微藻生物膜培养装置的研究进展

周长仁，冯骞,2，张凯杰，罗来威，张逸，郭文，骆苗苗

(1.河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

微藻生长速度快且含有丰富的营养物质，可作为各类高附加值生物产品(如生物柴油、生物饲料等)的原料[1-2]，因此其工业化培养越来越受到人们重视。悬浮培养是目前应用最广泛的微藻培养方式，其代表性装置为开放跑道池[3](Raceway ponds，RWP)和各种密闭的光反应器[4](Photobioreactors，PBRs)。RWP操作方便，结构简单，运营和投资的成本低，是微藻商业化生产的主要设施[5]。但RWP存在许多不足，例如生物量生产率低、水分蒸发严重、极易受到污染等[6]。针对RWP的缺点，研究者开发出了各种PBRs，根据形状可分为管状光生物反应器、平板光生物反应器和箔状光生物反应器[7]。PBRs对养分、光照和温度等参数的有效控制显著提高了微藻的生产效率；封闭的空间避免了外界环境对微藻培养液的污染和水分的大量蒸发[8]。但PBRs过高的表面积体积比导致了反应器内严重的光抑制和氧气积聚；技术的复杂性又导致建设和运营成本高昂[9]。由于缺乏高效、低成本的大规模种植技术，目前以微藻为原料生产各类产品并不具备经济可行性。

近年来，一种新的微藻培养模式——生物膜培养引起了人们的极大兴趣。在这种培养模式中，微藻细胞附着在固体基质表面以生物膜的形式生长，培养装置运行稳定性高且需水量低，在微藻生物膜生长成熟后，可直接通过机械手段刮取藻细胞，操作简单，技术难度低，可使采收成本大幅度降低[10]。本文分类介绍了目前常见的微藻生物膜培养装置，总结了其在微藻培养及污水处理领域的优势，并对其未来的发展方向进行了讨论。

1 藻类生物膜培养装置

微藻生物膜培养装置是微藻生物膜技术由理论研究迈向工业化生产所需的条件。为了使微藻生物膜培养装置的性能达到工业化生产的要求，研究者设计了各种类型的反应器。目前常见的藻类附着培养装置有藻萍净水系统(Algal turf scrubber units，ATS)、旋转光生物反应器(Revolving algal biofilm，RAB)、多孔介质光生物反应器(Porous substrate bioreactors，PSBR)以及附着-悬浮光生物反应器。

1.1 藻萍净水系统

ATS装置是最早出现的微藻生物膜培养装置，这种满液式的连续流反应器结构简单，运行稳定，利用水泵驱动培养液在生物膜表面流过，借助水流的扰动打破气液界面的扩散边界层，增加CO2和养分的传输效率[11]。但是流经生物膜表面的水层也会导致光的散射，降低了光能利用率。

图1 藻萍净水系统

ATS在污水厂出水深度处理，养殖废水处理及农业用水处理等方面应用都十分广泛。Rupert等利用ATS处理二沉池出水，取得了35 g/(m2·d)的生物质产量[11]。Ozka等研究发现利用ATS生产1 kg 微藻生物质所需要水仅为悬浮培养的55%，且能耗降低了99.7%[12]。近年来一些研究者通过对载体的改进，显著提高了ATS的性能。Walter等研究了平滑载体和3D载体在提高藻类产量和去除养分方面的区别[13]。实验结果表明,在平滑的载体上的年平均生产力为15.4 g/(m2·d)，在3D载体上，产量提高到39.6 g/(m2·d)，去掉夏季高温期，产量达到47.7 g/(m2·d)。此外使用3-D载体的ATS氮磷去除率是平坦载体的3.5倍。Zhang等使用木质纤维素材料(松木锯末、稻壳、甘蔗渣等)作为藻类细胞附着的载体，生物质产量最高可达到10.92 g/(m2·d)[14]。收获时不用将微藻生物质与木质纤维素分离，混合物可以直接作为生物能源生产的原料。

1.2 旋转光生物反应器

根据旋转生物接触器的原理，研究者设计了见图2的旋转藻盘光生物反应器(Algadisk)。通过电机带动圆盘旋转，使藻细胞周期性地与培养液和空气接触，当藻细胞浸入培养液时，吸收营养基内的营养物质；当藻细胞进入空气时，直接从空气中吸收二氧化碳和光能[15]。这种培养方式提高了微藻在载体上的牢固性，更有利于微藻生物质的积累。

图2 旋转光生物反应器

基于Algadisk的原理，研究者开发了中试规模的旋转光生物反应器，并将其与污水处理联合，利用污水中的氮、磷等元素作为营养物来源，不但降低培养成本，也能对污水进行净化。Logan等发明了旋转筒式藻类生物膜反应器，利用缠绕了绳索的滚筒状不锈钢框架代替了旋转藻盘光生物反应器中的圆形转盘，微藻细胞附着在绳索上生长[16]。当生物膜达到一定厚度后利用配套的收割装置挤压绳子收获藻类生物量，一定程度上实现了微藻生物膜的机械化收获[16]。Wen等开发出了一种旋转辊轴藻类生物膜反应器，将载体材料缠绕到两个辊轴上，通过辊轴的转动带动载体转动[17]。

1.3 多孔介质光生物反应器

PSBR反应器(图3a)最初被用作藻类生物传感器，但后来被广泛应用于微藻培养[18]。

图3 多孔介质光生物反应器

PSBR 反应器由多个竖直单元平行排列组成，每个单元由微藻附着层和多孔介质营养供给层构成。培养液在泵的驱动下在多空介质层内循环，在毛细力和重力的作用下扩散到微藻附着层，微藻源源不断的获得营养物质进行生长[19]。PSBR反应器的优势在于：(1)通过各单元的竖直布置解决了培养系统占地面积的问题，大大提高了单位土地面积上微藻生物质的生产力[20]；(2)微藻生物膜直接暴露在空气中，更有利于CO2和光照的传递，还可以根据光照强度调节各垂直单元之间的距离，避免光限制或光抑制现象[21]；(3)微藻生物膜不直接和培养液接触，完全避免了水流对生物膜的冲刷作用[20]。

目前大部分的PSBR装置营养基的循环通过泵驱动，这是除了微藻收获外最大的能源消耗工序。研究者依据植物的蒸腾作用开发了一种新型的PSBR装置(图3b)，利用蒸腾力和毛细力驱动营养物质在多孔介质层的传输，在能源节约方面有重大意义[22]。然而，目前这种类型的PSBR反应器并不是十分完善，存在着由于营养物质传输不足导致微藻生物量生产力低的问题[22]。

1.4 附着-悬浮光生物反应器

根据活性污泥法中流化床和固定床的原理，一些研究者通过额外投加载体的方式对藻类悬浮培养装置进行了强化，得到了一些悬浮与附着相结合的光生物反应器。Zhang等将珊瑚绒材料作为载体强化跑道池处理生活污水，COD、TN、TP的去除率分别可达86.61%,73.68%,89.85%，最高生物质生产力可达8.1 g/(m2·d)[23]。Zhuang等将亚麻载体投加到PBR反应器中，发现载体的加入使微藻生物量最大增加30%[24]。

适量的载体的加入并不会对反应器中悬浮生长的藻类产生光抑制，研究表明,附着-悬浮光生物反应器中悬浮生长的藻类生物量生产力与单纯的悬浮培养体系差距不大，因此附着在载体上的藻类生物量可以看作微藻生物量的增量[25]。除此之外，随着载体的加入，曝气产生的气泡在反应器中的停留时间大大增加，提高了二氧化碳的利用效率，这也是附着-悬浮光生物反应器生物量产率提高的原因之一[24]。

2 微藻生物膜培养装置的优势

微藻生物膜培养装置可以有效避免悬浮培养装置中诸如CO2传质效率低，光和水利用效率低，藻细胞收获困难等一系列问题。

2.1 CO2传质效率高

在悬浮培养装置中，液体培养基将微藻细胞与周围的气相分离，CO2必须克服气液界面才能进入培养液中被藻类细胞利用。由于较低的传质效率，悬浮培养装置中培养液CO2浓度对微藻细胞的生长有显著影响。目前大多通过曝气或搅拌的方式为微藻生长提供充足的无机碳源，但这样做不仅会增加生产成本，强搅拌或曝气带来的水流剪切力也会干扰微藻的生长。微藻生物膜培养装置中藻细胞可以长期或间歇性的暴露在空气中直接接触气态CO2，扩散路径短，传质效率高，有效解决了CO2供应问题[21]。研究发现在没有CO2供应装置的微藻生物膜培养装置中微藻依旧可以快速生长[17]。这可能是微藻生物膜中CO2传质效率高，即使在较低的CO2浓度水平下，微藻仍能从气相吸收足够的CO2作为碳源[26]。

2.2 光照利用效率高

在悬浮培养装置中，约10%的总入射可见辐射光因为反射在水-空气表面消散，光照利用效率不高。在微藻生物膜培养装置中，藻细胞长期或间歇性暴露在空气中，这部分光损失可以被微藻有效捕获用于光合作用。其次，由于光照直接作用于藻细胞，悬浮培养中普遍存在的光穿透问题也在微藻生物膜培养装置中得到了很大的缓解。Huang等比较了光照在不同培养体系的穿透性，随着微藻悬浮体的面积生物量密度从0增加到10 g/m2，悬浮体的输出光强迅速从120 μmol· m2/s下降到3 μmol· m2/s，此时10 g/m2,生物膜的输出光强为59 μmol· m2/s[26]。当生物膜生物量密度增加到40 g/m2时，透过微藻生物膜的光强仍为6.06 μmol· m2/s，研究结果表明,光穿透生物膜比穿透微藻悬浮液更容易[26]。Tredici等也报道了类似的结果[27]。

2.3 水的利用效率高

对微藻工业化生产来说，巨大的用水量是一个难以承受的负担。相关研究表明，在悬浮培养装置中生产1 t微藻要消耗200 t的水[27]。但在微藻生物膜培养装置中，仅需少量培养基流经生物膜表面即可维持微藻正常生长，这为大幅度降低藻类培养的需水量提供了可能[21]。Ozkan等研究发现，使用附着培养装置生产1 kg的微藻需要约1 600 L的水，与开放池塘相比减少了45%[12]。Gross等在能量平衡分析的基础上，建立了RAB系统蒸发失水模型，并进行了实验验证，虽然RAB的蒸发损失较高，但每单位生物量的耗水量仅为跑道池的26%[28]。

2.4 土地利用率高

相比于悬浮培养装置，微藻生物膜培养装置独特的几何结构会大幅度提高土地利用率。在悬浮培养装置中，因为光的穿透限制，水的深度有限，垂直方向的空间难以有效利用。微藻生物膜培养装置多采用平行竖直布置，单位土地面积上的生物培养面积远超过悬浮培养装置，显著提高了土地的空间利用效率[29]。这意味着在相同面积的土地上微藻生物膜培养装置拥有更高的生物量生产力和废水处理能力。Liu等研究发现，以生物膜形式培养的微藻单位面积生产力能达到50～80 g/(m2·d)，是生物量生产力悬浮培养的4～7倍，这在土地紧张的地区意义重大[21]。

藻类被广泛认为可以有效去除生活污水中的营养物质，然而城市有限且昂贵的土地限制了藻类悬浮培养装置在污水处理中的应用。微藻生物膜培养装置较高的土地利用效率为藻类在污水处理领域的实际应用提供了可能。

2.5 微藻收集方便

悬浮培养装置中藻细胞密度非常低，RWP中藻类细胞浓度仅为0.5 g/L(藻类干重0.05%或含水量99.95%)，PBRs中约为 2～6 g/L(藻类干重0.2%～0.6%或含水量99.4%～99.8%)[30]。此外藻细胞密度与水相近，尺寸仅微米大小(2～30 μm)[31]。这导致从悬浮培养系统中收获藻类是一件非常困难的事情。目前常用的絮凝沉降-离心工艺需消耗大量的能量和时间才能收获藻类[32]。最近一项关于微藻生产生物燃料的技术经济研究报告表明，从悬浮培养基中收获藻细胞的花费占总成本的 20%～30%[30]。除此之外，有研究表明化学絮凝剂的大量使用还会对藻细胞和环境造成破坏。

为了降低成本，研究者又开发了基于藻类-细菌、藻类-真菌或藻类-藻类相互作用的生物絮凝技术[33]。这种方法可以高效且节能的捕获悬浮藻细胞，而且一般不会造成二次污染。但生物絮凝同样存在不足之处，如果使用细菌或真菌促进藻类絮凝，在收获的藻类中往往会含有一定数量的细菌或真菌，目前的技术水平无法将细菌或真菌和藻类有效分离，收获的藻类仅能用来生产生物燃料，无法用来生产各种高附加值的生物产品[34]。藻类-藻类生物絮凝不需要对收获的藻细胞进行分离处理，但具有自絮凝能力的微藻种类和数量并不是很多，往往需要对非絮凝藻株进行基因工程改造，这又对生态安全造成了潜在威胁[35]。

在微藻生物膜培养装置中，微藻附着在材料表面以生物膜的形式生长，天然地与培养基分离，可以通过机械刮取的方式收获，不需要离心等高能耗过程。研究表明，刮取收获的生物质中藻细胞含量约为10%～20%，与悬浮培养絮凝-离心步骤处理后的藻液浓度相近，完全可以满足下游处理的需要[17]。

3 微藻生物膜培养装置在水处理领域的应用

Pittman等回顾了藻类生物燃料生产的潜力，认为基于目前的技术，不使用废水的藻类养殖不具有经济可行性[36]。Lundquist等分析了藻类废水处理与生物燃料生产的几种不同案例，认为只有使用废水作为培养基才能生产具有成本竞争力的生物燃料[37]。因此微藻生物膜技术在水处理领域的应用前景受到人们的广泛关注，相关研究结果表明，在水处理领域微藻生物膜技术比悬浮培养更具潜力，具体表现在以下几方面。

(1)微藻生物膜培养装置避免了悬浮培养中普遍存在的冲刷问题。微藻基于同化作用吸收废水中的营养物质，因此反应器中微藻生物量是影响废水处理效率的关键因素。废水中氮磷的浓度远低于BG11等培养基中氮磷的浓度，因此需要高供给流量才能维持微藻的生长，但这也会导致严重的冲刷问题，不利于维持反应器中高生物量和出水水质。在微藻生物膜培养装置中，微藻附着在载体上生长，可以有效地避免冲刷问题，藻类生物量生产力和养分去除效率显著提高[38]。

(2)微藻生物膜培养装置对污染物的去除效果更强。微藻胞外聚合物为微藻类提供了大量官能团和结合位点，这些官能团及结合位点可以通过静电作用或络合作用与污染物相结合，提高了微藻对污染物具有良好的去除效果[39]。研究表明，微藻胞外聚合物含量越高，微藻对污染物的去除效果越强[40]。微藻生物膜系统胞外聚合物的含量远远高于悬浮体系，因此对污染物的去除效果远远超过悬浮藻类。王爱丽等研究了不同生长模式下铜绿微囊藻球对合成污水中污染物的去除，经过5 d的处理，生物膜中铜绿微囊藻对合成污水中P的去除率为69.19%，N的去除率达到了92.92%，而悬浮生长的铜绿微囊藻的去除效果相对差很多,P和N的去除率分别只达到了26.77%和36.54%[38]。

微藻生物膜培养装置在处理工业废水时更具优势。黄国兰等研究了蛋白核小球藻对染料深棕NM的去除效果，两天内小球藻生物膜对染料的去除率可达80.5%，而悬浮小球藻仅为18.5%[41](黄国兰，孙红文，宋志慧，等,2000)[40]。Travieso等研究了微藻生物膜对合成废水中钴(3 mg/L)的去除效果，10 d后钴的去除率高达94.5%[42]。Orandi等研究了丝状藻生物膜对酸性矿山废水中多种重金属的去除，结果表明，铜、镍的最大去除率可达初始浓度的50%，锰和锌的最大去除率分别达到40%和45%[43]。

(3)微藻生物膜培养装置耐冲击负荷强。微藻生物膜培养装置中的微藻及其他微生物聚集成群以生物膜的形式生长，在局部构成了稳定的微环境，对pH、温度、浊度、毒性冲击等的抵抗力远远超过悬浮培养装置[44]。即使在极端胁迫下部分微生物消失，其余的微生物仍然能够存活，从而保证了微藻生物膜在极端环境下的生长。此外，微藻生物膜丰富的胞外聚合物也能够缓解极端环境对微藻细胞的破坏。Orandi等研究发现，即使在重金属浓度极高的矿山废水中，以蓝细菌和绿藻为主要物种的生物膜依旧能够存活，并且可以有效吸附废水中的重金属[43]。

由于设计原理不同，各种微藻生物膜培养装置适用于不同种类的污水，表1详细介绍了微藻生物膜培养装置在水处理领域的表现。

表1 微藻生物膜培养装置在水处理领域的应用情况

4 结论与展望

具有良好性能的微藻生物膜培养装置是微藻工业化生产的必备条件，截止到目前为止已经有很多学者进行了相关研究且取得了颇多的成果，但关于微藻生物膜培养装置的研究还存在一定的局现性，有待进一步的研究。

(1)在已报道的微藻附着培养装置中，绝大多数仍处于实验室规模，中试规模的系统到目前为止也非常有限，只有ATS系统得到了商业化应用，到目前为止还无法进行可靠的成本分析。在今后的研究中应着眼于将微藻生物膜培养装置应用于工业化规模的生产环境。

(2)目前研究中涉及的各种微藻生物膜培养装置在接种和采收时大量使用人工，仅少部分研究对附着培养的机械自动化操作进行了讨论。在未来更大规模的微藻生物膜培养装置中，自动化机械的引入是必然趋势，关于这方面的研究亟待加强。

(3)微藻生物膜培养装置中，载体材料的性能对微藻生物膜的微藻的产量和成本决定性作用。具有高表面能的材料(纸、棉制品等)由于良好的附着性能被广泛地应用在各类附着培养装置上，但这些材料耐久性很差，需要进行频繁的更换，不利于藻类商业化生产。未来规模化的附着培养体系中急需一种兼具良好附着性和耐久性的载体材料。