基于微藻细胞培养的水质深度净化与高价值生物质生产耦合技术

生态环境学报 2009, 18(3): 1122-1127 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@jeesci.com 基金项目：国家杰出青年科学基金项目（50825801）；国家“十一五”科技支撑计划基金项目（2007BAC22B02） 作者简介：胡洪营（1963 年生），男，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为环境生物技术。*通讯作者，E-mail: hyhu@tsinghua.edu.cn 收稿日期：2009-03-25 基于微藻细胞培养的水质深度净化与 高价值生物质生产耦合技术 胡洪营*，李鑫，杨佳 清华大学环境科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系//环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084 摘要：水资源和能源危机是 21 世纪人类面临的重大挑战。开发高效的氮磷控制技术以及寻找可持续再生、环境友好的新型 能源是解决这些挑战的有效手段。微藻培养技术的出现，为水质深度净化、氮磷高效去除和生物能源生产提供了可能。总结 了微藻培养技术在污水处理中作为三级处理单元深度净化水质、去除氮磷的应用，并分析了大规模培养微藻以获得生物能源 的研究现状。在此基础上，提出了将污水处理工艺和生产工艺耦合的理念，以污水为资源，实现污水处理系统从“处理工艺” 向“生产工艺”的转化，在深度净化污水的同时，以污水为原料获取“新”资源和“新”能源，为缓解当前资源匮乏、能源紧缺的 形势提供可能的解决途径。在未来资源和能源愈加紧张的严峻形势下，基于微藻细胞培养的水质深度净化与高价值生物质生 产耦合技术具有广阔的发展前景。 关键词：水资源危机；能源危机；微藻；光生物反应器；水质深度净化；生物能源 中图分类号：X17 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2009）03-1122-06 水资源危机是 21 世纪人类面临的最大挑战之 一。随着人类经济活动的发展，氮磷等营养物质大 量排入水体，引起水体富营养化，导致藻类异常繁 殖和水质恶化。与此同时，全球 40%的国家与地区 面临着缺水问题，水资源的可持续利用迫在眉睫。 利用再生水作为城市第二水源为解决城市水资源 的紧缺问题提供了一条新途径[1]，但再生水中较高 含量的氮磷容易引起浅水型景观水体的富营养化， 影响再生水的景观利用[2-3]。因此，开发高效、低成 本的水质深度净化技术，是解决当前水资源危机的 重要手段之一。 近年来世界范围内的人口增长与工业发展，带 来了资源与能源过度消耗、面临枯竭的困境。预计 2010 年全球的能源缺口为 403 EJ·a-1，2020 年将达 到 488 EJ·a-1，而目前新能源的开发利用尚不到缺口 的 10% [4]。另一方面，化石能源的燃烧加剧了温室 气体的排放。自 20 世纪 50 年代起，CO2 浓度水平 和全球温度都有了明显的升高[5]。因此，寻找可持 续再生、环境友好的新型能源势在必行。 微藻具有生长速率快、收获时期短、光合利用 效率高等特点，每年固定的 CO2 大约占全球净光合 产量的 40%[6]，是目前所知的唯一可能代替化石能 源的原料[7]。同时，微藻生长过程中会吸收大量氮 磷[8]，可作为污水厂三级处理单元深度净化污水。 正是结合了上述优势，近年来微藻技术的应用引起 了越来越多的关注。 1 基于微藻培养的氮磷去除技术 控制氮磷进入水体，是防止水体富营养化的根 本措施。国内外大量研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，常规污水生物处理 工艺虽然能够去除污水中大部分有机和无机污染 物，但对氮磷营养物质的去除效果较差[9-10]。化学 法的除磷效果良好，但化学药剂成本高，产生的污 泥难以处理[11]。自从 Oswald 在 1958 年提出利用藻 细胞去除氮磷的概念以来，基于藻细胞培养的污水 处理技术有了快速发展[12-13]，高效藻类塘（High rate algal pond, HRAP）和藻细胞光生物反应器（Algal Photobioreacor, APBR）等微藻培养装置相继出现， 并逐步走向应用。 1.1 微藻去除氮磷的机理 微藻在污水深度处理中去除氮磷的机理包括 直接作用和间接作用（图 1）。微藻细胞能利用水体 中多种无机氮和有机氮化合物作为氮源, 利用二氧 化碳和碳酸盐作为碳源，进行光能自养生长。被藻 细胞吸收的硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐可以用于氨基 酸和蛋白质等物质的合成；水中的磷可直接被藻细 胞吸收,并通过多种磷酸化途径转化成 ATP、磷脂等 有机物。同时，微藻的光合作用造成水体 pH 值升 高，导致正磷酸盐和 NH3·H2O 分别通过形成沉淀和 挥发的形式去除，从而间接去除氮磷[14-16]。此外， 微藻光合作用形成的高 pH 值，也可起到一定的消 毒作用[17]。 因此，基于光合作用，微藻细胞可以用来去除 胡洪营等：基于微藻细胞培养的水质深度净化与高价值生物质生产耦合技术 1123 污水中的氮、磷等营养物质，并以有机物的形式将 其储存在藻细胞中。 1.2 微藻去除氮磷的优势 目前污水氮磷处理方法主要有物理化学法和 生物法。物理化学法处理费用较高，且易产生二次 污染，越来越多的学者关注生物处理法[4]。废水二 级处理出水的进一步脱氮除磷是国内外研究的难 题和热点。传统的生化二级处理除磷工艺使大量的 磷从污水转移至剩余污泥中，从根本上看，仍然不 能消除磷对生态环境的影响。藻类是自养型生物， 其生长对废水中的营养要求较低。藻细胞以光能作 为能源，利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质。 因此，藻类可降低水体中的氮、磷含量。 作为一种新型的“绿色”技术，利用藻细胞去除 氮磷主要有以下优势[15, 18]：（1）能源（太阳光）充 足；（2）去除氮磷的同时可固定 CO2；（3）去除氮 磷无需投加外部碳源；（4）处理出水中含有丰富的 溶解氧；（5）无污泥处置问题，无二次污染；（6） 获得的藻细胞利用途径多（如动物饲料、生物沼气、 生物柴油等）。 由于微藻的上述优势，加之其生长速度快，代 谢迅速，对污水的净化效率高, 因此利用微藻净化 污水已经成为污水处理中的重要研究方向。在李鑫 等人[38]对栅藻 LX1 去除氮磷的研究中，固定初始 TP 质量浓度为 1.30 mg·L-1 时，培养 13 d 后栅藻 LX1 在不同初始 TN 质量浓度条件下对氮磷的去除情况 如图 2 所示。可见，栅藻 LX1 对 TP 的去除效果良 好，培养至第 11 天 TP 去除率均接近 100％。在初 始 TN 质量浓度不高于 15 mg·L-1 的条件下，栅藻 LX1 对 TN 也有很高的去除率（83%~99%）。 1.3 污水处理中的常用藻种 在污水二、三级处理中，常见报道的藻种如表 1（下页）所示。其中，目前研究较多的为栅藻 （Scenedesmus）[19-20]、小球藻（Chlorella）[21-22]和 螺旋藻（Spirulina）[23-24]。 2 基于微藻培养的生物能源生产技术 早在 1978 年，美国的 Department of Energy’s Office of Fuels Development 就设立了 Aquatic Spe- cies Program（ASP）项目，专门研究通过微藻生产 可持续再生的生物新能源（沼气、甲烷和生物柴 油）。同时，微藻培养过程利用热电厂排放的 CO2 废气，起到了固定 CO2 的作用。在 1978 年到 1996 年将近 20 a 的时间里，科研人员从 3 000 株藻中筛 选了 300 株高油脂含量的咸水藻种（大多是绿藻和 硅藻）。美国 ASP 项目主要研究了培养微藻的开放 式塘系统；同时期内，日本、德国和法国也在进行 微藻培养的研究，主要方向是封闭式藻细胞光生物 反应器。 在 20 世纪 90 年代末至 21 世纪初的一段时期， 普通石油、柴油的成本较低，而通过藻类生产生物 柴油的成本较高。2003 年的统计数据显示[26]，普通 柴油和生物柴油的成本分别为 0.35 $·L-1 和 0.5 $·L-1，所以通过培养微藻获得生物柴油在当时并未 受到足够的重视，美国的 ASP 项目也因此在 1996 年停止。然而，近年来随着资源、能源的逐渐短缺， 藻类 净化作用 直接作用 间接作用 提供O2给好氧细菌 吸收同化营养元素 （升高pH，改变 环境的物化特性） P、重金属沉淀 消毒 NH3挥发 图 1 藻类在污水深度处理中的净化作用机理 Fig. 1 The principle of wastewater purification by microalgae 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 30 TN /m g· L- 1 培养时间/d 2.5 5.0 10.0 15.0 25.0 初始TN/mg·L-1 0 2 4 6 8 10 12 14 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 初始TN/mg·L-1 TP /m g· L- 1 培养时间/d 2.5 5.0 10.0 15.0 25.0 （a） （b） 图 2 不同初始 TN质量浓度下栅藻 LX1对氮磷的去除（初始 TP 质量浓度 1.30 mg·L-1） Fig. 2 The removal of N and P under different initial TN concentrations by Scenedesmus sp. LX1 (initial TP 1.30 mg·L-1) ρ( TN )/( m g· L- 1 ) ρ(初始 TN)/(mg·L-1) ρ(初始 TN)/(mg·L-1) ρ( TN )/( m g· L- 1 ) 1124 生态环境学报 第 18 卷第 3 期（2009 年 5 月） 石油成品油的价格开始迅速增长，寻找可代替传统 石油的新型能源已得到越来越多的重视。美国也将 重启与微藻生物新能源有关的研究项目[27]，以适应 新时期的需求。 2.1 微藻生产生物能源的原理 藻细胞通过光合作用将太阳能转化为生物能， 通过不同的藻细胞加工方式可生产各种生物燃料。 一方面，利用高温高压液化技术或超临界 CO2 萃取 技术可获得藻细胞中的油脂，再通过酯交换技术将 其转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油；另一方面，藻 细胞在无氧条件下可直接热解制备生物质油、焦 炭、合成气及氢气等多种生物燃料。通过微藻获得 生物能源的途径如图 3[28]所示。 2.2 微藻作为生物能源原料的优势 作为目前已知的唯一可能代替化石燃料的原 料，通过培养微藻生产生物柴油主要具有以下几个 方面的优势： （1）光合效率高。藻细胞的生长速率远远高于 陆生植物，且其产油量为 47 000~190 000 L·hm-2·a-1， 是农作物产油量的 7~30 倍。 （2）生物质燃油热值高。藻类热解所获得的生 物质燃油热值高，平均高达 33 MJ·kg-1，是木材或 农作物秸秆的 1.6 倍。葡萄球藻、盐藻和小球藻在 适当条件下培养后，所得藻粉具有很高的产烃能力 [29]。例如，由布朗葡萄藻产生的烃类，氢化裂解时 可产生 67%的高质量汽油、15%的航空涡轮燃料、 15%的柴油燃料和 3%的其他油类[6, 30]。 （3）生长周期短。微藻的生长周期很短（1~10 d），因此收获周期（harvesting cycle）也大大短于 传统农作物，可以实现高产量的连续收获，使其产 油效率大大增加。同时，微藻的油脂含量更高。据 报道，单位面积微藻的油脂年产量是传统农作物的 15~300 倍，见表 2[31]。 （4）占地面积少。自然水体（海洋、湖泊等） 每年能提供非常丰富的藻类生物量，因而不需占用 农业用地[29]。在我国的内陆湖泊中，有着巨大的藻 类生物量可供回收利用。以太湖为例，每年可从太 湖获得约 2.6 万 t 藻类生物量。除湖泊外，诸多河 湾、水库、池塘等都可提供大量的藻类材料。 （5）生产成本低。藻类含有较高的脂类、可溶 性多糖和蛋白质等易热解的化学组分，而木材则以 木质素、纤维素等难热解成分为主，因此藻类所需 热解条件相对较低，可降低生产成本。同时，藻类 表 1 去除营养元素的优势藻种 Table 1 The frequently used algal species for removing nutrients 藻种 优点 应用 文献 Spirulina, 螺旋藻 （1）可絮凝，降低收获成本；（2）在氮源充足的条件下，藻细胞中蛋白质 含量高（60%~70%干质量）；（3）可作为哺乳动物的饲料；（4）高价值 化合物（如多聚不饱和脂肪酸）含量高；（5）多聚糖含量高，可作为重金 属的生物吸附剂；（6）可在高 pH 条件下生长；（7）一些藻种可在高浓度 的 NH3-N 下生长；（8）一些藻种可在异养或兼养条件下生长 处理废水方面应用广泛 [23-24] Phormidium, 席藻 （1）可在低于 10 ℃的条件下去除营养元素；（2）在 30 ℃左右亦可处理废 水；（3）沉淀速度快 处理低温、高温废水 [25] Rhodobacter, 红细菌 Chlorella, 小球藻 可在好氧、黑暗、异养条件下高效去除营养元素；与 Spirulina 结合，可去 除综合废水中所有营养元素 处理含高浓度有机酸的综合废水 [21-22] Botryococcus, 葡萄藻 可在二级处理出水的序批、连续培养基中生长；碳氢化合物含量为 40%~53% （干质量） 处理一般二级处理出水 [15] Scenedesmus, 栅藻 生长速率快，去除氮磷效率高，部分藻种自沉降性能好 处理二级出水 [20] Nannochloris, 微绿球藻 对氮磷去除效率较高 处理二级出水 [15] 微藻细胞 光合作用 CO2 水 油脂 淀粉 H2 生物柴油 生物沼气 生物乙醇 生物氢气 图 3 利用微藻获得生物能源的示意图 Fig. 3 The schematic illustration of biofuel production by microalgae 表 2 不同植物生物柴油产率及用地面积比较 Table 2 Comparison of biodiesel producing efficiency and occupied land area of different plants 植物 生物柴油产率 /(L·ha-1·a-1) 满足全球需油 量所需的占地 面积/(ha×106) 所需面积占 现有世界面 积的百分比 /% 所需面积占现 有世界耕地面 积的百分比/% 棉花 325 15 002 100.7 756.9 大豆 446 10 932 73.4 551.6 芥末籽 572 8 524 57.2 430.1 葵花 952 5 121 34.4 258.4 油菜籽 1 190 4 097 27.5 206.7 麻风树 1 892 2 577 17.3 130 油棕 5 950 819 5.5 41.3 藻a 12 000 406 2.7 20.5 藻b 98 500 49 0.3 2.5 注：藻 a 油脂含量 30%（占藻细胞干质量）；藻 b 油脂含量 70%（占 藻细胞干质量）。 胡洪营等：基于微藻细胞培养的水质深度净化与高价值生物质生产耦合技术 1125 易被粉碎和干燥，因而其预处理成本也较低。 （6）环境效益显著。微藻生长过程中需要吸收 大量营养物质，可降低水体的富营养化程度。据估 计，每年从巢湖中提取蓝藻 1 万 t，相当于从湖水 中提取出 860 t 氮和 120 t 磷，从而极大地减轻湖内 的营养负荷。也可利用污水进行藻类培养，不仅可 以使微藻资源化，也能有效地减少污水中的氮磷营 养元素[17]。 通过光合作用生产生物能源同时可固定 CO2。 微藻每年固定的 CO2 大约占全球净光合产量的 40%[32]。利用 8.4×103 hm2 的开放塘系统培养布朗葡 萄藻，继而生产生物燃料，每年可吸收 CO2 1.5×105 t[33]。同时，生物柴油可生物降解、可再生、无毒性， 燃烧后没有氮氧化物和硫氧化物[28, 34]。 2.3 作为生物能源原料的常见藻种 微藻作为生物能源原料的潜能一般用产油效 率（oil production）来表征。产油效率主要取决于 藻类生长速率（algal growth rate）和生物质油脂含 量（oil content of the biomass）。具有高产油效率的 微藻是生物能源的理想原料。 美国 ASP（Aquatic Species Program）在 20 世 纪 60 年代到 70 年代从湖泊和近海处采集上千种藻 种，并对其产油效率进行分析，微藻油脂含量（%， 干质量）普遍高达 20%~50%。在适宜的培养条件 下，微藻体内油脂含量还可显著提高。常见藻种的 油脂含量如表 3[31]所示。 3 水质深度净化与高价值生物质生产耦合 技术 在目前已有研究中，利用微藻去除氮磷和利用 微藻生产生物新型能源均为人们的关注焦点。然 而，将二者有机结合起来的研究鲜有报道。在污水 三级处理系统中选择有益藻种作为进一步去除氮 磷的单元，可以在深度净化水质的同时，从水中回 收氮磷，获得的高价值藻细胞生物质可作为原料生 产生物能源，从而将水质深度净化与高价值生物质 生产相耦合[35]，实现污水处理系统从处理工艺向生 产工艺的转化，在深度净化污水的同时，以污水作 为资源为人类服务。 3.1 藻种筛选 欲实现污水处理系统从处理工艺向生产工艺 的转化，藻种的筛选与驯化是研究工作的前提与重 点。针对水质深度净化与高价值生物质生产相耦合 的目的，藻种筛选的依据应为：在生活污水二级处 理出水的条件下生长速率快、氮磷去除效率高、生 物质产量高以及单位微藻生物量的油脂产量高等。 基于上述原则，本实验室在不同污水处理厂二级出 水中筛选、分离得到了若干株藻种，它们对生活污 水二级处理出水中的氮磷去除效率均在 90%以上 [36-38]，单位藻细胞的油脂含量在 33%~42%之间， 因此在水质深度净化和高价值生物质生产的耦合 中表现出了较为明显的优势。 3.2 藻细胞培养系统 在藻种筛选的基础上，微藻培养系统的构建是 将实验室研究成果转化为实际工程应用的关键环 节。目前，常见的微藻培养系统可分为开放式和封 闭式。 开放式系统主要指塘系统，如高效藻类塘，跑 道式培养系统等[12, 44]。在高效藻类塘中，“藻菌共 生系统”可以达到同时去除有机污染物和氮磷营养 元素的目的。藻细胞通过光合作用释放 O2，供给好 氧异养型微生物进行代谢活动；好氧异养型微生物 对有机污染物进行氧化分解，代谢产物 CO2 和无机 氮、磷化合物又供给藻细胞作为光合作用所需的碳 源、氮源和磷源。 高效藻类塘对营养元素有较好的去除效果，在 美国、德国、法国、新西兰、以色列、南非、新加 坡、印度、玻利维亚、墨西哥和巴西等地均有应用。 在生产生物能源方面，美国 ASP 项目重点研究了利 用开放式塘系统（“微藻农田”）大规模培养藻细胞 以获得高价值的生物能源（沼气、生物甲醇和生物 柴油等）。开放式系统利用太阳光作为能源，建设、 运行成本低，操作简单，但藻细胞的生长条件难以 控制，受气候和天气的影响较大，藻细胞产率较低， 且容易被杂藻污染。开放式系统适于培养快速生长 的藻细胞和可耐受极限环境（高浓度重碳酸钠、高 盐度等）的藻细胞。 封 闭 式 系 统 主 要 指 光 生 物 反 应 器 （ Algal Photobioreactor, APBR），分为管式（垂直、水平、 表 3 常见藻种的油脂含量 Table 3 The lipid content of normal algal species 藻种 w(油脂, 干质量)/% Botryococcus braunii, 布朗葡萄藻 25~75 Chlorella sp., 小球藻 28~32 Crypthecodinium cohnii, 隐甲藻 20 Cylindrotheca sp., 细柱藻 16~37 Dunaliella primolecta, 杜氏盐藻 23 Isochrysis sp., 金藻 25~33 Monallanthus salina, 单肠盐藻 >20 Nannochloris sp., 微绿球藻 20~35 Nannochloropsis sp., 微拟球藻 31~68 Neochloris oleoabundans, 新绿藻 35~54 Nitzschia sp., 菱形藻 45~47 Phaeodactylum tricornutum, 三角褐指藻 20~30 Schizochytrium sp., 裂壶藻 50~77 Tetraselmis sueica, 干扁藻 15~23 1126 生态环境学报 第 18 卷第 3 期（2009 年 5 月） 螺旋）、圆柱式、薄板式和聚乙烯袋式。光生物反 应器可人为控制藻细胞生长条件，从而获得高产率 的藻细胞生物质，且可避免杂藻污染，但建设、运 行成本高，同时扩大反应器规模对技术的要求高。 在污水深度处理与高价值生物质生产的耦合过程 中，有效去除氮磷及高效生产生物能源的关键环节 是促进藻细胞快速生长，使藻细胞在最短时间内达 到最大生产力，并及时将藻细胞从培养系统中收获 分离。因此，高效、低成本光生物反应器的研制与 开发是未来基于微藻培养的水质深度净化与高价 值生物质生产耦合技术的发展方向。目前，关于光 生物反应器的研究，主要包括以下设计要素：光照 条件（太阳光、白炽灯、LED 光源、太阳能光导纤 维等）、pH 值、温度、曝气（具有搅拌、供给 CO2 和脱除 O2 的作用）、搅拌方式与条件、水力停留时 间、藻细胞收获方式等。 从光生物反应器中高效分离藻细胞是微藻生 物质利用的关键环节[40]。目前，从光生物反应器中 分离藻细胞的途径主要包括自然沉淀、絮凝沉淀、 气浮、离心、膜过滤、固定化、电解絮凝等。收获 的藻细胞可以进行生物能源等方面的综合利用。 4 前景展望 在未来的新型污水处理系统中，人们的关注点 不应仅局限于污染物的去除，而应将污水处理和以 污水为资源的生产过程相耦合，实现污水处理系统 从“处理工艺”向“生产工艺”的转化。处理污水的同 时，以污水为原料获取“新”资源和“新”能源，不仅 是一种新理念，更为缓解当前资源匮乏、能源紧缺 的形势提供了可能的解决途径。因此，在未来资源、 能源愈加紧张的严峻形势下，基于藻细胞培养的水 质深度净化与高价值生物质生产耦合技术具有广 阔的发展前景。 参考文献： [1] 胡洪营, 魏东斌, 王丽莎, 等. 译. 污水再生利用指南[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 1-3. 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Coupling of wastewater deep purification and high quality biomass production based on microalgae cultivation HU Hongying*, LI Xin, YANG Jia Environmental Simulation and Pollution Control State Key Joint Laboratory//Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China Abstract: Water resource crisis and energy crisis are the two major challenges in front of human beings in the 21st century. The de- velopment of high-efficiency nitrogen/phosphorus controlling technology and searching for sustainable, environment-friendly new energy source are the effective methods solving these challenges. The emerging of microalgal technology offers the possibility to deeply purify the water quality, remove nitrogen/phosphorus and produce biofuel. This paper summarizes the application of microal- gal technology in wastewater treatment for the further removal of nitrogen/phosphorus, and analyzes the research status about the production of biofuel through large-scale cultivation of microalgae. On the above basis, the conception of coupling the wastewater purification and high quality biomass production was put forward in this paper, which is, transforming the wastewater treatment sys- tem from “treatment process” to “production process” with wastewater as a kind of resource. Thus, the new resource and energy can be obtained at the same time of wastewater purification. This is extremely important for solving the present shortage of resource and energy. In the future, the crisis of resource and energy will be more and more serous, thus the coupling of wastewater deep purifica- tion and high quality biomass production based on microalgae cultivation will have a great potential for development and application. Key words: water resource crisis; energy crisis; microalgae; photobioreactor; deep purification of wastew