碳中和背景下微藻资源化技术处理废水的应用进展与展望

王桂泉

（长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙 410000）

自从工业化以来，全球的碳排放量逐年升高，为了缓解碳排放的问题，“碳中和”这一概念被提出[1]。碳中和的意义在于减缓年度温室气体排放量的增长来遏制住全球气候变暖的大趋势。废水资源化高效回收利用是实现碳中和的关键一环。关键[2]，传统废水处理方法不仅浪费氮磷和电能[3]，还没有实现资源回收，并常常伴随着二次污染[4]。因此，传统废水处理法不符合碳中和的概念。

污水生态处理技术可以利用生态处理技术使资源化产品产出高，产品附加值高[5]。微藻作为一种单细胞光合作用微生物，具有光合效率高、生长周期短、环境适力强、产油脂量高等特点[6]。目前微藻废水处理技术已经在国内外广泛应用。基于此，微藻在废水处理领域已逐渐成为水质净化、环境整治、资源回收的研究热点[2]。

本综述在实现碳中和的背景下，从微藻培养工艺中藻种种类、光生物反应器的特性，基于光、二氧化碳、菌藻共生体系的微藻强化技术，营养物质、环境因子等对微藻培养的影响，微藻处理废水机制以及未来研究方向展望等方面进行详尽的介绍，以期为微藻资源化技术处理废水的应用提供参考和支持。

1 微藻培养工艺

1.1 藻种

图1展示了废水应用和分布较广泛的四种微藻藻种，即螺旋藻、红球藻、小球藻和杜氏藻。其中，螺旋藻生长繁殖快、光照利用率高。红球藻富含的天然虾青素具有极强的穿透力及抑制肿瘤等特性。小球藻含丰富的蛋白质、脂质，繁殖速度极快。杜氏藻具有趋光和耐强酸碱的特性，同时有丰富的油脂、蛋白质、多糖等。

图1 四类代表性微藻及其优点

1.2 光生物反应器

微藻光生物反应器基于对环境的开放程度，可分为封闭式反应器、开放式反应器和贴壁式反应器。表1总结了三种微藻光生物反应器的特性。其中，开放式反应器主要表现形式是跑道池反应器，优点是运行简单、成本低、易于操作，但是受外部环境季节和气候的变化影响大。封闭式反应器分为立柱式反应器、平板式反应器和管式反应器。可以实现连续式微藻培养，操作简单、耐受性强不容易受到外部环境的影响，但其运维复杂且造价较大。贴壁式反应器利用超细纤维纺织物的亲水性和多孔性等特性，将藻细胞悬浮在纤维纺织物的表面进行浅层培养；光能利用效率最大、微藻生长速率最高，但是成本高、运营复杂。

表1 光生物反应器特性

2 微藻强化技术

2.1 光强化技术

光强化技术对微藻光合作用生长起到至关重要的作用。目前，主要通过静态折流装置和导光材料来提高反应器内光强化程度[7]。静态折流装置可以强化反应器内的藻液沿光衰减方向的混合，通过混合，可将反应器内远离光入射面处于暗区的微藻细胞输送到反应器内靠近光入射面的光区。导光材料可促进微藻反应器将入射光均匀，有效提高光在微藻细胞液中的分布，缓解光衰减对微藻光自养生长的不利影响。

2.2 二氧化碳强化技术

微藻细胞通过利用CO2和光能进行光合作用合成有机物并释放氧气实现光合固碳[8]。光生物反应器内的气液两相流动特性同时影响着CO2的传递过程与微藻的分布状况，进而影响微藻的光合固碳。光生物反应器中装配CO2气体分布器主要是多进口分配式气体分布器技术。胡[9]等人对光生物反应器中气体分布器的孔尺寸及间距进行了优化，使得CO2气体传输的效率更高。光生物反应器中的生物质浓度提高了18.8%，固碳速率提高23.2%。

2.3 藻菌共生强化体系

微藻共生体系（微藻-细菌或微藻-真菌）是利用微藻和细菌之间生理特性协同净化污水的生态系统[10]。微藻通过光合作用产生O2供好氧细菌和真菌进行呼吸作用，而好氧细菌和真菌通过呼吸作用又会产生CO2或低分子有机物，为微藻生长提供碳源，同时微藻和细菌也会各自分泌一些代谢产物来促进对方生长，实现互利共生。藻-菌共生体系的构建可进一步实现污水营养物质的去除，微藻生物量的积累，废水净化及资源化利用效果明显。此特性在微藻收获阶段具有一定的经济效益。因为在微藻收获阶段，需要细胞破裂才能获得所需的产品，因此微藻－细菌共生系统也降低了生物精炼厂下游加工的成本和时间。

鉴于藻-菌共生系统的这些优势，近年来，关于建立藻菌共生体系以提高污水处理效率、微藻生物量、油脂产率的研究已有一定的进展。

2.4 微生物燃料电池强化技术

基于微藻的微生物燃料电池（MFC）是一种通过外来菌分解可降解有机物并将化学能转化为电能的生物电化学装置，可实现污染物去除，同时能产电的新型能源技术。该工艺结构简单、清洁环保、产能稳定、经济性高。微藻在MFC中既可作为阳极也可作为阴极，微藻作为阳极，构造光合微生物燃料电池将一部分光能转化为电能。微藻作为阴极，可同时吸收利用阳极室释放CO2，和捕捉周围的CO2，还可进行藻体产品的有价回收，降低MFC成本。

3 微藻培养影响因子

3.1 营养物质

微藻培养需要大量氮、碳、磷源、微量元素等，它们一定程度上影响着微藻光合作用的能力和微藻的生长代谢。氮是微藻体内氨基酸、核苷酸等重要化合物的基本组成元素之一。氮源不足时，微藻光合作用和呼吸代谢均减弱。碳元素占微藻干重的40%～50%，微藻所需的碳源影响微藻细胞生长和脂类、糖类等物质的积累[11]。研究表明碳源充足有利于细胞储碳进而油脂积累。藻通过同化作用吸收磷进行细胞内各种物质的合成，磷参与的信号传递、能量转换和光合作用影响细胞中的糖类、蛋白质、脂肪合成及代谢，因此缺磷是直接限制微藻生长的因素之一。氮磷比被证明不仅影响微藻生长代谢，而且决定了优势藻种的归属。此外，微藻生长繁殖和细胞代谢也离不开微量元素。

3.2 环境因素

环境因素，例如光、温度和pH，用是决定微藻生长发育的关键因素。光照通过影响微藻的光合作而直接影响其新陈代谢；温度变化影响微藻内酶的活性导致微藻的生物反应发生变化。pH能改变微藻细胞膜的渗透性影响细胞生长。光作为微藻主要的能量输入形式，可采用适当的光强和光周期提高微藻生物量产量。温度主要通过改变酶的活性对微藻产生影响，大部分微藻的最适温度范围为20-30℃。微藻生长环境温度过高会增加细胞的呼吸作用，降低细胞产率。合适的pH值促进微藻光合作用的CO2的获取和营养离子的吸收等；过高pH可能能导致微藻细胞裂解死亡。

4 微藻废水资源化机制

如图2所示，微藻废水资源化过程机制包括：污水中的营养物质，例如硝酸盐、氨氮和富含N、P等物质的废水输入到光生物反应器中，在光照的作用下，光反应器中的微藻和细菌中的叶绿素和氨基酸分别通过光合作用和同化作用将营养物质进行分解，并产出O2和CO2。污水被处理后一部分被进一步加工成柴油、动物饲料、药品的原材料等副产物，另一部分进行无害化处理排放至河流当中。其资源的回收符合循环经济的概念，也符合碳中和的概念。

图2 微藻废水资源化机制简图

5 结论及展望

以上归纳了在碳中和背景下利用微藻进行废水资源化的技术，本文主要从微藻培养工艺、微藻强化技术、微藻培养影响因子、微藻废水资源化机制等方面进行阐述，且对微藻强化技术、影响因子进行了全面的阐释并分析了各个方面的优缺点。

对未来在碳中和背景下利用微藻进行废水资源化的技术展望：（1）更好的光反应器；（2）更好藻的筛选，基因工程，基因突变；（3）进一步探究菌藻共生，合适的细菌和藻类；（4）进一步好的光传播，二氧化碳传播的设备；（5）探究藻合成油脂的调节策略。