蓝藻控制与资源化

柳后起 朱勇坤 王帆

（1. 中国科学技术大学苏州高等研究院，江苏 苏州 215123；2. 中国科学技术大学－香港城市大学联合高等研究中心，江苏 苏州 215123）

1 引言

大量含有氮磷等营养元素的污水流入水体，导致水体富营养化日益加剧，造成水质恶化与水华爆发，这不仅破坏了生态系统，且对水生生物、饮用水安全和人体健康造成严重威胁［1］。随着人们对高品质生态环境的需求和实现碳达峰碳中和目标的提出，以及藻类存在较高的应用价值的发现，近年来对蓝藻的有效控制以及对其进行资源化和无害化处理，成为蓝藻治理及缓解资源短缺问题的研究热点。

江苏省水利厅自2008 年开始牵头打捞太湖蓝藻，2008—2019 年期间全湖共打捞蓝藻1 400 万t。蓝藻干燥粉具有较高的经济价值，其中总氮、总磷和总钾含量分别达到8.51%，0.49%，0.70%，蛋白质含量为44.82%～57.81%［2］。蓝藻可以发酵制成有机肥，但目前仍缺乏成熟、经济的合成技术。蓝藻也可以用来制备活性炭，但当前技术水平下的生产成本相对较高，且产品性能与商业级活性炭还存在较大差距。

目前蓝藻控制的首要问题是捕捞与脱水问题，需要进一步研发能耗低、分离效率高的藻水分离脱水技术和设备，以更好地服务于后续的资源利用。另外，蓝藻毒素的去除还缺少完善的技术［3］，这也是限制其资源化利用的一大阻碍因素。因此，今后蓝藻资源化利用需要在藻体脱水技术及设备的研发、藻毒素的去除、无害化处理、新型资源化利用方式等方面展开研究，从而解决蓝藻的控制与科学合理的资源化利用问题，为做好蓝藻无害化处置和资源化利用提供理论指导。

2 蓝藻机械控制

蓝藻清除方法主要包括物理化学法、生物法和生化法。物理除藻方法包括人工和机械打捞、微滤、气浮和磁分离控藻等。其中打捞法是我国目前减轻蓝藻生态灾害和降低其再次爆发强度，保护水体生态环境最直接、最安全、最有效的应急与治理措施。通过收获蓝藻，既能有效减轻湖泊的氮磷污染水平，又能对蓝藻加以资源化利用。

磁分离技术主要利用磁性接种技术使水中非磁性或弱磁性的颗粒带上磁性，再借助外力磁场的作用，将具有磁性的悬浮颗粒分离出来。磁分离技术对微生物和藻类等都有较好的去除效果。相比于其他物理法控藻手段，磁分离控制藻华具有效率高、工艺时间短等优点，整个流程仅需2 min 左右，净化效率可达90%以上。设备占地面积小，整套工艺只有一般沉淀池的1/20 左右；处理后藻泥含水率低；磁分离工艺设备构造简单、维护方便［4-7］。

（1）水上移动式打捞设备。水上移动式打捞蓝藻是采用水上移动平台作为载体，利用磁分离装置对经磁絮凝富藻水经过一体式净化设备处理，主要过程包括进水、絮凝、分离、出水、磁种回收、藻渣脱水等。这种方式灵活机动，运行效率高效，适合于大面积湖库蓝藻水华的应急防控。该方式的代表技术之一为藻水在线分离磁捕技术，它具有节能和高效的优点，是藻华水体净化的有效方法之一［8-10］。另有一体化高效蓝藻浓缩脱水收聚船技术，该技术适用于在大规模蓝藻爆发的富营养化湖泊湖面进行现场减容。

（2）岸基固定式打捞蓝藻。目前，在水上蓝藻应急打捞船的基础上，已开发出近岸藻水磁分离平台，根据风向和蓝藻流向，在下风口/下游设置蓝藻水华自动收集站，驱动自流系统，高效聚集蓝藻，再通过抽吸藻水进入岸基固定式平台进行处理，处理后清水还湖，在岸上进行磁种回收与藻渣脱水等工作［11-12］。

3 蓝藻处置及资源化利用

一般陆生植物仅能利用0.5%的太阳能转化为生物质，而藻类利用太阳能的效率可达10%。目前藻类处置方式及用途主要包括卫生填埋、厌氧发酵产沼气发电、制生物肥料、生物柴油、焚烧发电、制生物塑料、提取藻蛋白、制生物炭等［13-14］。

3.1 卫生填埋

卫生填埋一般选择与城市垃圾一起填埋，通过蓝藻自然降解过程达到无害化的处理。污泥填埋操作相对简单，所需费用相对较低，但填埋场占用较多的土地资源，对周边生态环境影响较大，若防渗措施不当还会造成潜在的土壤和地下水污染，因此填埋方式日益受到限制，未来将被新处理措施替代。

3.2 制有机肥原料

藻泥中含有较高的氮、磷元素，它是较为理想的植物肥料，但由于藻泥中可能含有未被完全降解的藻毒素，因此，由藻泥制成的有机肥料产品无法用于蔬菜、水果等食用型农作物，但可用于花卉、苗木等绿化植物。

3.3 厌氧发酵原料

利用厌氧发酵产生沼气和生产肥料处理蓝藻曾经被认为是解决蓝藻资源化处置的理想方法。但是，由于蓝藻厌氧发酵产沼气和制生物肥料在工艺经济性、高效性等方面还存在明显不足［15］，另外，藻泥沼气发电及藻水沤肥还田难以满足当前环保要求，导致该技术的推广应用受到阻碍，多个藻泥沼气发电项目已于近年关停。蓝藻作为厌氧发酵原料生产挥发性脂肪酸（VFAs）具有一定的可行性，当pH 为9时VFAs 具有较高的产率［16］。

3.4 提取藻蛋白

藻蛋白应用研究始于发现这种蛋白可用于医疗、食品加工以及化妆品生产等行业［17］。蓝藻中富含植物蛋白、氨基酸、细胞多糖和色素等营养成分，可作为天然食用色素改善食品色泽［18］。藻蛋白由别藻蓝蛋白、藻蓝蛋白和藻红蛋白3 类组成，具有较高的应用价值［19］。近年来对蓝藻生物活性成分的利用已成为生物学和食品学等学科的研究热点［20］。藻体中含有大量高蛋白物质和不饱和脂肪酸，不含胆固醇，可作为渔业饲料，具有巨大的利用价值。因藻蛋白具有灵敏的光谱吸收性质，可用在光电材料中完成可见光范围内的信息转换［21］。藻蓝蛋白和藻红蛋白具有特征性的荧光光谱吸收与发射峰，可通过荧光特征的分析应用于环境监测中［22］。藻毒素是目前藻类资源利用的一大障碍，但藻毒素作为一类天然毒素，在生物制药方面具有重要用途和开发利用价值［23］。

3.5 提炼生物柴油

藻类可成为持续利用的能源，如利用微藻作为生物柴油原料，在产油量和所需土地面积等方面具有一定优势［24］，微藻含油质分数高达干重的80%［25］。高产油型蓝藻与生物柴油的其他原料相比，具有较显著的生产优势［26-27］。尽管目前蓝藻进行生产柴油的提炼技术还不完善，如提取分离难度大、油品品质有待提高等问题，但蓝藻液化制取生物油有良好的发展趋势与应用潜力［28-29］。

3.6 制备活性炭

蓝藻活性炭强度高、吸附速度快、容量高，可用于废气净化、污水处理、脱硫等净化处理工艺，以蓝藻为原料制备活性炭的制备周期短，这为蓝藻资源化利用提供了新思路［30］。利用蓝藻制备的活性炭对CO2的吸附量达3.85 mmol/g［31］。直接活化法制备蓝藻基活性炭，比表面积高达1 951 m2/g［32］。蓝藻生物炭作为过硫酸盐活化剂，对橙黄G 的去除率可达99.9%，优于水稻秸秆生物炭基材料［33］。藻类通常含有丰富的纤维素和杂原子，它们是杂原子掺杂碳的合适前体，有望大规模生产多孔碳。制备出的多孔碳具有发达的孔隙、可调节的微结构和稳定的化学成分，在能量储存和环境污染控制方面具有重要应用价值［34］。

3.7 制造生物塑料及黏合剂

藻泥的主要成分是藻细胞，藻蛋白在干物质中含量高达30%以上，它是制造生物塑料和黏合剂的理想原料之一［35］。相应的黏合剂产品为天然物质，相对于传统的醛类黏合剂更加环保安全。藻泥制作黏合剂的研究已经具备中试规模，未来可作为一种常规的藻泥资源化利用途径加以推广。2015 年1月，首批藻粉出口至美国用作生物塑料制造企业的原料，可以制作包括塑料托盘、塑料薄膜、可再生垃圾袋、3D 打印耗材等产品，这为藻泥资源化利用提供了一条新途径［30］。

3.8 焚烧及气化发电

生物质气化发电技术既可以实现可再生能源的有效利用，又能减轻各类低热值有机废弃物的环境污染，如利用藻泥作为焚烧发电的原料，尤其适用于藻毒素含量较高的藻泥。经焚烧后，有机质以气体形式散发，残渣为无机灰烬，最终实现安全处置。气化发电是一种较为先进的藻泥资源化利用技术，目前尚处于试验性和初试应用阶段，其产业化需要大量的生物质供应，未来可作为藻泥处置的有效方式之一。

4 存在问题与控制利用建议

蓝藻打捞处置尚存在较多问题，主要包括：蓝藻打捞和浓缩难，蓝藻资源化利用或处置时运输成本和前处理费用较高；蓝藻脱毒是资源化利用的最大障碍，目前缺少完善的降解技术；资源化利用率低；蓝藻无害化处置、蓝藻资源化利用项目投资大，运行成本较高，且藻泥产量波动较大，容易造成生产设备闲置。

藻类资源化利用虽能解决藻泥问题，同时又能将藻类转化为人类可利用的资源或能源，理论上具有良好的应用前景，但目前国内外的蓝藻资源化利用技术尚不成熟，总体利用水平较低，需要综合考虑藻类资源化利用的经济可行性、安全性和技术优缺点，并需要加强与其他污水处理技术工艺的有效结合，以加强蓝藻资源化利用及更好地应用于污水处理领域。