利用微藻处理酿酒废水及资源化的研究进展

黎崎均，苏建，张富勇，苟梓希，刘莉，陈仕江，袁春芳，乔宗伟，安明哲

（宜宾五粮液股份有限公司，四川宜宾 644007）

酒精饮料在全世界范围内都是人类生活娱乐中备受喜爱的饮品之一。通常，酒精饮料可以分为两大类：发酵酒精饮料（如啤酒和红酒）和蒸馏酒（如白酒、白兰地和威士忌）。随着社会经济的高速发展，酒精饮料的产量也逐年上升。由于生产过程产生大量的废水，酒厂也成为环境污染的主要来源之一〔1〕。据估计每生产1 L发酵酒精饮料会产生1～10 L的废水，1 L蒸馏酒会产生15～48 L废水〔2-4〕。未经处理的酿酒废水直接排放至水体容易引起许多环境问题，如水体富营养化等〔5〕。为了满足日益严苛的环保法规，酒厂必须在废水治理方面投入大量资金和努力，有效避免或尽量减少污染物对环境的不利影响〔2，4〕。

常见的废水处理方法被分为物理化学方法和生物方法，主要的物理化学方法包括沉降、絮凝、氧化、电解、过滤和反渗透等，而生物方法主要包括厌氧处理法和好氧处理法〔1〕。传统成熟的酿酒工业废水处理方法通常是物理化学和生物过程的不同组合〔6〕，图1展示了五粮液公司采用的废水处理系统。尽管传统废水处理工艺被多数酒厂所采用，但是该工艺仍存在一些缺陷，如能耗高、操作和维护成本高、污泥处理量大等〔4，7〕。因此，需要寻找一种环境友好且经济有效的废水处理方式来替代传统工艺。

图1 五粮液公司采用的传统酿酒废水处理工艺Fig. 1 Conventional basic process of distillery wastewater treatment process adopted by Wuliangye Company

一种基于微藻的新型废水处理方式被认为是环境友好且低成本的技术，有望取代现有的废水处理方式。微藻具有光合效率高、繁殖速度快、环境适应性强等多种优点。另外，微藻还可以将废水中的营养物质转化为生物质，实现废水资源化利用，并且通过固定空气中的二氧化碳来减轻温室效应〔7-8〕，符合目前减碳政策的需求。近几十年来，科研人员对基于微藻的废水处理技术进行了长期探索和大量研究，许多研究表明微藻废水处理技术对城市废水、农业废水和工业废水具有较高的净化效率，从废水中回收的微藻生物质可以用作生产高附加值产品的原料，如生物能源、生物肥料和动物饲料等〔9-10〕。由于微藻技术集合了废水治理、二氧化碳减排和资源化利用等多重作用，所以其被认为在“循环经济”的发展模式中扮演了重要角色，为双碳战略和资源回收提供了新的方向〔4，10〕。笔者总结了近十年来微藻在酿酒废水处理中的研究和应用，从酿酒废水的特性、微藻净化机制、影响因素、生物质应用等方面介绍了基于微藻的酿酒废水处理技术，并讨论了该技术的优缺点。

1 酿酒废水的特征

酿酒废水中通常包含复杂的有机物，如糖、淀粉、乙醇、有机酸、酯类以及酚类等，这导致酿酒废水具有很高的COD和BOD。另外，酿酒废水富含营养物（氮元素、磷元素等）和各类无机离子（钾、钙等）。不同酒精饮料生产过程产生的废水也具有不同的特点，如表1所示〔2，5-6，11〕。

表1 不同酿酒废水的特性Table 1 The characteristics of various distillery wastewater

总体而言，蒸馏酒产生的废水有机物浓度相对高于发酵酒精饮料。此外，酿酒工艺不同阶段产生的废水也具有不同的特点，如表2所示〔1，12〕。

表2 酿酒过程不同工艺阶段的废水特性Table 2 The characteristics of wastewater in different process stages of winemaking

由表2可知，酒糟废水与其他废水有较大的区别，颜色深，pH低，BOD和COD也显著高于其他工艺阶段。

2 微藻对酿酒废水中营养元素的同化机制

微藻是一种光合自养的微生物，可以吸收废水中的营养元素并将其转化为微藻生物质。碳、氮、磷3种元素是藻细胞的基本组成。在不同的生长模式下，微藻可以利用无机碳源（如CO2、HCO3-）和有机碳源（如葡萄糖、醇类、有机酸）。光照条件下，微藻以光自养的模式生长，固定二氧化碳并释放氧气。但空气中的二氧化碳浓度较低，不能支持微藻快速生长。富含二氧化碳的工业废气可作为低成本补充碳源，用于微藻培养，起到降低碳排放、缓解温室效应的作用。而在异养或者混养的生长模式下，微藻可以利用葡萄糖等有机碳源。在暗发酵条件下，微藻可以通过吸收葡萄糖和乙酸盐来实现细胞增殖，获得较高的生物质产量〔13-15〕。图2展示了微藻利用不同碳源进行生长代谢的途径〔16〕。

图2 微藻利用废水中营养元素的机制Fig. 2 Mechanism of organic and inorganic nutrient removal from industrial wastewater by microalgae

氮元素是微藻生长代谢的重要元素之一，其参与了蛋白质、叶绿素、酶、RNA、DNA等多种物质合成。废水中氮元素含量丰富，通常以铵根离子（NH4+）、硝酸根离子（NO3-）和亚硝酸根离子（NO2-）形式存在。其中，由于同化能耗需求低，NH4+是微藻利用效率最高的氮元素形式〔17〕。如图2所示，NO3-和NO2-在被微藻吸收利用前，需要被还原成NH4+，还原反应发生在NO3-和NO2-穿越细胞膜和叶绿体膜的过程中〔8〕。另有研究表明，一些特殊微藻也可以利用简单的有机氮源（如尿素和氨基酸）进行生长代谢〔18-19〕。

磷元素是微藻生长代谢的另一种重要元素，是合成RNA、DNA、ATP、磷脂和蛋白质的必需元素。磷元素在废水中以多种形式存在，主要为磷酸根（PO43-）、磷酸氢根（HPO42-）、磷酸二氢根（H2PO4-）以及有机磷。如图2所示，以HPO42-和H2PO4-形式存在的无机磷更容易被微藻同化吸收，在微藻代谢过程中通过磷酸化合成ADP，进一步还可以转化为ATP〔16，20〕。ATP形成过程所需的能量可以通过底物氧化、线粒体电子传递链、光能转化等途径获得〔20〕。当环境中磷元素浓度过高时，微藻细胞可以将过量的磷酸盐储存在胞内，形成多磷酸盐颗粒。当环境中磷元素供给不足时，微藻则可以利用胞内储存的磷元素进行生长代谢〔21〕。

3 微藻处理酿酒废水的方式

3.1 单一微藻处理酿酒废水

近年来，采用单一微藻处理酿酒废水的研究主要聚焦于藻种筛选和酿酒废水的预处理。Chunfeng SONG等〔22〕比较了4种微藻（Chlorellasp. L166、Chlorellasp.UTEX1602、Scenedesmussp. 336、Spirulinasp. FACHB-439）对啤酒废水的净化效率，结果表明，当初始条件COD为2100 mg/L、TN为45 mg/L、TP为7 mg/L、NH3-N为23 mg/L时，4种微藻中Scenedesmussp. 336表现出最优的净化效果，COD、TN、NH3-N、TP的去除率分别达到85.23%、78.94%、95.00%、97.80%。Cuixia LIU等〔23〕从废弃铜矿中分离出1株微藻（Diplosphaerasp. MM1），该藻株被证明在修复奶厂废水和葡萄酒厂废水时具有巨大的应用潜力。在文献〔24〕中，螺旋藻Spirulinasp.被应用于处理厌氧消化后的酿酒废水。该酿酒废水的COD高达40000 mg/L，在氙灯和阳光照射下，Spirulinasp.可以使废水中COD降低60%～70%。小球藻（Chlorellasp.）是另一种常用于酿酒废水处理的微藻。H. J. CHOI〔15〕的研究表明曝气和光照条件可以提高Chlorellasp. 在废水处理过程中的去除效率，其中TN和TP的去除效率分别比其他条件高出9.7%和11.86%。由于酿酒废水色泽深、pH低以及COD高，许多研究人员在利用单一微藻处理时需对废水进行预处理，如过滤、稀释、厌氧消化等。在Feng LI等〔25〕的研究中，酿酒废水先经过膜过滤，然后再利用Chlorella vulgaris进行处理，TN、TP和COD的去除率分别达到80%、94%和72.24%。

3.2 微藻与其他微生物共培养处理酿酒废水

单一微藻处理酿酒废水存在一些缺点，比如维持无菌培养成本高、微藻生物质采收困难等〔3〕。而通过将微藻与其他微生物共培养的方式则可以避免这些缺点。共培养系统通常对不利环境具有更好的耐受潜力，微藻和其他微生物共生容易形成更大的聚集体，有利于后期生物质采收。作为自然界的分解者和生产者，细菌和微藻可以利用彼此的代谢物。微藻通过光合作用产生的氧气有利于好氧菌的生长，而细菌呼吸产生的二氧化碳可以被微藻用作碳源。此外，复杂有机物被细菌降解成简单小分子，可以被微藻吸收利用；而微藻分泌的有机物和死亡的微藻细胞也可以被细菌分解〔26〕。微藻和细菌之间的这种共生关系在酿酒废水的处理中发挥着重要作用。在B. T. HIGGINS等〔27〕的研究中，利用细菌与两种微藻（Auxenochlorella protothecoides和Chlorella sorokiniana）的共培养来处理葡萄酒酿造废水，其结果表明共培养体系比单独培养体系具有更好的去污效率，TN和TP的去除效率分别超过90%和50%。K. P. PAPADOPOULOS等〔28〕利用蓝藻Leptolyngbyasp.构建了藻菌共生系统来处理啤酒酿造废水。COD、TN、TP分别由2272、100.18、4.93 mg/L降低到108、10.04、1.35 mg/L，COD、TN、TP去除率分别达到95%、90%、72%。除细菌外，酵母菌也常用于构建共生体系，以期实现强化废水净化和油脂生产的目的，提高生物质的使用价值〔29-31〕。在Jiayin LING等〔29〕的研究中，酵母菌（Rhodosporidium toruloides）和小球藻（Chlorella pyrenoidosa）被用于处理1∶1混合的市政废水和米酒酿造废水。酵母菌和微藻共培养方式可以提升非无菌条件下的废水净化效率和油脂产率。COD、TN和TP的去除率分别达到（95.34±0.07）%、（51.18±2.17）%和（89.29±4.91）%，同时油脂产量也达到（4.60±0.36） g/L。但是也有研究表明酵母菌和微藻的共培养体系不能直接适用于酿酒废水处理过程。在C. DIAS等〔30-32〕的研究中，啤酒酿造废水不能直接用于酵母菌（Rhodosporidium toruloides）和微藻（Tetradesmus obliquus）的共培养，需要补充额外的营养物（如甘蔗、糖蜜和尿素等）来支持它们的生长代谢。另外，由于特殊的种群特性，不同微藻之间也可以形成共生体系。Xiaoxuan HAN等〔33〕研究了3种微藻（Scenedesmussp. 33、Chlorella sorokinianaUTEX1602和Chlorellasp. L166）之间的共培养体系对啤酒厂酿造废水的处理，实验结果表明，将Scenedesmussp. 336和Chlorella sorokinianaUTEX1602按1∶1混合培养时，并按0.1 m3/（m3·min）的通气比补加含15%二氧化碳的气体，可获得最优的结果。生物质产量达到796.89 mg/L，二氧化碳固定率为32.09 mg/（L·d），NH3-N、TN、TP和COD的最大去除率分别为96.22%、90.57%、97.37%和78.83%，实现废水处理、二氧化碳固定以及生物质积累多重目标。小球藻和螺旋藻之间形成的共培养体系也具有较好的废水处理效果。研究人员利用Chlorella vulgaris和Arthrospira platensis共培养体系处理葡萄酒酿造废水，废水中超过90%的COD和50%的酚类物质都可以被去除〔34-35〕。

4 微藻处理酿酒废水过程中的影响因素

在利用微藻处理酿酒废水的过程中，许多因素都会影响微藻体系的净化效率，这些因素大致可以分为3类：内在因素、环境因素和操作因素。

4.1 内在因素

内在因素通常是指酿酒废水处理所使用微藻的特性。用于处理酿酒废水的微藻必须具有多种特性。其必要特性是生长速度快，既能适应高营养浓度，又能在较低的营养物浓度下生长。此外，优秀的藻种还应该对环境因素具有较高的耐受性，对其他微生物具有较高的抵抗能力，以及具有生物质容易分离的特性〔21〕。如果考虑利用发电厂废气作为微藻的补充碳源，将二氧化碳固定与废水处理工艺耦合，所选用的藻种则需要具有高浓度二氧化碳的耐受性〔36〕。但至今研究人员并未筛选到可以拥有上述全部特性的藻种。所以藻种的筛选以及基因工程的改造仍然是该领域的研究热点。表3中列出了目前为止应用于酿酒废水处理的常见藻种，其中栅藻Scenedesmus和小球藻Chlorella是目前在酿酒废水处理工艺中研究最多的藻种，主要因为它们对废水中的污染物具有较高的耐受性〔3〕。

表3 用于酿酒废水处理的各种微藻汇总Table 3 Summary of various microalgae used for the treatment of brewery wastewater

由于开放池成本低，利用微藻处理废水通常在开放池中进行，因此微藻不可避免地会与其他微生物接触。所以另一个显著影响微藻系统去污性能的内在因素就是微藻与微生物之间的相互作用〔37〕。一方面，微藻会被一些浮游生物捕食，这会破坏甚至摧毁微藻处理体系〔21〕；另一方面，细菌和真菌也会影响微藻对酿酒废水的去污效果。这种影响各有利弊，其优点在于细菌和真菌可以通过物质交换和信号传导与微藻形成共生关系，强化微藻体系的去污能力。而其缺点也很明显，细菌和真菌会与微藻竞争水体中的营养物，限制了微藻的生长代谢，降低了其去污效果〔38〕。因此，细菌和真菌与微藻之间的关系相对复杂，需要更多的研究来明确之间的影响，以便实现过程调控。

4.2 环境因素

环境因素主要包括pH、温度、光照、二氧化碳浓度、N/P等，这些因素都会显著影响微藻在酿酒废水处理过程中的去污效率和生物质产量。

微藻是光合自养的微生物，所以光照是影响微藻生物质积累和去污能力的重要因素。光照对微藻的影响主要表现在3个方面：光谱、光强以及光照周期。众所周知，光合作用系统在蓝光和红光条件下光合效率最高，所以当光谱范围为400 nm（蓝光）和600～700 nm（红光）时，微藻对废水中的氮磷元素具有较高的去除能力〔37-38〕。T. H. KIM等〔65〕研究了不同颜色光照对栅藻（Scenedesmussp.）在废水中去污能力的影响。结果表明蓝光比白光具有更高的除磷效果，红蓝混合光不仅可以提高去污效率，而且可以提高生物质产量。光强对微藻的影响则可以分两种情况讨论，当光照强度低于光饱和点时，随着光照强度的增加，微藻的光合效率增强，去污能力随之增强。相反地，当光照强度超过光饱和点时，强光会损害微藻的光合系统，进而降低了微藻的去污能力〔66〕。萧铭明等〔61〕的研究结果表明，随着光照强度的增加，微藻对酒精废水的净化效率先增加后降低，该结论正好验证了上述观点。不同微藻拥有不同的光饱和点，所以适应其生长的最佳光照条件存在差异，例如小球藻（Chlorella）的最佳光照为42～200 µmol/（m2·s），栅藻（Scenedesmus）为106～350 µmol/（m2·s），杜氏盐藻（Dunaliella）为80～160 µmol/（m2·s），布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）约为200 µmol/（m2·s），螺旋藻（Spirulina）约为166 µmol/（m2·s），雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）为80～120 µmol/（m2·s）〔67-68〕。由于光合作用具有光反应和暗反应两个阶段，因此微藻生长过程中并不需要一直维持光照条件。研究人员证明不同的光照周期同样会影响微藻对废水的处理效果。在T. M. MATA等〔42〕的研究中，Scenedesmus obliquus被用于处理啤酒酿造废水，研究了不同的光照强度（4500、12000 Lux）和光照周期（12/12、24/0 h，光/暗）的影响。其结果表明，在12000 Lux〔约215µmol/（m2·s）〕和12/12 h的条件下，可以获得较高的生物量（0.9 g/L）和较好的去除效率（COD 7.5%，TN 20.8%）。

温度可以通过改变微藻细胞内酶的活性来影响酿酒废水处理系统中微藻的生长，从而影响污染物的去除效率。大多数微藻生长的最适温度在15～30 ℃之间，但是不同的微藻对温度的耐受性不同。例如小球藻和栅藻可以在5～42.5 ℃生长，其最佳生长温度为15～37.5 ℃〔69〕。萧铭明等〔61〕考察了不同温度（20、25、30、35、40 ℃）对钝顶螺旋藻在酒精废水中去污效率的影响，TN和TP的去除率随温度的上升呈先上升后降低的趋势，30 ℃时去污效率最高。40 ℃时藻细胞死亡解体反而造成了废水中TN和TP浓度的增加。K. P. PAPADOPOULOS等〔28〕在利用蓝藻与细菌共培养体系处理啤酒酿造废水时，考察了不同温度（23、28、33 ℃）对去污效率的影响。研究结果表明，28 ℃是最适宜微藻生长和污染物去除的温度，COD、NO3--N、TP、NH4+-N的去除率分别达到90%、80%、70%、90%。

pH是影响微藻系统对酿酒废水处理效果的另一个环境因素。由于微藻在处理废水的过程中会消耗水中的二氧化碳，废水的pH会逐渐上升。通过向废水中通入二氧化碳气体，废水的pH可以维持在8以下。通常适宜微藻生长的pH在7～9之间，过高和过低的pH都不利于微藻的生长〔70〕。同时，pH也会影响废水中营养元素的存在形式，如果pH过高，废水中NH4+-N形式的氮元素会转化为NH3挥发，同时，PO43-会与Mg2+、Ca2+等形成沉淀，这也会影响微藻对氮、磷元素的吸收利用〔71〕。

二氧化碳浓度也会影响微藻处理酿酒废水的效率。在微藻废水处理系统中，二氧化碳的来源主要是细菌通过呼吸作用产生，另外空气中也含有低浓度的二氧化碳，通过曝气也可以为微藻补充二氧化碳，进而提升微藻对酿酒废水的去污效率〔72〕。但是空气中低体积分数的二氧化碳（约0.03%）并不能满足微藻的生长需求，所以为了提高微藻在处理酿酒废水过程中的生物质产量和去污效率，额外的二氧化碳气体被通入到废水中。刘锦上等〔50〕研究了不同体积分数二氧化碳对微藻处理酒精废水的影响，结果表明二氧化碳体积分数为2.5%时，螺旋藻对酒精废水的去污效果最好。为了降低成本，工业废气（如发电厂烟气和酿酒废气）被当做额外的二氧化碳来源补充到废水中，研究也证明补充二氧化碳可以提升微藻对废水的去污效果〔22，40〕。

氮、磷元素是废水中的主要营养元素，可以被微藻吸收用于藻细胞增殖。根据微藻的Stumm经验化学式（C106H263O110N16P）可知，微藻中的氮磷比（质量比，下同）为7.2∶1，但微藻中的元素比例并不是固定不变的，这取决于藻种和培养环境〔73〕。氮元素和磷元素都是影响微藻生长和去污能力的限制因子，有文献表明当氮磷比处于5∶1～10∶1的范围内时，微藻在废水处理过程中具有较强的去污能力〔73-74〕。但是酿酒废水中的氮磷比通常为2∶1～3∶1〔11，75〕，这也意味着废水中的磷元素超过了微藻生长的需求，在这种情况下，微藻具有吸收超量磷元素的能力，形成多磷酸盐颗粒储存于藻细胞内，但这也会降低磷元素的去除效率〔73〕。不同酿酒废水的氮磷比不同，对微藻的处理工艺也会产生影响。首先要选择合适的微藻，不同的微藻所需的氮磷元素不同，例如铜绿微囊藻在氮磷比为2时，生长最快；而蛋白核小球藻和斜生栅藻在氮磷比为6.5时，生长最好，且具有较好的氮磷去除效果〔76-77〕。其次，需要通过外添加调整废水的氮磷比，实验室中常通过添加硝酸盐、铵盐以及磷酸氢盐等来调节废水中的氮磷比，来提升微藻的净化效果，但这种方式并不经济〔75〕。因此，一些研究者将具有不同氮磷浓度的废水进行复配，形成特定氮磷比的混合废水，席晶晶〔78〕将高氮磷比的初沉池出水（氮磷比约为12.8）与低氮磷比的污泥浓缩池上清液（氮磷比约为2.8）进行复配，形成多个梯度的氮磷比污水，确定氮磷比为6.3时，蛋白核小球藻和斜生栅藻的生长最快，TP和TN的去除率均可达到85%以上。另外，也可以通过其他功能性细菌（如固氮菌、聚磷菌等）调节废水氮磷比，将其与微藻共培养，应用于不同氮磷比的污水处理过程。

4.3 操作因素

影响微藻对酿酒废水处理效率的操作因素主要有水力停留时间（HRT）、搅拌等。

HRT是指连续处理模式下废水在处理池中停留的平均时间。在微藻处理酿酒废水过程中，HRT决定了污染物的负载率以及微藻生物质的停留时间〔21〕。较短的HRT可以增大废水处理量，但是会降低污染物的去除率。E. SPENNATI等〔34〕在利用Chlorella vulgaris和Arthrospira platensisin共培养处理葡萄酒酿造废水时，考察了不同HRT（4.6、2.0、1.4 d）对COD去除效果的影响，结果显示长的HRT（4.6 d）会获得更好的污染物去除率，COD去除率达到90%。但过长的HRT也有可能会降低废水处理效率，在A. FERREIRA等〔40〕利用Scenedesmus obliquus处理啤酒酿造废水的研究中，考察了更大范围HRT（2.1～10.4 d）的影响，结果表明，在补充10%二氧化碳的条件下，3.5 d的HRT可以获得最佳的污染物去除效率，NH4+-N、TN、TP、COD的去除率分别为91%、89%、22%、62%。

适当的搅拌可以为微藻废水处理系统提供更好的传质和均质性，可以防止细胞沉降、光饱和抑制以及热分层，这也有助于改善微藻生物质的积累和污染物去除性能。但是搅拌操作不能过于剧烈，剧烈的搅拌会导致剪切应力过大。这会损害微藻的新陈代谢，最终导致细胞死亡，降低微藻系统对污染物的去除能力〔79〕。

5 用于废水处理的微藻培养系统

根据微藻培养液是否直接与环境接触，微藻培养系统可以分为两类：开放式培养系统和封闭式培养系统。

5.1 开放式培养系统

开放式培养系统是微藻工业化应用中最常见的大规模培养系统，具有建设和运营成本低、生产能力高、易于清洗等优点〔7〕。微藻处理废水的开放式系统存在多种形式，如水池、跑道池和圆形池。其中跑道池是最常见的开放式培养系统，被应用于多种废水处理过程，如酿酒废水、牛奶厂废水以及养猪场废水等〔80-82〕。跑道池处理系统中影响微藻生物质生长和废水处理效率最关键的参数在于培养液的深度，一般保持在0.2～0.4 m，确保藻液能够获得充足的光照〔83〕。G. E. B. MONTALVO等〔82〕在巴西圣保罗建造14 m3的跑道池（12 m×3 m×0.4 m），用于Arthrospira maximaOF15处理酒糟废水的中试试验，户外平均光照为1061 µmol/（m2·s），温度在21～31 ℃之间。中试结果表明，微藻的生物量可以达到2.25 g/L，COD、TN、TP去除率分别为81%、61.7%、50%。低成本的优点使开放池在微藻产业领域广受欢迎，但是开放池也存在一些缺陷，如水分蒸发量大、容易被微生物污染、温度和光照受天气影响等。

5.2 封闭式培养系统

为了弥补开放式培养系统的缺点，各种形式的封闭式光生物反应器被设计应用于微藻培养，如管状、平板状、袋状等。封闭式培养系统可以避免微生物污染、降低水分蒸发，同时可以添加温度和光照控制装置。这些优点也使得封闭式培养系统获得更高的生物质产量以及污染物去除效率。但是其高昂的建设费用和操作成本阻碍了封闭式培养系统的商业化应用进程〔16〕。目前，封闭式光生物反应器主要用于利用微藻生产高价值产品，仅有少数研究将其应用于废水处理。Weidong LU等〔84〕利用封闭式光生物反应器进行小球藻（Chlorellasp.）处理奶制品废水的实验，分别在室内和室外进行了小规模和中试规模的实验。室内小规模实验温度和光照分别控制在25 ℃和3000 Lux〔约54 µmol/（m2·s）〕，最终微藻生物质产率为260 mg/（L·d），COD、TN、TP的去除速率分别达到88.38、38.34、2.03 mg/（L·d）。室外中试实验的温度在14～32 ℃之间，光照在123～1418µmol/（m2·s），最终可以获得110 mg/（L·d）的微藻生物质产率，COD、TN、TP的去除速率分别可以达到41.31、6.58、2.74 mg/（L·d）。I. S. YANG等〔85〕在利用Chlorella vulgaris和Scenedesmus obliquus处理市政生活废水的研究中，采用了一个60 L的垂直平板光生物反应器，经过8 d的培养处理，废水中超过99%的氮、磷元素都被去除。

无论是开放式还是封闭式培养系统，最大限度利用光能，提升光能利用效率是光生物反应器设计的主要目标。微藻对太阳光的最大利用效率理论上为9%，但是到目前为止，室外微藻培养系统的光能利用率很少超过6%〔86〕。所以设计高效光生物反应器是微藻培养技术大规模应用的关键。由于微藻培养时的光衰减，反应器光程是影响光生物反应器光能利用效率的关键。在开放式反应器中，光程更短的薄层反应器比常规跑道池具有更高的光合效率，M. D. M. MORALES-AMARAL 等〔87〕的研究表明，深度0.02 m的薄层反应器在最优条件下可以获得4.7%的光合效率，约为深度为0.12 m的跑道池的两倍。在封闭式反应器中，管状反应器是最流行的培养系统，管直径通常在0.01～0.06 m之间〔88〕，可以通过水平、倾斜、螺旋等多种形式排列，较小的管直径可以实现较大的表面积与体积比，同时，入射光会沿圆周稀释，并聚焦到管轴心，因此管状光反应器具有缓解光衰减作用，实现高光合效率。平板状光生物反应器具有更小的光程以及更高的光照面积，被认为可以实现更高的光合效率。N. H. NORSKER等〔89〕比较了荷兰的3种光生物反应器的平均光合效率以及生产力，其中平板式光生物反应器平均光合效率最高，为5%，微藻产率达到6.4 kg/m2，其次是管状光生物反应器，平均光合效率为3%，产率为4.1 kg/m2，跑道池光合效率最低，为1.5%，产率为2.1 kg/m2。同时，该研究也表明，通过优化操作参数，管状以及平板状光生物反应器的最大光合效率可以达到7%。在实际操作过程中，必须针对不同的藻种优化各种参数，如温度、混合、营养分布、二氧化碳浓度、溶解氧、管排列方式、平板方向、平板距离等来实现光合效率的最大化〔90〕。

6 微藻生物质的应用

微藻可用于生产多种高价值产品，如蛋白质、脂质、色素、生物燃料、动物饲料和生物肥料。利用废水培养微藻被认为是一种低成本方法，是资源化利用和循环经济模式发展的重要环节。但基于食品安全的考虑，从废水中收获的微藻生物质通常仅被用于生产生物燃料、动物饲料和生物肥料。

6.1 生物燃料

生物燃料包括生物柴油、生物氢、生物甲烷和生物乙醇等，是一种清洁的可再生能源，可以作为化石能源的替代品，能有效缓解日益严重的温室效应。基于微藻生产的生物燃料是第三代生物能源，与第一、二代生物燃料的原料（菜籽、大豆、麻疯树等）相比，微藻具有生长速度快、光合效率高、不与人争粮、不与粮争地等优点，因此受到研究人员的广泛关注〔5，7，9〕。许多研究也表明利用废水培养的微藻可以用于生产生物柴油、生物氢气、生物甲烷和生物乙醇等〔46-49，62〕。A. FERREIRA等〔40〕评估了利用啤酒酿造废水培养的微藻通过微生物发酵生产生物氢气和通过热解生产生物油、生物炭和生物燃气的潜力，其结果表明发酵产氢气的产率可以达到67.1 mL/g，热解则可以分别获得64%、30%和6%的生物油、生物炭和生物燃气。此外，一些蓝藻（如Anabaena cylindrica、Nostoc muscorum、Spirulina platensis）和绿藻（如Chlamydomonas reinhardtii、Chlorella pyrenoidosa、Tetrasporasp.、Chlorococcum littoral）在培养过程中自生也会产生氢气，因此选用这些微藻处理废水可以直接产生氢气〔91〕。T. MASWANNA等〔92-93〕在研究中利用Tetraspora的固定化细胞来生产氢气，在有氧和厌氧的条件下，氢气生产速率分别达到（182±20） nmol/（h·mg）和（1182.45±24.40）nmol/（h·mg），而且该固定化细胞还可以重复使用3～6次。

6.2 动物饲料

由于微藻中蛋白质、维生素、不饱和脂肪酸等营养成分含量高，所以微藻生物质可以用于饲养动物，而且具有提高动物免疫反应和抗菌抗病毒能力的功效〔94〕。C. FUENTES-GRÜNEWALD等〔95〕利用厌氧消化的废水培养微藻，收获的微藻中蛋白质质量分数超过45%，非常适合用作动物饲料。而B. W. B. HOLMAN等〔96〕的研究结果也表明，给小羊羔额外补充螺旋藻可以促进小羊羔的生长，其体重和体型均超过对照组。但值得注意的是，微藻处理废水时可能会吸收一些有害物质，因此需要进一步评估饲料对动物的安全性〔7〕。

6.3 生物肥料

过量施用化肥不仅会降低土壤肥力，还会造成地下水污染。而生物肥料对生态系统没有不利影响，因此鼓励在农业中大量使用生物肥料〔5〕。微藻是一种潜在的生物肥料，具有固氮、提高磷利用率、改善土壤物理性状、促进植物生长等诸多优点〔97〕。E. NAVARRO-LÓPEZ等〔39〕利用啤酒酿造废水培养栅藻（Scenedesmus obliquus），并评价了栅藻用作植物刺激因子的潜力。结果显示，0.1 g/L的微藻生物质可以使豆瓣菜种子的发芽指数提高40%。而且其微藻细胞提取物具有与生长素和细胞分裂素相似的活性，用于绿豆和黄瓜的效果甚至优于商业的生长素和细胞分裂素。A. FERREIRA等〔41〕的研究也证明微藻可以提高大麦和小麦种子的发芽指数。G. K.SHARMA等〔10〕在研究中利用小球藻（Chlorella minutissima）处理废水，收获的微藻当作肥料施加于菠菜和玉米。结果表明，与化学肥料相比，微藻肥料可以产生更好的经济效益。该研究还进一步探究了微藻对土壤性状的影响，结果表明施用微藻的土壤具有更高的土壤微生物活性。脲酶、硝酸还原酶、脱氢酶等土壤酶均有不同程度的增强。这也说明微藻处理废水技术与生物肥料的利用是循环经济中减少水体富营养化、废水循环利用、植物养分循环利用和改善土壤质量的有效措施。

7 基于微藻的酿酒废水处理工艺的优点和挑战

基于微藻的酿酒废水处理工艺具有多种吸引人的优点。首先，微藻废水处理体系可以实现资源的循环利用。酿酒废水中含有丰富的氮磷营养物质，在传统的废水处理工艺中，氮元素通过厌氧氨氧化工艺转化为氮气，磷元素在污泥中积累，随着污泥的弃置而废弃，这会造成资源浪费。而在微藻废水处理体系中，微藻可以利用氮、磷等营养物质生长，将其转化为微藻生物质，使酿酒废水处理系统从传统的“处理过程”转变为“生产过程”，实现资源的循环利用〔98〕。其次，在酿酒废水中用微藻处理可以避免无价值污泥的形成。传统废水处理工艺产生大量污泥，对环境造成二次污染〔9〕，而根据前文描述，微藻处理工艺收获的微藻可以用作生物能源、生物肥料以及动物饲料。第三，微藻处理酿酒废水能耗低。传统的废水处理工艺需要很高的能源成本，在活性污泥工艺中去除1 kg BOD大约需要1 kW·h，主要是需要通过曝气为好氧微生物提供足够的氧气〔99〕。相比之下，微藻可以通过光合作用释放氧气，直接被好氧细菌利用。最后，微藻处理体系可以减少温室气体排放。在传统废水处理方式中，微生物以异养方式生长，释放二氧化碳，增加了碳排放量，而微藻可以通过光合作用固定二氧化碳，减少碳排放，响应国家减碳政策，而且其固碳效率高，是普通陆生植物的10～50倍〔100〕。

虽然基于微藻处理酿酒废水的工艺具有诸多优点，但其工业应用仍存在一些阻碍。首先，基于酿酒废水复杂的化学成分和物理特性，筛选适用于酿酒废水处理的微藻物种至关重要〔5〕。前文中描述了理想藻种的各种特性，但目前并没有文献报道有满足这些特性的微藻藻种，因此藻种的筛选和基因工程改造至关重要。其次，内部细胞互相遮挡是限制微藻处理废水效率的因素之一。微藻生长速度快，细胞数量在24 h内可以实现翻倍，若处于对数期，细胞数量翻倍时间则可以缩短至3.5 h。快速增长的细胞导致溶液透光率下降，底部细胞光照不足会影响处理效率〔9〕。第三，由于昼夜和季节的温度变化，室外开放培养的温度控制比较困难。而且，高温下水分的蒸发率高，导致废水中各种营养物浓度的变化，偏离微藻的适宜环境〔101〕。最后，从培养液中收集微藻是微藻商业化应用的主要挑战。由于微藻细胞体积小、密度与水相似、表面带负电荷以及废水处理过程中细胞浓度低，因此收获过程存在许多障碍〔8〕。絮凝、离心、浮选、重力沉降和过滤是常见的收获技术。然而，这些技术存在普适性低、能耗高等缺点，所以有必要寻找操作简单、成本低和效率高的微藻采收方法〔5〕。

8 结论与展望

随着酒精饮料产量的逐年增长，酿酒废水量也日益增加。酿酒废水成分复杂、营养丰富，必须经处理达标后才能排放。由于现有常规废水处理工艺成本高、二次污染大，所以研究人员努力探索一种生态友好且成本较低的处理方法。本综述中，基于微藻的酿酒废水处理方法已展示出一些成果，在酿酒废水处理方面具有巨大潜力。微藻可有效降解酿酒废水中的COD，利用氮、磷元素合成生物质，固定二氧化碳，生物质可作为生物燃料、动物饲料和生物肥料的原料，实现资源的循环利用。但微藻技术的应用仍存在一些瓶颈，如藻种选择和生物质收获等，极大地阻碍了其大规模商业化进程。因此，仍需加大基于微藻处理酿酒废水的研究，提高处理效率，以促进工业应用。未来的研究应该重点关注以下几个方面：一是藻种的筛选与改造，获得去污效率高、环境适应性强、容易采收的藻种；二是深入研究藻菌共生关系，利用基因组学、代谢组学等技术揭示藻菌共生体系强化去污能力的内在机理，构建稳定高效的共生体系；三是微藻分离采收技术的研究，开发一种经济高效的采收技术，解决微藻分离困难的问题。