综述：基于微藻的废水处理、碳固定及生物产品生产：从实验室到工业规模的综合性可行性评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microalgae-Based Wastewater Treatment, Carbon Biofixation, and Bioproduct Generation: A Comprehensive Feasibility Review from Bench to Industrial Scale

　　摘要
城市化和工业活动的迅速扩张加剧了两个主要的环境挑战：废水产生的增加和工业二氧化碳排放的上升，这迫切需要可持续且经济可行的处理和碳管理策略。尽管基于微藻的生态修复和二氧化碳固定技术在实验室规模上展示了相当大的潜力，但在实际条件下的性能、经济可行性和商业化准备程度仍需进一步评估。本综述系统地评估了基于微藻的废水处理、碳固定和生物产物生成的试点、半工业和工业规模应用，从综合生物精炼的角度出发，结合了技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）。研究结果表明，可扩展性主要取决于系统配置、集成策略和资源耦合，而不仅仅是生物潜力。开放池塘系统通常比封闭式光生物反应器具有更低的能量需求和运营成本，但过程控制能力较弱。相比之下，混合系统为克服这些限制提供了机会。直接将烟气用于二氧化碳固定在技术上是可行的，但效率受气体-液体传质、反应器设计和工业布局的显著影响。尽管微藻产品在食品、饲料、生物肥料和生物燃料等方面有多种应用，并具有环境效益，但由于高生产成本、下游处理挑战以及规模经济性有限，其市场渗透仍受到限制。最大化副产物价值的综合生物精炼方法始终优于单独的系统。总体而言，基于微藻的平台应被视为传统技术的补充和集成解决方案，其可行性依赖于循环资源回收和多产品策略。

引言
城市化、工业化和人口增长迅速加剧了两个紧密相关的环境挑战：废水产生的增加和人为二氧化碳排放的上升。传统的废水处理系统仍然耗能且资源需求大，而工业碳排放继续推动气候变化[1][2][3][4][5]。在新兴的生物方法中，基于微藻的系统因其能够同时解决多个环境问题而受到了广泛关注。通过光合作用，微藻可以从废水中回收氮和磷，利用无机碳源，并将这些资源转化为含有有价值化合物的生物质[1][6]。这种多功能性为超越传统处理方式创造了机会，将废水和工业二氧化碳流从环境负担转化为可再生原料，用于资源回收[7]。微藻生物质已被研究用于多种应用，包括生物肥料、动物饲料、生物燃料、色素、蛋白质和其他高价值生化产品，支持在循环生物经济框架内的综合生物精炼概念的发展[7]。然而，微藻的主要优势并不来自任何单一应用，而在于它们能够在单一平台上结合废水处理、碳利用和生物质增值[8]。因此，仅将微藻视为废水处理技术或碳捕获选项并不能充分了解其实际工业潜力。

尽管科学上取得了显著进展，但基于微藻的技术从实验室示范到商业应用的转化仍面临挑战。实验室规模的研究常常在优化条件下报告出较高的生物性能，而大规模系统则面临污染控制、季节变化、传质效率、收获成本、能量需求和下游处理等方面的限制[9]。因此，实验室规模观察到的经济和环境性能无法直接外推到工业操作。最近的研究趋势反映了这一变化，更加重视技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）、大规模培养策略以及与全球可持续性框架（如联合国可持续发展目标SDGs）的对齐。综述研究在综合现有知识、拓宽研究视角以及促进在不断扩展和日益碎片化的文献中的可靠比较方面发挥着关键作用。2010年至2026年间，有超过45,000篇出版物，包括研究文章、书籍和综述论文，涉及微藻的相关内容，涵盖了从藻类生物学和生物燃料生产到废水处理、水质监测、碳捕获和水产养殖营养等多个主题[10]。这一显著增长反映了科学界和工业界对基于微藻的技术的日益关注。如图1所示，中国、印度和美国已成为这一研究领域的领先贡献者[10]。然而，核心问题已从微藻是否能够执行特定功能转变为这些功能是否能够在实际操作条件下可靠、经济且可持续地实现。

现有的综述研究大大有助于理解微藻应用的各个方面；然而，关于其在实际规模上的部署和商业化准备程度仍有重要空白。Dasan等人[11]研究了微藻二氧化碳固定的能源和经济方面，但未将废水处理和生物产物回收路径结合起来。Bhatt等人[12]回顾了培养系统的技术经济方面，但主要关注更广泛的培养场景，而非记录工业实施情况。类似地，最近的关于微藻生物精炼的综述虽然引入了TEA和LCA方法，但主要依赖于概念设计、基于模拟的评估或实验室假设，而非实际运营设施[13][14]。一项涵盖了176项研究的微藻废水处理的全面评估提供了有价值的经济和环境性能见解，但未在同一比较框架内评估二氧化碳固定和生物产物生成[15]。此外，之前的综述很少考虑监管框架、环境政策和区域实施条件对技术采用的影响。与营养回收、生物质利用和产品安全相关的法规越来越多地决定了微藻技术能否从示范项目发展为商业应用。

为了解决这些限制，本综述采用了一种系统的基于证据的方法，专注于基于微藻的系统的试点、半工业和工业规模应用。通过Scopus、Web of Science和Google Scholar等主要科学数据库的结构化搜索，使用与微藻、废水处理、二氧化碳固定、碳捕获、生物产物生成、生物精炼、技术经济分析、生命周期评估、试点规模和工业规模运营相关的关键词组合来识别相关研究。筛选过程遵循预定义的资格框架，仅包括那些报告了超越实验室规模的实际运营数据并提供与经济性能、环境影响、运营参数或资源回收效率相关的定量信息的研究。大多数仅基于实验室实验、理论预测或未经实际运营验证的模拟模型的研究被排除在外。除了TEA和LCA评估外，所选研究还考虑了监管要求、政策框架和影响实施可行性的区域因素，从而对商业化准备程度和市场采用情况进行了更广泛的评估。因此，本综述旨在评估基于微藻的废水处理、二氧化碳固定和生物产物生成在综合生物精炼框架内的实际可行性。具体来说，它研究了系统配置、资源整合和副产物增值如何影响经济和环境性能；比较了不同地理和监管背景下的当前工业实施情况；并评估了这些技术对实现可持续发展目标（SDG）的贡献。通过关注实际运营证据而不仅仅是实验室潜力，本综述提供了关于微藻作为可持续废水管理、碳减排和循环生物资源生产补充解决方案的更现实视角。

**部分摘录**

**废水处理**
水是人类健康、生态系统稳定和社会经济发展的重要资源。然而，快速的城市化、工业化和人口增长大大增加了水需求，导致全球废水产量急剧上升。目前估计，全球年废水产量超过3800亿立方米，并预计到2030年将增加24%，到2050年增加超过50%[1][2]。尽管如此...

**碳捕获**
全球变暖是一个由能源需求增加和工业化驱动的主要环境挑战。二氧化碳占温室气体排放量的约68%，2025年排放量为38.1 Gt（来自化石燃料燃烧的二氧化碳排放），远超过地球每年21 Gt的自然储存能力[3][4][5]。预测表明，到2050年大气中的二氧化碳浓度可能达到685 ppm，使全球温度上升1.9°C，海平面上升显著[172][173]。

**基于微藻的产品**
培养后，微藻生物质被收获并加工成各种高附加值产品，凸显了它作为一种多功能和可持续生物资源的作用。其中一个主要应用是可再生能源生产，其中富含脂质的生物质可以酯交换成生物柴油，而富含碳水化合物的部分可以发酵成生物乙醇，为化石燃料提供可持续替代品[263][264][265]。除了能源应用外，微藻还...

**生命周期评估**
生命周期评估（LCA）是一种标准化方法，用于评估产品、过程或技术在其整个生命周期中的潜在环境影响[403]。该方法由国际标准化组织（ISO 14040和ISO 14044）开发，通过考虑材料和能源输入、资源消耗、排放和废物生成，在定义的生命周期阶段量化环境性能[404]。

**结论与展望**
基于微藻的系统在多个应用领域展现出巨大潜力：废水处理、二氧化碳捕获和利用、营养回收以及生物质生产，每个功能都通过试点、示范和大规模应用得到了独立验证。证据表明，微藻可以从废水中去除有机物和营养物质，利用二氧化碳，并生成可用于后续增值的生物质，尽管这些功能通常...

**作者贡献声明**
Seyed Mahdi Mousavi Ghorghi：撰写——原始草案，软件，数据管理。
Omid Tavakoli：监督，项目管理，方法论，概念化。
Sara Mahdavi：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草案，验证，方法论，数据管理，概念化。
Sahand Azadvar：撰写——审阅与编辑。
Seyedeh Fatemeh Baktash：撰写——原始草案，软件，数据管理。
Arad Sadeghi Lafout：撰写——原始草案，软件，数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
作者感谢伊朗国家藻类培养收集中心（INACC）提供了支持本研究的相关资源和信息。

**作者列表**
Sara Mahdavi | Seyedeh Fatemeh Baktash | Arad Sadeghi Lafout | Sahand Azadvar | Seyed Mahdi Mousavi Ghorghi | Omid Tavakoli
伊朗德黑兰大学工程学院化学工程系，德黑兰14176