综述：基于微藻的废水处理与生物质增值：15年研究的见解、挑战与机遇

《ACS Omega》：Microalgae-Based Wastewater Treatment and Biomass Valorization: Insights, Challenges, and Opportunities from 15 Years of Research

微藻生物技术在废水处理与资源回收中的应用研究，聚焦高率藻类塘（HRAPs）及混合系统优化，证实UV预消毒、CO?补充及反应器深度调整可显著提升氮磷有机物去除率（最高达100%）与生物质产率（0.17-2.37 g/m2/d）。生物质含32-42%蛋白质，适用于生物肥料与动物饲料；能源转化中，厌氧消化（0.20-0.57 m3 CH?/kg VS）与热解（37-44%生物油）表现突出，但高灰分（20-40%）制约应用。研究揭示混合系统（HRAP+生物膜反应器）较传统HRAP减少28%环境足迹，且通过废水 blending优化C/N/P比例（如肉加工与涂料废水混合提升COD去除至96.6%）。挑战包括能源密集型干燥（占HTL碳排放99%）及重金属对氮去除的干扰（Cu/Zn浓度>100 mg/L时N去除率下降15-30%）。建议开发太阳能干燥（节能40%）与电凝聚合法（回收率>95%）替代方案，并探索重金属吸附-转化协同机制。

　　在当前全球面临的环境挑战中，水污染和气候变化尤为突出，对社会和经济造成广泛影响。为此，巴西联邦维索萨大学在过去15年中开展了一系列研究，探索利用微藻进行废水处理及生物质增值的可行性。这项研究不仅在技术层面展示了微藻作为环境修复工具的巨大潜力，还为实现可持续发展的生物经济提供了新的视角。微藻技术，尤其是高效率藻类池（HRAPs）和生物膜反应器（BRs）的结合使用，已经成为一种可行的解决方案，尤其是在偏远地区，它提供了分散式、环保、经济且社会可持续的污水处理方法。

### 微藻污水处理的生态与生物特性

微藻的光合代谢使其能够在含有有机物的废水中生长，同时吸收氮、磷等营养物质。它们通过光合作用释放氧气，促进异养细菌的活动，从而形成一种共生关系。这种共生关系不仅提高了营养物质的去除效率，还促进了有机物的降解。此外，某些微藻种类还能在无光条件下进行异养代谢，利用有机碳直接生长，这使得微藻在污水处理中的应用更加多样化。微藻能够积累多种有价值的化合物，包括蛋白质、色素、抗氧化剂、多糖和脂质，这些化合物可以用于生物燃料、生物肥料、生物刺激剂以及人类和动物营养等领域。

### 微藻生物量的生产与废水处理的结合

全球范围内，微藻生物质的生产在2019年达到3580万吨，其中亚洲地区贡献了97.4%的产量，而美洲、欧洲、非洲和大洋洲的贡献则相对较小。在巴西，已有17家公司参与微藻相关材料和产品的生产或销售。然而，微藻的培养仍然需要大量水资源和营养物质，这在一定程度上增加了生产成本。此外，使用工业肥料进行微藻培养也带来了可持续性问题，因为其生产过程涉及高能耗和温室气体排放。例如，哈伯-博世工艺是氨生产的主要方法，但该工艺占全球能源消耗的1-2%和二氧化碳排放的1.44%。因此，探索替代的水资源和营养来源，如城市和工业废水，对于扩大微藻生产至关重要。同时，在自然环境条件下进行微藻培养，如在常温下利用太阳能，进一步增强了微藻污水处理与生物质生产的可行性。

### 微藻污水处理技术的多样性

在污水处理技术方面，研究者们尝试了多种方法，包括吸附、混凝/絮凝、膜过滤和活性污泥系统。然而，近年来，人们越来越关注利用自然系统进行低成本污水处理的方案。这些自然解决方案模仿和利用自然生态系统的功能，尽量减少对机械组件的依赖。它们整合了植物、土壤、多孔介质、细菌和其他自然元素和过程，以去除废水中的污染物。例如，微藻系统，如高效率藻类池（HRAPs），已经显示出显著的潜力。HRAPs是一种开放的、浅层反应器，以其高生物质产量而闻名，通常在10至30克每平方米每天之间。这一性能主要归功于其设计和操作特性，包括通过桨叶轮的连续搅拌确保微藻的均匀分布，优化对太阳能的暴露，以及增强气体交换。浅水深度也使得整个水柱都能获得充分的光照，从而促进高效的光合作用和生物质生长。

### 多种反应器设计的比较

除了HRAPs，研究还探讨了光生物反应器（PBR）等其他反应器设计。PBR通过在反应器底部引入气体，如压缩空气或二氧化碳，实现混合。这一过程对于提高微藻对二氧化碳的利用效率至关重要。气体进入培养液后，会转化为生物可利用的碳形式，主要为二氧化碳和碳酸氢盐，这些物质通过被动扩散或主动运输被微藻细胞吸收。需要注意的是，PBR入口的气体组成对二氧化碳转移率和培养液的pH值有显著影响。这些参数必须根据气体来源（如环境空气、工业二氧化碳或纯二氧化碳）和培养液的性质（如废水或合成培养基）进行仔细调控。此外，PBR的设计利用透明管路，使得培养液能够均匀暴露在扩散的太阳辐射下，从而提高微藻的光合效率。因此，PBR在操作参数控制和优化方面具有更大的优势，能够实现比HRAPs更高的生物质产量和微藻密度。

### 混合系统的应用与优势

为了提高废水处理的效率和生物质的产量，研究者提出了混合系统（HS），将生物膜反应器（BR）与高效率藻类池（HRAP）结合。在这一系统中，培养液被循环利用，使得微藻在HRAP中进行悬浮生长，而生物膜则附着在BR上。这种设计简化了微藻的分离和收获过程，因为附着的生物质可以通过手动刮取获得。研究显示，HS在生物质产量和处理效率方面优于传统的HRAP，同时减少了对二氧化碳补充的依赖。此外，HS的结构允许根据季节变化调整生物膜的倾斜角度，从而优化光合作用和处理效果。

### 处理策略的优化

在HRAPs的操作策略中，研究者探索了多种方法以提高处理效率和生物质产量。其中，紫外线（UV）预消毒是一项重要策略。UV预消毒能够减少进入池中的细菌和病原体负荷，从而减少微藻与细菌之间的竞争，提高微藻的生长效率和生物质产量。此外，遮阳策略也被用于控制过度的光强，避免高光强对微藻生长造成的光抑制。深度调整则影响了光的可用性、二氧化碳的利用效率以及土地使用与产量之间的平衡。最后，优化碳/氮/磷（C/N/P）比例是提高微藻生长和营养物质去除效率的关键。通过混合不同废水，研究者能够增加碳含量，从而改善C/N/P比例，提高微藻的生长效率。

### 生物质的化学组成与应用潜力

在化学组成方面，研究显示，微藻生物质主要由蛋白质（32-42%）、碳水化合物（18-23%）和脂质（13-16%）组成，其中蛋白质含量最高，其次是碳水化合物和脂质。这种高蛋白质含量使得微藻生物质在动物营养和食品工业中具有广泛应用的潜力。此外，研究还评估了微藻生物质在生物燃料、农业应用和生物刺激剂中的潜力。例如，厌氧消化（AD）和水热液化（HTL）等技术能够将湿生物质转化为沼气和生物油。然而，高灰分和氮含量仍然是需要解决的问题。

### 农业应用的潜力与挑战

在农业应用方面，微藻衍生的生物肥料能够改善土壤健康，减少营养流失，并提高作物产量。研究显示，微藻生物肥料的性能与化学肥料相当，甚至在某些情况下更为优越。然而，高成本的干燥过程和能源需求仍然是经济上的挑战。此外，微藻生物质中钠的积累可能对土壤和植物造成毒性，需要通过优化生物质浓度和改进收获技术来减少钠的负面影响。同时，研究还探讨了微藻生物质作为生物刺激剂的应用，能够促进土壤微生物活性，提高土壤肥力。

### 生物质的进一步利用与可持续发展

为了进一步提高微藻生物质的利用效率，研究者还探索了多种策略，包括水热液化（HTL）和生物炭化（HTC）等。这些技术能够将湿生物质转化为高能密度的生物油和生物炭，从而减少干燥过程中的能耗。此外，研究还评估了HTL和HTC过程中产生的副产品，如水相（AP）和气体，这些副产品可以用于其他用途，如微藻培养或气体燃料生产。通过综合这些处理技术，研究者能够提高微藻生物量的附加值，同时减少环境影响。

### 未来的研究方向与可持续发展路径

尽管微藻技术在废水处理和生物质增值方面展现出巨大潜力，但仍存在一些挑战。例如，高灰分和氮含量可能影响生物质的进一步利用，需要通过优化培养条件和处理技术来解决。此外，经济可行性仍然是推广微藻技术的关键因素，尤其是在发展中国家。为了提高经济和环境的可行性，研究者建议探索更高效的干燥技术，如太阳能干燥床，以及优化处理流程以减少能源消耗。同时，通过生命周期评估（LCA）和经济分析，研究者能够识别出最环保和经济的处理方案，从而推动微藻技术的广泛应用。

综上所述，微藻技术在废水处理和生物质增值方面具有显著的潜力，尤其是在发展中国家，能够为实现可持续发展提供可行的解决方案。通过不断优化处理技术和利用策略，微藻技术有望成为未来污水处理和资源回收的重要组成部分。