综述：低温等离子体技术用于微藻去除的综合评述

本综述系统探讨了低温等离子体技术作为一种创新、高效且环境友好的微藻去除方案。文章详细分析了其通过产生活性氧氮物种（ROS/RNS）诱导氧化应激、破坏细胞膜的机制，对比了介质阻挡放电（DBD）、电晕放电等多种系统效能，并指出其在能耗、副产物控制及与传统方法（如紫外、臭氧处理）联用方面的优势与挑战，为水处理领域提供了前沿技术视角。

　　

1. 引言

1.1. 微藻概述及其环境影响

微藻是水生生态系统中重要的初级生产者，通过光合作用产生氧气并固定二氧化碳。然而，营养盐过量输入导致其过度增殖，形成有害藻华（HABs），引发水体缺氧、产生藻毒素（如微囊藻毒素），威胁水生生物和人类健康，并造成渔业和旅游业的经济损失。

1.3. 低温等离子体技术简介

等离子体是物质的第四态，由电离气体组成，包含离子、电子、自由基等活性组分。低温等离子体（非热等离子体）在接近室温下运行，电子温度远高于重粒子温度，可通过介质阻挡放电（DBD）、电晕放电、电弧放电等方式产生。该技术是高级氧化过程（AOPs）的一种，能高效生成羟基自由基（^•OH）、臭氧（O₃）等活性物种，用于降解污染物和灭活微生物。

2. 微藻：特性与挑战

2.1. 微藻的类型与生物学特性

微藻包括绿藻、硅藻、蓝藻（蓝细菌）等多个类群，能合成蛋白质、脂质、色素及高价值生物活性物质，在生物燃料、废水处理和碳固定方面具有应用潜力。

2.2. 微藻增殖带来的环境与工业挑战

藻华导致水体透明度下降、溶解氧耗竭，并释放温室气体如氧化亚氮（N₂O）。某些蓝藻还能在光照或黑暗条件下通过一氧化氮（NO）还原途径产生N₂O，加剧全球变暖。

2.3. 现有微藻去除方法及其局限性

2.3.1. 物理方法

包括过滤、沉降、离心、浮选（如溶气浮选DAF）及超声波处理。过滤易堵塞，沉降对浮游藻类效果差，离心能耗高，DAF需精确控制气泡，超声波则适用于小水体。

2.3.2. 化学方法

使用硫酸铜、季铵盐（QACs）、过氧化氢（H₂O₂）、氯制剂等杀藻剂。虽快速有效，但存在化学残留、毒性副产物及对非靶生物的危害。

2.3.3. 生物方法

利用细菌竞争或鱼类摄食控制藻类，生态友好但效率较低，易受环境条件制约。

2.4. 太阳能废水处理（SOWAT）与高级氧化过程

太阳能驱动的高级氧化过程（AOPs）借助光催化材料降解污染物，可与等离子体技术互补，形成绿色协同处理方案。

3. 低温等离子体技术概述

3.1. 定义与基本原理

低温等离子体通过气体电离产生高活性物种，如^•OH、O₃、超氧阴离子（^•O₂^?），这些物种能攻击藻细胞结构，导致氧化损伤。

3.2. 低温等离子体系统类型

3.2.1. 介质阻挡放电（DBD）

在两电极间设置绝缘介质，产生均匀放电，活性物种丰富，适用于大气压操作。

3.2.2. 电晕放电

在尖锐电极附近发生，产生非均匀等离子体，分为正电晕和负电晕，设备简单但强度较低。

3.2.3. 电弧放电

包括滑动弧和直接弧放电，可产生热等离子体或非热等离子体，能量集中，适用于高浓度废水。

3.2.4. 辉光放电

在低压下运行，形成稳定发光等离子体，分为浸没式和接触式反应器。

3.3. 低温等离子体系统类型对比

DBD操作简单但处理面积有限，电弧放电物种产量高但温度较高，等离子体射流（APPJ）精准但成本高，微波等离子体高效但需屏蔽辐射。

4. 活性物种的生成与特性

4.1. 低温等离子体去除微藻的机制

ROS/RNS攻击藻细胞胞外聚合物（EPS）和细胞壁，引发脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤，导致膜破裂、内容物泄漏，最终细胞裂解死亡。

4.2. 氧化应激与细胞膜破坏

^•OH等自由基破坏细胞膜不饱和脂肪酸，氧化功能蛋白，并侵入细胞内部损伤遗传物质，致使藻细胞失活。

5. 低温等离子体在微藻去除中的应用

5.1. 用于水处理与微藻控制的低温等离子体

通过氧化应激、削减营养盐（如转化氮磷为不可用形态）、破坏生物膜等多途径抑制藻类生长。

5.2. 与其他水处理技术的比较

低温等离子体无需化学添加剂、能效高、作用快速、无有害副产物（如三卤甲烷），且可模块化集成于现有系统，比紫外、臭氧等方法更具可持续性。

6. 案例研究与实验发现

多项研究证实低温等离子体高效灭藻：DBD处理螺旋藻（Spirulina platensis）去除率达98%，自冷却DBD reactor 1小时内灭活99%铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa），且残留细胞失去繁殖能力。等离子体活化水（PAW）中的亚硝酸（NO₂^ˉ）、过氧化氢（H₂O₂）及过氧亚硝酸（ONOOH）在酸性条件下穿透细胞膜，抑制小球藻（Chlorella）生长。

7. 低温等离子体技术的优势与局限

7.1. 优势

高效降解有机物、广谱消毒、无需化学品、能效高、无有毒副产物、系统灵活易集成。

7.2. 技术挑战

初始投资高、大规模应用能耗较大、有机污染物矿化可能不完全、反应机制复杂、设备耐久性受活性物种腐蚀影响。

8. 未来方向与研究前景

8.1. 低温等离子体技术的潜在改进

优化活性物种产出、革新反应器设计（如液相直接放电）、提升能效（如采用共振电源或太阳能耦合）。

8.2. 与其他处理方法联用提升效能

与光催化协同增强降解、作为生物处理前预处理提高微生物降解效率、与膜过滤结合减轻膜污染。

8.3. 微藻去除的新兴趋势与创新

开发浮动式等离子体反应器用于现场藻华控制、微气泡等离子体系统增强物种传递、等离子体强化絮凝促进藻细胞聚集去除。

9. 结论

低温等离子体技术具有处理微藻污染的巨大潜力，其环境兼容性、高效性和灵活性使之成为传统水处理方法的有效补充或替代方案。通过技术优化、能耗降低及系统集成，它有望在可持续水管理领域发挥关键作用。