垃圾渗滤液培养微藻研究进展：向碳中和迈进

2022-12-01陈俊任张立斌刘晴晴任子安韩庆祥张立杰

工业水处理 2022年11期

陈俊任，张立斌，刘晴晴，任子安，韩庆祥，张立杰

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072）

随着全球人口的不断增长，人类活动越来越频繁，随之而来的便是堆积成山的城市固体垃圾废物〔1〕。目前，城市垃圾最常用的处理方式包括卫生填埋、焚烧和堆肥等〔2-3〕。垃圾在堆积过程中经过一系列的生物分解与物理化学过程，产生一种成分复杂、毒性较大的渗滤液〔3〕，这种高毒、高污染垃圾渗滤液已经严重威胁到了自然水源，采用高效的处理技术对其进行处理是解决环境问题的重中之重。

近年来微藻以其生长周期短、光合作用强、油脂产率高等与碳中和目标相关的竞争性优势进入废水处理研究的主流技术领域〔4-6〕。一方面，垃圾渗滤液中含有碳、氮、磷等营养物质，可以为微藻生长提供充足的营养源〔7〕，另一方面，微藻可以吸收去除渗滤液中的污染物，实现对垃圾渗滤液的有效净化，因此利用垃圾渗滤液培养微藻实现废水处理与生物质生产有效集成的研究成为废水与能源研究领域的攻关热点。然而，截至目前，关于这方面的综述报道很少，相应地，对于该技术所面临的难题及技术瓶颈的讨论也较少。笔者从垃圾渗滤液的特点、渗滤液预处理技术、微藻培养的生物能源生产分析入手，梳理垃圾渗滤液培养微藻的各个环节存在的技术难点，挖掘切实可行的解决途径，提出“微藻全链条”新理念，以期实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的全链条响应机制。

1 垃圾渗滤液的特点

垃圾渗滤液是指来源于垃圾填埋场中垃圾本身含有的水分、进入填埋场的雨雪水及其他水分，扣除垃圾、覆土层的饱和持水量，并经历垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度的有机废水，还有堆积的准备用于焚烧的垃圾渗漏出的水分。垃圾渗滤液具有有机物含量高、氨氮高（1 000～5 000 mg/L）〔8〕、无机化合物种类多、重金属离子种类多等特点。渗滤液中的高营养物质、高浓度有机物以及其他有毒有害化合物，如重金属和异生物质（如酚类和农药）等，对人类和环境构成严重威胁〔9〕。

利用垃圾渗滤液培养微藻实现垃圾渗滤液处理与微藻生物质的有效集成成为污水资源化新的突破点。然而，由于垃圾渗滤液高氨氮、高浊度等特点，不适合用于直接培养微藻，必须对其进行一定程度的预处理。

2 垃圾渗滤液预处理

垃圾渗滤液的高色度、高浊度、高盐含量等水质特点限制了微藻的高效生长，对其进行预处理后用于微藻培养成为废水培养微藻领域的主流〔10-11〕。目前，针对垃圾渗滤液培养微藻的预处理方法主要有淡水稀释法、高级氧化法、混凝-过滤/吸附法等。

2.1 淡水稀释

由于垃圾渗滤液中的碳、氮及有害物质浓度过高，抑制了微藻生长，用淡水将渗滤液中的污染物稀释至合适的浓度来培养微藻有利于收获合适的生物量。Z. T. KHANZADA 等〔12〕采用淡水对垃圾渗滤液进行了不同比例的稀释预处理，得到垃圾渗滤液质量分数为10%～100%的系列溶液，并将其用于微藻菌株生长评估，结果显示，稀释后混合溶液中微藻生物量明显上升，当渗滤液质量为混合溶液的50%时微藻生长最为理想。H.O.TIGHIRI 等〔8〕通过稀释得到不同浓度的垃圾渗滤液，采用光生物反应器序批式培养微藻，研究发现，最佳稀释比例下，微藻可将渗滤液中83.6%的总氮和90%的COD 转化为生物质，所获取生物量大大提高。

利用淡水稀释实现垃圾渗滤液预处理后用于培养微藻，虽然在操作上简单易行，但当渗滤液成分特别复杂时微藻的培养效果往往不达预期。此外，采用大量淡水对垃圾渗滤液进行稀释造成了水资源的极大浪费，也使得该技术成本大大提高。未来研究中可以采用废水对渗滤液进行稀释来进一步优化该手段，以此降低渗滤液的预处理成本，避免水资源的浪费。

2.2 高级氧化

垃圾渗滤液中含有难降解有机物，利用淡水对其进行稀释仅仅是减轻了其对微藻生长的不利影响，并不能从根本上解除其对微藻生长的抑制。高级氧化工艺（AOPs）在去除难降解有机物方面效果较好，且其最终产物是CO2、水和其他无机离子，对环境无害〔13〕，可考虑将经其预处理后的垃圾渗滤液直接用于微藻培养。

2.2.1 电化学氧化技术

电化学氧化技术是一种备受关注的绿色技术，其通过在电场作用下产生的羟基自由基（·OH）、超氧自由基（O2·-）等活性氧来高效去除多种难降解污染物〔14〕，可有效缓解微藻处理垃圾渗滤液的压力。

H2O2、高锰酸盐、臭氧和过硫酸盐（PS）是AOPs中最常用的氧化剂〔15〕。Weixuan ZHANG 等〔16〕通过过硫酸盐-铁碳微电解（PS-ICME）系统对垃圾渗滤液进行预处理，并采用响应面法确定3 个独立变量（pH、铁碳质量比、过硫酸盐投加量）与响应值（COD）之间的关系，结果显示，在初始pH 为7、铁碳质量比为3、过硫酸盐投加浓度为85 mmol/L 时系统对垃圾渗滤液的处理效果最佳，COD 去除率达到62.91%，微藻可以直接利用预处理后的垃圾渗滤液进行生长代谢。尽管利用微藻进行废水生物修复以去除有毒物质及回收营养物质的可行性已被证实〔17-18〕，但像高游离氨氮（FAN）、高色度、重金属、有毒的外源有机物、细菌和渗透压这些因素却依然制约着微藻处理技术的发展〔19〕。Haixing CHANG 等〔20〕通过对反渗透浓缩液（ROC）进行电氧化预处理，使ROC 中FAN 由53 mg/L 锐减到13.9 mg/L，色度由1 600 倍降至100 倍，极大地缓解了微藻处理的后续压力。

利用电化学氧化技术预处理垃圾渗滤液来培养微藻效果良好，然而一直存在的电极成本较高、能耗较大等电化学氧化技术的固有问题限制了该技术的规模化应用进程。

2.2.2 臭氧氧化技术

臭氧氧化是另一类常用的渗滤液高级氧化预处理方法，渗滤液中难降解有机物可在臭氧和·OH 的联合作用下被降解甚至矿化〔21〕。J. DERCO 等〔22〕利用臭氧氧化法预处理新鲜的和成熟的2 种垃圾渗滤液，结果表明，臭氧氧化技术对于成熟的垃圾渗滤液中有机物的去除效果较好，反应2 h 后COD、有机碳、氨氮的去除率分别达到65%、43%、32%，可以为微藻生长提供合适的碳、氮浓度。但是因臭氧氧化后废水BOD5＜2 mg/L，可生化性较低，综合来讲依然不利于微藻后续的培养。

此外，将臭氧氧化与其他工艺技术相结合应用于垃圾渗滤液的处理成为新的攻关领域。Weiming CHEN 等〔23〕将生物滤池（SAARB）与臭氧氧化技术相结合处理垃圾渗滤液，渗滤液可生化性大大提高。R. POBLETE 等〔24〕以木屑作为活性炭材料，将吸附和臭氧氧化相结合对垃圾渗滤液进行净化研究，结果表明，木屑的形状和孔隙的不规则性导致其对渗滤液中的氨氮、铁和铜去除能力较强，解除了氨氮和重金属对微藻生长的抑制，缓解了微藻后续的生长压力。此外，在过滤、吸附、光Fenton 与臭氧氧化相结合的综合处理技术中，渗滤液中COD、色度、氨氮和腐殖酸的去除率均高达95%以上，碳、氮浓度，浊度，腐殖酸不再是微藻生长的限制因素。

臭氧氧化技术在反应前期对有机物的去除效果明显，但对渗滤液中难降解物质的降解没有明显的改善，预处理后的渗滤液用于微藻培养效果不是特别理想，而且还存在臭氧利用率低、成本高等缺点。未来研究应侧重于进一步提高臭氧氧化技术对于难降解有机物的处理性能。

2.3 混凝-过滤/吸附法

垃圾渗滤液中氮、有机物含量高，其高毒性和低生物降解性的特点使得微藻在吸收利用污染物方面效率低下〔25-26〕，为解决此问题，研究人员将混凝和过滤、吸附等技术相结合，以期提高对垃圾渗滤液的预处理效果。

S. S. KAMALA 等〔27〕将混凝和过滤技术相结合，以NH4Al（SO4）2为混凝剂对渗滤液进行混凝处理，之后采用改进的过滤系统对混凝处理后的渗滤液进行过滤净化，之后用于小球藻培养。结果显示，小球藻在预处理后的垃圾渗滤液中生长良好，可将97%的COD和69%的总氮转化为生物质。M. SOBRINHO 等〔28〕将混凝/絮凝和吸附相结合，首先用熟石灰与蒸馏水制备“石灰乳”来凝结渗滤液中的污染物，然后用牡蛎粉作为吸附剂对渗滤液中凝结物进行吸附，使渗滤液中95%的BOD 和40%的COD 得到了有效的处理。

混凝、吸附这类综合技术在预处理垃圾渗滤液用于微藻培养方面，具有绿色环保、简单方便的优点，但其居高不下的成本限制了这类技术的发展。为了提高该技术的经济可行性，需要在开发新型天然活性剂、低成本活性剂、当地可获得的生物质、高比表面积纳米颗粒方面做出更大努力〔29〕。

3 垃圾渗滤液培养微藻的生物质集成

垃圾渗滤液经有效的预处理后可以用于微藻培养，微藻可以利用垃圾渗滤液中的无机盐（如氮、磷）作为营养源，以CO2和废水中的有机碳作为碳源，通过光合作用产生生物能源，实现能源生产、垃圾渗滤液净化的有机统一〔30〕。微藻细胞内的活性物质主要有油脂、多糖、蛋白质、色素等天然化合物，可广泛应用于生物柴油、生物制药、生物塑料、保健品等领域〔31〕。

3.1 油脂

相较于一般柴油，微藻生物柴油氧、硫含量低，燃烧时排放的一氧化碳和硫化物也相对较少。因此，微藻制备的生物柴油作为一种可生物降解、可再生、无毒、低碳的环境友好型能源成为研究热点〔32〕。

H.O.TIGHIRI 等〔8〕发现垃圾渗滤液培养的微藻可以积累丰富的脂肪酸，其中C16～C18 的积累量高达85.47%～87.69%，这与A. HERNANDEZ-GARCIA等〔33〕研究发现的微藻更易合成链长在C16～C18 之间的脂肪酸相一致。G. V. TAGLIAFERRO 等〔34〕通过自来水稀释垃圾渗滤液来培养小球藻，发现藻细胞内脂质积累可达到（96.6±7.8）mg/（L·d）。Haix⁃ing CHANG 等〔20〕采用经电氧化法预处理的渗滤液对小球藻进行培养，与未经电氧化预处理的对照组相比，微藻生物量从0.98 g/L 提高到1.27 g/L，同时微藻所积累的脂质质量浓度高达491.5 mg/L。

3.2 多糖

大量研究证实，微藻中提取的多糖品种多样，具有抑菌、抗氧化、抗病毒、增强免疫功能且毒副作用低〔35〕，利用渗滤液培养微藻可用于多糖生产。

A. HERNANDEZ-GARCIA 等〔33〕利用不同配比的垃圾渗滤液与市政废水相混合所得的混合液培养微藻，微藻生物量达到了1.3 g/L，微藻在C、N 元素营养限制条件下碳水化合物的积累量高达41%，这可能是由于渗滤液中含有的较高浓度的有机碳可以被微藻吸收转化为碳水化合物。此外，营养限制条件也会促进碳流转向碳水化合物的合成，这些结果与I.PANCHA 等〔36-37〕研究所得的结论一致。

3.3 蛋白质

微藻可以将小分子物质（如CO2或NH3-N）转化为蛋白质等增值大分子〔38〕，表现出极强的蛋白质生产力〔39〕。

R. LAKSHMIDEVI 等〔40〕采用双室藻类辅助微生物燃料电池（AAMFC）将微藻培养与渗滤液处理相结合，在渗滤液被稀释为原浓度的50%时，可以获得更高的蛋白质产量〔（580.78±0.03）mg/L〕。实验同时还探究了盐度对AAMFC 的影响，结果表明，当加入30 mmol/L NaCl 时，体系最大功率和电流密度都有所增加，积累的蛋白质质量浓度增加到了（618.7±1.26）mg/L。C. VIEGAS 等〔41〕采用生物质底灰对垃圾渗滤液进行化学沉淀预处理，以处理后的渗滤液代替原始培养基进行生物修复与生产，渗滤液培养基与对照培养基中积累的蛋白质的质量浓度分别为0.42、0.52 g/L，这表明利用垃圾渗滤液培养的微藻与采用对照培养基所得微藻对蛋白质的生产能力相当。

3.4 光合色素

光合色素除了在光合作用中发挥着不可替代的作用，其本身也是一种高价值的资源，在生物制药、食品、化妆品及保健品等生产中有着巨大的商业价值和潜力。例如，叶绿素a 具有抗氧化性，常被用作营养物质或者食品添加剂〔42〕，β-胡萝卜素是维生素A 的前体，在视觉和免疫系统中发挥着重要的作用〔43〕。

S. S. KAMALA 等〔27〕利用预处理后的渗滤液培养小球藻，28 d 后小球藻中产生的叶绿素和类胡萝卜素质量浓度分别达到4.62 µg/mL 和1.99 µg/mL。Xin ZHAO 等〔44〕采用城市污水和垃圾渗滤液的混合液进行高密度微藻培养，结果表明，在混合液中垃圾渗滤液质量分数为10%时，体系可以获得最大的叶绿素质量浓度（22 mg/L），比没有添加渗滤液的体系叶绿素产量提高33%。

笔者对微藻将垃圾渗滤液中的有机污染物转化为生物量、脂质、多糖、蛋白质及色素进行积累的相关研究进行了总结归纳，部分成果见表1。由表1 可知，利用垃圾渗滤液培养微藻以同时实现微藻良好生长与能源积累具有切实可行性。

表1 微藻将垃圾渗滤液中的有机污染物转化为生物质进行积累的相关研究Table 1 Study on microalgae transforming organic pollutants in landfill leachate into biomass for accumulation

微藻在废水中的生长代谢见图1，微藻可以吸收废水中的C、N、P 等营养元素，以及Cu、Zn、Mn 等金属元素，在CO2存在下，经过卡尔文循环产生3-磷酸甘油醛（C3），3-磷酸甘油醛经过一系列反应可合成淀粉、脂质和蛋白。因此，微藻细胞内碳基化合物的合成共用一个碳前体3-磷酸甘油醛，存在竞争关系〔45〕。垃圾渗滤液含有丰富的有机碳源、一定量的盐和金属离子，有利于调控碳流转化，促进微藻中油脂的积累。目前，利用垃圾渗滤液培养微藻用于生物能源生产的研究主要聚焦于藻细胞内脂质、多糖、蛋白质、色素等化合物的合成，其背后的合成机制研究较少，因此，探究微藻在垃圾渗滤液中的碳流转化和油脂合成机制是能源领域的前沿热点，也是未来利用垃圾渗滤液培养微藻用于生物能源生产领域需要努力的方向。

图1 微藻在废水中的生长代谢Fig.1 Growth and metabolism of microalgae in wastewater

4 助力碳中和目标的实现

全球气候变暖日渐引起人们的关注，目前全球已有120 多个国家和地区提出了碳中和目标，社会发展正快速进入“低碳经济”发展轨道〔46〕。从可持续发展的角度来看，生物固定CO2技术是实现碳减排、推动碳中和的最主要、最有效果的方式。在高效固定、转化CO2的微生物物种中，微藻以其生命力顽强、生长速度快、产物丰富多样等优点成为固碳生物的典型代表。

垃圾渗滤液是不可忽视的CO2排放体，主要在于：（1）对垃圾渗滤液进行降解处理会产生大量CO2；（2）渗滤液中含有较高浓度的碳酸盐，其大量进入自然界后将有可能转化为CO2进入大气，从而加剧温室效应；（3）垃圾渗滤液中含有大量有机碳，渗滤液中微生物菌群的生长代谢可以将丰富的有机碳转化为CO2，据报道我国每年垃圾渗滤液处理量达1 亿t，因菌群代谢产生的CO2约为3 700 万t，位居前10 大碳排放行业〔47〕。

对于垃圾降解产生的大量CO2，微藻可通过光合作用将其固定并转化为有机物，其对太阳光的单位面积利用率可以达到普通高等植物的10 倍以上。研究表明，微藻细胞内碳的质量分数高达50%以上，每生产1 g 的微藻大约消耗4.52 g 的CO2〔48〕。更重要的是，微藻作为高效的太阳能转换器，通过在水中悬浮生长可以更加高效地利用水、CO2和其他营养物质合成油脂，且所合成的油脂多为中性脂，可用于生物柴油的制备，极大地缓解传统化石燃料的压力〔49〕。

除了通过光合作用吸收利用气态CO2以外，微藻同样可以利用垃圾渗滤液中的碳酸盐、有机盐进行生长和能源积累。渗滤液中无机碳的主要存在形式为重碳酸盐，藻类拥有活跃的碳酸盐清除机制，可以将自身细胞内的碳酸氢盐浓缩，随后，细胞内的碳酸酐酶又会自发脱水或自然脱水产生CO2，最后通过卡尔文循环将CO2以生物量的形式捕获〔50〕。据统计，每生产1 g 的微藻可以固定2.42 g 的〔51〕。

此外，研究表明，微藻可以将渗滤液中70%～97%的有机碳转化为胞内的糖类、脂质、蛋白质等能源活性物质，避免了垃圾渗滤液中的微生物菌群将有机物代谢转化为CO2（每去除1 g 碳可以产生3.7 g的CO2）〔47〕，有效推动了减污降碳协同增效，可助力实现碳达峰、碳中和。

5 未来技术设想：微藻全链条模式

针对前文所述的几种主要垃圾渗滤液预处理方式及所存在的问题，笔者所在团队提出了一种新型的预处理方式，大胆设想仅利用微藻培养实现废水预处理。虽然直接利用垃圾渗滤液培养微藻并不理想，但随着第1 批直接培养的微藻的收获，垃圾渗滤液生化废水的浊度、氨氮、重金属含量都将大大降低，即第1 批微藻培养仅用于实现预处理；然后接种第2 批新鲜的微藻到收获后的垃圾渗滤液中，微藻将会迎来生长的鼎盛时期；收获后紧接着接种第3 批、第4 批，实现循环利用垃圾渗滤液培养微藻，建立“微藻全链条”新模式，实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的全链条响应机制，其示意见图2。

图2 “微藻全链条”模式示意Fig.2 Schematic diagram of“microalgae whole chain”mode

对目前主要的几种预处理方式及微藻全链条模式进行成本估算，结果见表2。

表2 预处理方式成本估算Table 2 Cost estimation of the pretreatment methods

由表2 可知，高级氧化法成本普遍偏高，其中臭氧氧化方式仅电能消耗就是一笔不小的开销；淡水稀释的方法虽然成本不是很高，但会造成大量淡水资源浪费；混凝沉淀的方式想要达到理想的污染物去除效果通常也需要较高的成本；而由于垃圾渗滤液中磷含量相对较低，“微藻全链条”新模式下微藻的培养需外加磷，其成本仅为磷药剂的成本，经计算每生产1 kg 微藻生物质仅需要消耗4.0 元。因此，采用“微藻全链条”实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的新模式，一方面可以降低微藻培养成本，另一方面还能大大节约淡水资源，是一种最具潜力的技术手段。