济性不被认可。此外，即使微藻废水处理能取得不错的效果，但可能的环境风险也需要详尽评估。虽然香精和抗生素的浓度不高，但是需要处理的废水量大，持续累积仍然会对环境造成危害[84]。

3 总结与展望

微藻废水处理还需要重点发展高效低耗的高强度生活污水、农业养殖废水和典型工业废水的生态治理技术，通过藻-菌共生促进富含碳、氮、磷、硫及重金属等污染物的防治与资源化利用，探索藻-菌共培养体系内碳、氮、磷、硫、重金属等污染物的富集或降解机制以及协同降解机制，构筑生态化废水处理新方法，降低停留时间，提高废水处理效率，实现系统内的自维持与自更新。

微藻废水处理是有潜力的绿色技术。需要针对不同废水的处理需求，选择合适的藻种(及菌种)和工艺，进一步提高废水处理效率。目前，多数研究还停留在实验室阶段，需要更多中试规模以上的实验数据，发现新的技术瓶颈；需要从污染物处理效率、过程能量需求和经济性等多方面考察新的微藻废水处理工艺，重视基于微藻的产品开发，提出可持续开发路线，推动微藻废水处理的更广泛应用。