隨著(zhù)化石能源的耗竭以及溫室效應的日益顯著(zhù)，尋找更為節能和環(huán)境友好的污水處理工藝變得更為迫切。廢水中氮磷過(guò)剩是引發(fā)水體富營(yíng)養化的主要原因之一。這些氮磷是細菌、真菌和微藻可以利用的營(yíng)養物質(zhì)。微藻廢水處理是環(huán)境可持續的綠色工藝，探索藻菌共培養降解廢水污染物的協(xié)同代謝調控機制具有科學(xué)意義。傳統的廢水處理通過(guò)硝化和反硝化作用，把廢水中的污染物轉化成無(wú)害的化合物。雖然處理廢水中的碳、氮和磷效率很高，但是需要補充能量，營(yíng)養物質(zhì)也會(huì )損失。傳統的廢水處理過(guò)程非常復雜，過(guò)程控制難度大，還會(huì )造成溫室氣體排放。利用微藻進(jìn)行廢水處理，既能降低能耗，又能促進(jìn)氮磷等營(yíng)養物質(zhì)的循環(huán)利用。微藻廢水處理包括藻類(lèi)塘、活性藻和固定化藻等形式。藻菌共生污水處理技術(shù)在20世紀50年代由Oswald等率先提出，逐步發(fā)展為高效藻類(lèi)塘技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)增加攪拌等使得塘中藻類(lèi)的生長(cháng)得以強化，在藻類(lèi)和細菌的協(xié)同作用下，有機物、氮、磷和其他污染物的去除效率得到大幅提高。相比于傳統污水處理中以細菌和原生動(dòng)物為主體的活性污泥來(lái)說(shuō)，藻類(lèi)的蛋白質(zhì)含量高，收獲后可用作動(dòng)物飼料或餌料。
近年來(lái)，微藻廢水處理在農業(yè)、工業(yè)和城市廢水的處理中有了新的探索。本文中，筆者綜述微藻廢水處理中的藻種選育、藻菌共培養、藻菌絮體、過(guò)程集成、可持續開(kāi)發(fā)和技術(shù)經(jīng)濟評估等問(wèn)題。
1、微藻在廢水處理中的應用
微藻可以處理農業(yè)、工業(yè)、城市等多個(gè)來(lái)源的廢水。這些廢水中COD、總氮(TN)、總磷(TP)、總有機碳(TOC)和重金屬等污染物的含量千差萬(wàn)別，排放標準也不盡相同。為更有針對性地處理這些廢水，去除主要污染物，目前已經(jīng)有了一些成功嘗試，詳見(jiàn)表1。
1.1 農業(yè)廢水處理
為滿(mǎn)足對蛋白和水產(chǎn)品的需要，全球范圍內的水產(chǎn)養殖業(yè)規模逐步擴大，產(chǎn)生的農業(yè)廢水也在逐年增加。室外開(kāi)放培養微藻保持嚴格無(wú)菌是困難的。Halfhide等研究發(fā)現，微藻無(wú)菌和有菌處理水產(chǎn)廢水的生物量都可達0.35g/L，硝基氮(NO3-)去除率也都大于95%，但是無(wú)菌條件下COD去除率只有25%～30%，而有菌處理條件下可以達到75%以上。魚(yú)菜共生是生態(tài)化的農業(yè)生產(chǎn)系統。在魚(yú)菜共生系統中魚(yú)會(huì )產(chǎn)生糞便等進(jìn)入水體，Addy等加入小球藻和魚(yú)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，穩定pH在7，氨氮(NH4+)和亞硝酸鹽都可以有效去除，結果也證明，微藻比蔬菜對氮去除效果好。Xu等在養魚(yú)廢水中加入微藻，COD、TN和TP去除率達50%以上。養豬廢水中的TN1356mg/L，TP63.5mg/L，Ganeshkumar等用微藻直接處理養豬廢水，TN去除率僅有40.88%，TP去除率3.1%。將養豬廢水和釀酒廠(chǎng)廢水按體積比20∶80混合后，6～10d后TN去除率89.36%，TP去除率56.56%，微藻含油50%。微藻處理農業(yè)廢水潛力巨大，需要結合各地實(shí)際情況，從生態(tài)農業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟角度出發(fā)，做好藻種選育、工藝優(yōu)化和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。
1.2 工業(yè)廢水處理
采用成熟的液體培養基可以保障微藻快速生長(cháng)，但是工業(yè)廢水中的成分與傳統培養基還有很大差別。Hyu等發(fā)現，如果不添加其他成分，混合微藻處理能完全清除動(dòng)物糞便廢液、沼渣廢液和紡織廢水中的磷，但是氮的去除率分別僅有72.3%、16.7%和70.1%。其中，混合微藻在紡織廢水中的生長(cháng)最好，但是生物量?jì)H有0.4g/L，這限制了微藻對氮的進(jìn)一步利用。Gao等研究發(fā)現，海鮮加工廢水中的TN為120mg/L，經(jīng)微藻處理45d后可以較好去除，如果經(jīng)過(guò)曝氣或稀釋?zhuān)幚頃r(shí)間能縮短至19d。Memon等發(fā)現制糖廢水中的COD可達16g/L，小球藻和惡臭假單胞菌能去除其中的55%。如果再加入0.08g/L的聚丙烯酸酯多元醇，COD去除率能達到80%。Solovchenko等發(fā)現酒精蒸餾廢水的COD高達20g/L，經(jīng)過(guò)預處理，將pH調控至6～7，對之后的廢水處理至關(guān)重要。傳統的厭氧硝化廢水處理后產(chǎn)生大量活性污泥，需要處理。Ge等在微藻培養體系中加入4種濃度的活性污泥濃縮液，處理50d后TN、TP和COD的去除率都大于90%。需要注意的是，Ren等發(fā)現，隨著(zhù)活性污泥濃縮液濃度的提高，微藻油脂含量下降到10.2%。如果在實(shí)際活性污泥濃縮液中再加入1g/L的廢甘油，生物質(zhì)產(chǎn)率能達到0.46g/(L·d)，油脂含量能達到27%，污染物的去除率均大于86%。但是加入甘油質(zhì)量濃度大于1g/L，微藻生物量和污染物去除率均大幅下降。如果不加甘油，COD和TP的去除沒(méi)有顯著(zhù)差異，但是TN去除率降低到77.2%。Daneshvar等發(fā)現藻種選擇在廢水處理中也很關(guān)鍵，同樣處理乳業(yè)廢水，柵藻能去除86.21%以上的TN和TP，海洋扁藻僅能去除44.92%的TN和42.18%的TP。除了COD、TN和TP等指標外，工業(yè)廢水還包括重金屬離子和有毒有害化學(xué)品等成分，需要多個(gè)步驟進(jìn)行凈化。微藻可以作為整體工藝的一個(gè)環(huán)節，可以提高工業(yè)廢水效率。
1.3 城市廢水處理
城市廢水的組成與工農業(yè)廢水有差異。一般來(lái)說(shuō)，城市廢水經(jīng)過(guò)一級處理后，可以通過(guò)微藻進(jìn)行深入處理。比如，Wang等進(jìn)行城市廢水一級處理后，TN和TP質(zhì)量濃度分別從20～80mg/L和3～7mg/L降低到5～30mg/L和0.2～3mg/L，再用傳統方法處理需要耗費能量，也難以繼續去除廢棄物，而利用微藻就可以達到凈化目的。食品廢棄物厭氧消化廢水中COD和NH4+均較高，Cheng等發(fā)現通入15%CO2可以促進(jìn)小球藻生長(cháng)和污染物的去除，同時(shí)，用臭氧進(jìn)行前處理比用曝氣進(jìn)行前處理對COD、TN和TP的去除更有效。Katam等直接從湖中采集的混藻也對餐廚廢水中的TN、TP和總有機碳(TOC)有大于85%的去除效果。
1.4 含農藥和抗生素等的有害廢水處理
工農業(yè)廢水以及城市廢水中可能均含一些有害物質(zhì)。這些物質(zhì)含量不高，但是持續累積會(huì )對環(huán)境和人類(lèi)健康造成危害，比如農藥、抗生素等。微藻去除廢水中有害化合物的機制包括降解或吸附。水培番茄廢水中含有多種殺蟲(chóng)劑，包括甲霜靈、嘧霉胺、芬太尼、碘普利酮和三氯吡啶。雖然柵藻和小球藻均能快速去除這些殺蟲(chóng)劑，但是嘧霉胺僅僅是吸附在微藻表面，而其他殺蟲(chóng)劑均是被藻完全分解�？股匾话銓υ孱�(lèi)具有細胞毒性。在廢水中抗生素也會(huì )發(fā)生光解和水解。比如，Guo等用小球藻、衣藻和麥可藻(Mychonastes)能在150h后去除廢水中的頭孢類(lèi)抗生素7氨基頭孢菌素酸，除了光解和水解外，3種微藻的吸附發(fā)揮了重要作用。如果僅憑光解和水解，去除7氨基頭孢菌素酸需要300h。結合光降解和吸附，Norvill等用高速藻類(lèi)塘處理含100μg/L四環(huán)素的城市廢水，其中四環(huán)素的去除率可達93%～99%。Hom-Diaz等用室外1200L的光生物反應器處理包含大量藥物化合物的廢水，對抗炎藥物(布洛芬、對乙酰氨基酚、水楊酸和可待因)的去除率可達98%，對利尿劑氫氯噻嗪的去除率84%，呋塞米則能夠完全去除，抗生素類(lèi)化合物(阿奇霉素、環(huán)丙沙星、氧氟沙星和紅霉素)的去除率只有48%，精神藥物氯拉西泮等的去除率在30%～57%。炔雌醇是一種激素，Cheng等補充15%CO2培養小球藻PYZU1處理含炔雌醇的廢水220h后，5mg/L的炔雌醇去除率達到94%。在實(shí)驗室規模的膜生物反應器中，小球藻能去除85.6%的羥氨芐青霉素。Shi等研究發(fā)現，如果小球藻處理后，再加來(lái)源于濕地沉積物或活性污泥的菌處理，羥氨芐青霉素的去除率能達到99%。廢水中的抗生素、殺蟲(chóng)劑和化學(xué)殺菌劑如果含量高過(guò)微藻耐受極限，將抑制微藻生長(cháng)，甚至造成微藻死亡。如果微藻能完全降解這些抗生素類(lèi)物質(zhì)，收獲的微藻生物質(zhì)還可以開(kāi)發(fā)為生物燃料。如果只是吸附在藻體內，可以考慮將藻熱解后利用。
2、微藻廢水處理的關(guān)鍵問(wèn)題
2.1 藻種選育
廢水是一個(gè)復雜的體系，其中如果含有高濃度氨氮和其他有毒有害物質(zhì)，都會(huì )形成環(huán)境壓力，影響甚至抑制藻類(lèi)生長(cháng)。廢水處理一般在室外進(jìn)行，溫度和光照等環(huán)境條件均會(huì )在不同時(shí)間尺度上產(chǎn)生波動(dòng)，也需要微藻能適應這些環(huán)境條件的變化。一般來(lái)說(shuō)，微藻處理有害物質(zhì)要經(jīng)歷生物富集和生物轉化兩個(gè)步驟，前提條件是能耐受這些有害物質(zhì)對藻類(lèi)產(chǎn)生的影響。苯酚等濃度是工業(yè)廢水排放中的重要檢測指標。Cheng等研究發(fā)現，每克小型黃絲藻(Tribonemaminus)能去除449.46mg苯酚。初始苯酚質(zhì)量濃度為700mg/L時(shí)，培養6d后，苯酚去除率80%。二嗪農(Diazinon)是典型的殺蟲(chóng)劑。Kurade等研究發(fā)現，如果水體中二嗪農的質(zhì)量濃度只有20mg/L，12d后小球藻可以脫除94%的二嗪農。但是，當水體中二嗪農的質(zhì)量濃度達到40mg/L，小球藻的生長(cháng)就會(huì )受到明顯抑制，脫除率也會(huì )降低。多溴二苯醚是阻燃劑，在使用中會(huì )被釋放到水體。多個(gè)國家水體中都檢測到多溴二苯醚。Wang等研究了9個(gè)藻株發(fā)現，有4個(gè)可以耐受600μg/L的多溴二苯醚，其中1株小球藻的7d脫除率可以達到82%～90%。同時(shí)，他們發(fā)現500～700mg/L的苯酚會(huì )抑制小球藻生長(cháng)，并且不會(huì )得到有效降解。
一般來(lái)說(shuō)，廢水處理的藻株是從環(huán)境中篩選得到。清華大學(xué)胡洪營(yíng)教授團隊的Zhang等利用Biolog方法高效篩選可以異養的微藻，篩選得到的小球藻和柵藻可以利用20余種有機底物。這些微藻可以利用廢水中的有機底物生產(chǎn)生物燃料。
微藻的基因工程改造還有一定難度。適應性進(jìn)化可以不通過(guò)基因工程手段定向提高微藻對環(huán)境的適應能力。適應性進(jìn)化的常用方法是培養微生物到達一定的指標(細胞密度、生長(cháng)速率或底物消耗等)后進(jìn)行傳代培養，不斷重復這個(gè)過(guò)程直至代謝表型不再變化。目前已經(jīng)有應用適應進(jìn)化手段強化微藻代謝表型的研究。例如，Wang等研究發(fā)現，適應進(jìn)化后的小球藻不但能夠耐受500～700mg/L的苯酚，在第7天時(shí)，500mg/L的苯酚可以完全降解，700mg/L的苯酚也能降解到100mg/L左右。微藻適應性進(jìn)化的機制可以通過(guò)組學(xué)數據等加以分析。如何提高進(jìn)化效率是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。
2.2 藻菌共培
養藻菌共培養進(jìn)行廢水處理是目前的研究熱點(diǎn)。除了藻菌選擇，合理安排工藝路線(xiàn)，設置工藝參數也是非常關(guān)鍵的，包括水力停留時(shí)間、光照循環(huán)、通氣速率、稀釋倍率和固定化等。Posadas等考察了藻菌生物膜反應器和普通細菌生物膜反應器處理城市廢水的能力。藻菌生物膜反應器對碳、氮和磷的去除率分別達到91%、70%和85%。碳去除率比普通細菌生物膜反應器高1倍，而且普通細菌生物膜反應器不能去除磷。需要注意的是，藻菌生物膜反應器的水足跡有0.5～6.7L/(m2·d)，比普通細菌生物膜反應器要高。在厭氧發(fā)酵微藻廢水處理的兩段法工藝中，如果微藻廢水處理后的生物質(zhì)循環(huán)到第一段，可以顯著(zhù)提高藻絮體的含量，那么第二段廢水的排除液體中總懸浮固體顆粒的含量降低，能滿(mǎn)足歐盟的排放標準。如果停留時(shí)間是2d，TOC、無(wú)機碳和TN的去除率分別可達86%～90%、57%～98%和68%～79%。
水力停留時(shí)間是比較關(guān)鍵的操作參數。Arcila等研究發(fā)現，水力停留時(shí)間短，廢水處理量大，但是處理效果未必能達到要求。如果水力停留時(shí)間是2d，藻菌聚集體處理城市污水中的COD、NH4+和TP的去除率都在9%～12%。如果水力停留時(shí)間達到6d，COD、NH4+和TP的去除率分別為92%、96%和29%。如果繼續增加水力停留時(shí)間到10d，TP的去除率能提高到49%。
光暗循環(huán)也是微藻廢水處理中的重要參數。同樣處理城市污水，Lee等比較了12h∶12h光暗循環(huán)、12h∶60h光暗循環(huán)以及12h∶60h光暗循環(huán)12h∶12h光暗循環(huán)兩段法這3種工藝，兩段法的微藻生物量產(chǎn)率和油脂產(chǎn)率均最高，分別為282.6和71.4mg/(L·d)，COD、TN和TP的去除率分別為92.3%、95.8%和98.1%。
另外一個(gè)重要的參數是通氣速率。Tang等研究發(fā)現，藻菌共培養系統在低通氣速率(0.2L/min)時(shí)處理生活污水的NH4+、TN和TP去除率高于活性污泥法。通氣速率增加，水力剪切力提高，不利于藻類(lèi)生長(cháng)。
在藻菌共培養中，藻和菌的選擇都是非常關(guān)鍵。為了去除NH4+，加入硝化細菌后，NH4+去除速率從單純的藻類(lèi)培養的44mg/(L·d)提高到100mg/(L·d)。使用藻菌共培養處理焦化廢水，其中的苯酚能夠完全降解，而單純藻類(lèi)培養只能去除27.3%。同時(shí)，藻菌共培養的NH4+去除率和油脂產(chǎn)率也是單純藻類(lèi)培養的2.3倍和1.5倍。藻類(lèi)的回收在操作成本中占有較大比例。同時(shí)固定化惡臭假單胞菌和小球藻比單菌、純藻、固定化單菌和固定化純藻處理廢水NH4+、TP和COD去除率都要高，藻菌共培養18h后，城市廢水中的NH4+和TP均可完全去除，純藻或固定化純藻只能去除80%的NH4+和73%的TP，而單菌和固定化單菌僅能去除30%～40%的NH4+和15%的TP。為了處理加拿大某工業(yè)園區的廢水，Belanger-Lepine等考察了營(yíng)養脅迫(氮、磷、鐵)、培養模式(自養、異養和兼養)、鹽度、pH和廢水來(lái)源對油脂合成的影響。在這些條件中，pH為7時(shí)，油脂含量能達到28%。Iasimone等在400L的跑道池反應器中共培養圓紅冬孢酵母和小球藻(接種比例1∶2)處理城市廢水，TN去除速率2.9mg/(L·d)，TP的去除速率0.96mg/(L·d)，14d后，油脂含量15%。為了形成穩定的藻菌處理廢水，環(huán)境條件需要優(yōu)化。為了處理沼渣廢液，Jiang等設置溫度25℃，混合固體懸浮顆粒質(zhì)量濃度7g/L，溶氧5mg/L，水力停留時(shí)間6h，微藻接種密度0.5mg/L，微藻生物質(zhì)產(chǎn)率85.14mg/(L·d)，油脂產(chǎn)率20.19mg/(L·d)。Liu等將藻活性污泥共培養6h后，TN和TP的去除率分別為50.4%和35.7%，而好氧活性污泥法的TN和TP的去除率分別為32.8%和25.6%。β雌二醇是典型環(huán)境污染物，Parlade等利用藻菌共培養室外光生物反應器處理含β雌二醇廢水，在合適季節去除率大于93.5%，在溫度和光照都不利的條件下，24h的去除率也有50%。其中，小球藻發(fā)揮的作用最大。藻菌共培養中，藻菌之間的相互作用對微藻生長(cháng)和廢水處理都有顯著(zhù)影響。Pastore等以小球藻和缺陷短波單胞菌共培養為研究體系，發(fā)現單胞菌更能去除廢水中的有機質(zhì)，并將氮轉化成氨，而小球藻在去除氮和磷方面更有利。
合理構建藻菌的互利共生關(guān)系至關(guān)重要。受菌種、藻種和環(huán)境因素影響，藻菌之間可能存在互利共生或者競爭關(guān)系。微藻消耗一部分小分子有機物，固碳釋放O2。釋放的O2有利于好氧菌代謝，釋放的小分子有機物和CO2可以被微藻利用。微藻排放的抑菌物質(zhì)和對培養基pH的影響可能都會(huì )對細菌不利。微藻分泌的胞外多糖等可以促進(jìn)細菌等生長(cháng)。部分細菌也會(huì )產(chǎn)生能促進(jìn)微藻代謝生長(cháng)的促進(jìn)因子。隨著(zhù)污水中可生化降解有機物增加，微生物大量繁殖，有些細菌代謝產(chǎn)物大量累積對微藻也是不利的。藻和菌的接種密度是構建藻菌體系的關(guān)鍵參數。目前建立的藻菌共生組合包括微藻細菌共培養、微藻真菌共培養和多藻多菌共培養等。在富含營(yíng)養的廢水中，藻菌的共生關(guān)系比較脆弱。為強化藻菌共培養的穩定性，強化采收的效率，已經(jīng)建立了一些固定化和生物膜的藻菌共培養系統，并用于生活污水、工業(yè)廢水和市政廢水的處理。
2.3 藻菌絮體
微藻廢水處理的50%的成本都集中在微藻采收階段。由于光生物反應器中微藻密度低，離心法采收微藻，能量損耗大。如果添加絮凝劑或者固定進(jìn)行微藻采收，還需要二次處理，也可能影響微藻的進(jìn)一步應用。部分真菌可以輔助藻類(lèi)絮凝。在自然環(huán)境中，一些微型綠藻能夠和藍藻、真菌和細菌等形成絮狀結構。建立藻菌絮體(microalgalbacterialflocs，MaB-flocs)，充分發(fā)揮微藻和細菌等的優(yōu)勢，再加上其具有采收方便的特點(diǎn)，是非常有潛力的廢水處理方法。藻菌絮體處理工業(yè)、農業(yè)廢水中都取得了一定效果，并在室外12m3的跑道池中也進(jìn)行了中試。目前，藻菌絮體多是從自然界獲得，如何在實(shí)驗室有效構建藻菌絮體還有待研究。藻菌絮體中藻類(lèi)并非單一藻種，這些微藻在實(shí)際應用中能否維持穩定的群落結構也不能夠確定。表2中，筆者比較文獻報道的藻菌絮體處理廢水中的情況，TN去除率19.7%～76.5%，廢水處理效果需要進(jìn)一步強化。
2.4 工藝集成與光生物反應器選擇
廢水的成分非常復雜，單一工藝往往不能滿(mǎn)足處理需要。對微藻廢水處理來(lái)說(shuō)，光生物反應器的選擇也非常重要。微藻能夠處理的廢水中COD不能太高，同時(shí)長(cháng)時(shí)間培養微藻可能產(chǎn)生新的有機物，使得廢水中的COD又再度升高。要想獲得處理廢水的最佳效果，需要在工藝上進(jìn)行集成，選擇合適的反應器也是關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。一種是分為兩段，分別通過(guò)微藻和活性污泥進(jìn)行廢水處理。Ren等提出兩段法處理高強度有機廢水，第一段用哈爾濱產(chǎn)乙醇桿菌暗發(fā)酵產(chǎn)H2，發(fā)酵產(chǎn)物主要是乙酸。再在第二段中用柵藻進(jìn)行異養培養處理含乙酸廢水，生物量達到1.98g/L，油脂含量達到40.9%，能源轉化效率從單段的18.6%提高到37.4%，COD去除率提高了131%。多數研究是將微藻和活性污泥共培養進(jìn)行廢水處理，當然有些需要先經(jīng)過(guò)活性污泥的預處理。
為了減少廢水中污染物對微藻的負面影響，Chang等提出了一種環(huán)形離子交換膜反應器。廢水經(jīng)過(guò)離子交換膜后進(jìn)入藻類(lèi)培養反應器，再處理營(yíng)養過(guò)剩廢水、高濁度廢水和重金屬離子廢水。微藻的生物量可以分別從傳統光生物反應器的2.34、2.15和0g/L，提高到4.24、3.13和2.04g/L。藻類(lèi)生物膜反應器的突出特點(diǎn)是微藻采收容易。生物膜中的生物包括藍藻、綠藻、硅藻、細菌和真菌等，不同的生物膜，處理性能也有很大差異。生物膜中的微藻是兼養培養，充分發(fā)揮微藻的作用，有利于廢水處理。在活性污泥處理和微藻處理之后再加1個(gè)紫外消毒工藝，可以去除部分微生物，如果對水中微生物有特殊要求可以嘗試。Ma等提出了1種新穎的微藻燃料電池處理稀釋的廢水，以有生物膜的不銹鋼網(wǎng)作為陰極和過(guò)濾材料，生物量能達到3.5～6.5g/L，輸出電流密度可以達到200mA/m2。Zhang等在跑道池中豎立平板式光生物反應器，構建立體藻類(lèi)生物膜反應器，可以提高藻類(lèi)生物量和污染物去除率，降低生產(chǎn)成本。光生物反應器的設計還需要提高光能利用效率，降低生產(chǎn)成本，滿(mǎn)足大規模微藻培養的需要。
2.5 廢水中營(yíng)養物質(zhì)的調整
一般來(lái)說(shuō)，很難把廢水直接用來(lái)養藻，主要原因就在于廢水的營(yíng)養成分未必適合藻類(lèi)生長(cháng)。藻類(lèi)生長(cháng)需要的氮、磷、硫及微量元素在廢水中不一定都能滿(mǎn)足藻類(lèi)生長(cháng)需要。此外，廢水中的某些成分過(guò)高，也不利于藻類(lèi)生長(cháng)，因此需要稀釋。比如，Yao等研究發(fā)現，某二級處理市政廢水中TP只有0.424mg/L、TN39.85mg/L，遠遠低于BG11培養基中的氮和磷的量。而養豬廢水中氮和磷濃度(TN633mg/L、TP61.53mg/L)又過(guò)高，需要稀釋。如果把養豬廢水和二級處理市政廢水按照體積比1∶3混合，小球藻能去除88%的TN、全部NH4+和TP。啤酒廠(chǎng)廢水也存在氮、磷及微量元素不足的問(wèn)題。Zheng等發(fā)現，如果將養豬廢水和啤酒廠(chǎng)廢水按照1∶5混合，小球藻能去除100%的NH4+、96%的TN和90%的TP。
有時(shí)，廢水中含有重金屬元素和高濃度的NH4+。然而鐵、錳、鋅、鉬、銅和鈷等重金屬元素是微藻生長(cháng)所需的微量元素，如果廢水中缺失這些微量元素，生長(cháng)和某些生理活動(dòng)也會(huì )受到限制，因此需要補充。而各種廢水中也可能含有鎘、鉻、汞和鉛等重金屬元素，但是他們不是微藻培養基中的成分，如果這些重金屬元素含量超過(guò)一定限度將極大影響藻類(lèi)生長(cháng)，甚至導致微藻死亡。同時(shí)，重金屬在一定程度內可以吸附到微藻表面或者富集到微藻體內。因此，需要根據富集的重金屬具體情況，選擇合適的途徑處理微藻，并需要注意這些重金屬的回收。
NH4+是微藻可以利用的無(wú)機氮源，但是高濃度NH4+將抑制微藻生長(cháng)。為了降低NH4+的毒性，可以選擇對廢水進(jìn)行稀釋。但是稀釋后廢水中其他營(yíng)養成分的濃度也會(huì )顯著(zhù)降低，對微藻的生長(cháng)也是不利的。目前可能的處理方法包括先氣提處理、優(yōu)化碳氮比、加入硝化細菌或流加培養等。家禽養殖廢棄物厭氧硝化廢水中NH4+質(zhì)量濃度達到4315mg/L。對多數微藻來(lái)說(shuō)，這樣的NH4+濃度超過(guò)了微藻可以耐受限度。Markou采取流加培養模式，NH4+去除率可達95%。需要注意的是，在低流加速率(5或10mg/(L·d))條件下，鈍頂節旋藻(Arthrospiraplatensis)的生物量低于高流加速率(20或30mg/(L·d))的生物量，而在這4個(gè)流加速率下，小球藻的生物量差別不大。說(shuō)明對鈍頂節旋藻來(lái)說(shuō)，低流加濃度的營(yíng)養不能完全滿(mǎn)足生長(cháng)需要。無(wú)糞便養豬廢水中NH4+有220mg/L，Lu等加入α酮戊二酸能有效促進(jìn)NH4+的同化，但是價(jià)格昂貴，利用效率低。如果碳源換成葡萄糖、檸檬酸或者NaHCO3，也能起到強化去除NH4+的效果。Zheng等先用汽提脫氨，再用生物柴油生產(chǎn)中廢甘油為碳源，調控小球藻生物脫除廢水中污染物，其中NH4+質(zhì)量濃度在55或110mg/L，碳氮比5∶1或25∶1時(shí)、pH控制在7時(shí)，NH4+可以完全去除。Wang等提出微藻去除NH+4的三段處理工藝，第一段加氮兼養培養3d，第二段缺氮兼養2d，第三段加NH4+自養5d，NH4+的平均去除速率為4.2mg/(L·d)。
2.6 可持續綜合開(kāi)發(fā)
微藻廢水處理過(guò)程的固定投資和運行成本較高，為了提高其技術(shù)經(jīng)濟性，有必要進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)，提高技術(shù)的可持續性(圖1)。
經(jīng)過(guò)廢水處理后，水體中微藻的生物量增加，得到的微藻是可以利用的生物質(zhì)資源。微藻廢水處理能夠和CO2捕獲和生物燃料生產(chǎn)集成在一起。CO2是微藻光合作用所需的碳源，有些研究嘗試微藻固定煙道氣中的CO2，更接近實(shí)際應用。但是如何提高固碳效率是核心問(wèn)題。在連續通氣條件下，固碳效率可能只有2%。大量的煙道氣并沒(méi)有得到有效利用。為了達到廢水處理、CO2捕獲和生物燃料生產(chǎn)的多重目的，廢水組成還要合理配置。一般城市廢水中的氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)可以滿(mǎn)足微藻生長(cháng)需要，但是氮磷比例未必適合生物燃料的生產(chǎn)。這就需要因地制宜地選擇不同來(lái)源的廢水，按照生產(chǎn)需要，設置配比，實(shí)現多目標最大化。廢水的來(lái)源影響微藻的收獲以及進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用。一般來(lái)說(shuō)，農業(yè)廢水不含有毒害物質(zhì)，得到的微藻可以用于生物肥料的研發(fā)。處理梭鱸養殖廢水后得到的藻菌絮既含有一定營(yíng)養成分，又含有一定灰分。vandenHende等添加2%～8%的藻菌絮體到蝦的餌料中，雖然明顯提高了餌料的紅黃色澤，但是不影響蝦的產(chǎn)量和品質(zhì)。Renuka等使用常規化肥，配比單細胞藻(小球藻、柵藻、色球藻或綠球藻)或者纖毛藻(纖毛藻、念珠藻、費氏藻或水綿)作為小麥的肥料，其中氮肥用量減少25%，全株質(zhì)量提高7.4%～33%，穗質(zhì)量提高10%，千粒質(zhì)量提高5.6%～8.4%。魚(yú)腥藻可以有效去除養魚(yú)廢水中的NH4+和硝酸鹽，但是去除硝酸鹽效果不佳，收獲的魚(yú)腥藻為肥料可以提高綠葉菜(芝麻菜、莧菜和小白菜)的產(chǎn)量。農業(yè)沼氣中含有大量的CO2，是微藻培養需要的底物。工業(yè)廢水一般含有重金屬離子等，不適合作為肥料，但可以作為生物質(zhì)氣化或催化轉化的原料。Wieczorek等優(yōu)化底物接種濃度、溫度和前處理方式，酶催化轉化收獲的藻菌絮體，每克揮發(fā)性固體最多能產(chǎn)生271mL的沼氣。將生物沼氣通入到微藻培養光生物反應器，微藻能夠完全利用沼氣中的CO2，生物量得到提高，NH4+和TP的去除率也得到改善。但是，傳統廢水處理中有些揮發(fā)性有機物難以去除，能耗也高。
2.7 技術(shù)經(jīng)濟分析和風(fēng)險評估
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，微藻廢水處理過(guò)程中的技術(shù)瓶頸也在變化中。根據不同工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟性分析有助于綜合評估工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。Mata等分析了微藻處理啤酒廠(chǎng)廢水并制備生物柴油的技術(shù)經(jīng)濟性，結果表明，微藻收獲和油脂分離是主要的技術(shù)瓶頸。Sfez等對藻菌絮體處理水產(chǎn)養殖廢水在中試規模(28m2)和假定的工業(yè)規模(41個(gè)池子，每個(gè)池面積245m2)做了全生命周期分析。在工業(yè)規模，將藻菌絮體開(kāi)發(fā)成蝦餌料比生產(chǎn)沼氣更具經(jīng)濟性，但是能耗還需要進(jìn)一步降低。藻菌絮體處理每噸水產(chǎn)養殖廢水和食品工業(yè)廢水的成本在0.25～0.5歐元，投資成本與跑道池混合處理工藝相比仍比較昂貴。綜合評價(jià)藻菌絮體廢水處理后開(kāi)發(fā)成肥料、蝦餌料、藻膽蛋白和沼氣的經(jīng)濟性，開(kāi)發(fā)成餌料經(jīng)濟性較好，但是最有潛力的是生產(chǎn)藻膽蛋白。Diaz-Garduno等對西班牙廢水中的53種有害化合物進(jìn)行了包括微藻廢水處理技術(shù)在內的不同過(guò)程的評估。吐納麝香、麝香草胺和氧氟沙星作為香精和抗生素中的代表，很難降解，需要給予關(guān)注。微藻處理這些環(huán)境風(fēng)險化合物時(shí)具有很強的種屬特異性，在可行性實(shí)驗中就需要篩選對這些物質(zhì)能更高效去除的藻類(lèi)。
雖然20世紀50年代末就提出了微藻廢水處理，但是至今還沒(méi)有工業(yè)化的大規模應用。除了廢水處理的效率外，系統的穩定性(魯棒性)也是關(guān)鍵問(wèn)題。高效采收微藻可以降低生產(chǎn)成本，提高綜合利用效率，能夠進(jìn)一步提高技術(shù)的經(jīng)濟性。為完成廢水處理任務(wù)，需要一定的微藻生物量，按照目前常規的微藻產(chǎn)率，需要大面積的土地用于放置光生物反應器。在很多區域，土地成本很高，從這個(gè)角度來(lái)看，微藻廢水處理的技術(shù)經(jīng)濟性不被認可。此外，即使微藻廢水處理能取得不錯的效果，但可能的環(huán)境風(fēng)險也需要詳盡評估。雖然香精和抗生素的濃度不高，但是需要處理的廢水量大，持續累積仍然會(huì )對環(huán)境造成危害。
3、總結與展望
微藻廢水處理還需要重點(diǎn)發(fā)展高效低耗的高強度生活污水、農業(yè)養殖廢水和典型工業(yè)廢水的生態(tài)治理技術(shù)，通過(guò)藻菌共生促進(jìn)富含碳、氮、磷、硫及重金屬等污染物的防治與資源化利用，探索藻菌共培養體系內碳、氮、磷、硫、重金屬等污染物的富集或降解機制以及協(xié)同降解機制，構筑生態(tài)化廢水處理新方法，降低停留時(shí)間，提高廢水處理效率，實(shí)現系統內的自維持與自更新。
微藻廢水處理是有潛力的綠色技術(shù)。需要針對不同廢水的處理需求，選擇合適的藻種(及菌種)和工藝，進(jìn)一步提高廢水處理效率。目前，多數研究還停留在實(shí)驗室階段，需要更多中試規模以上的實(shí)驗數據，發(fā)現新的技術(shù)瓶頸。需要從污染物處理效率、過(guò)程能量需求和經(jīng)濟性等多方面考察新的微藻廢水處理工藝，重視基于微藻的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，提出可持續開(kāi)發(fā)路線(xiàn)，推動(dòng)微藻廢水處理的更廣泛應用。(來(lái)源：國投生物科技投資有限公司，南京工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院)
