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

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

而目前新能源的开发利用尚不到缺口到488 EJ·a-1，

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

[6]

产量的40%，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

自从Oswald在1958年提出利用藻泥难以处理[11]。

细胞去除氮磷的概念以来，基于藻细胞培养的污水

高效藻类塘（High rate 处理技术有了快速发展[12-13]，

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。被藻细胞吸收的盐、亚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

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

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

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

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

（1）能源（太阳光）充氮磷主要有以下优势[15, 18]：

（3）去除氮足；（2）去除氮磷的同时可固定CO2；

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

3025-1ρ(初初TN)/(mg·L)初初TN/mg·L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

培养13 d后栅藻LX1TP质量浓度为1.30 mg·L-1时，

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3000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

普通柴油的成本较高。2003年的统计数据显示[26]，

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，

1.4-1初初TN/mg·Lρ(初初TN)/(mg·L)-1-1ρ(TN/)m/( gmg-·1L-1) ·L-11ρ(TN)/( m-gTP/mg·L·L) 20151050 2.5 5.0 10.0 15.0 25.01.21.00.80.60.40.2 2.5 5.0 10.0 15.0 25.0024681012140.002468101214培培培培/d

培培培培/d

（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)

1124 生态环境学报 第18卷第3期（2009年5月）

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 Spirulina, 螺旋藻

优点

（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

Phormidium, 席藻 Rhodobacter, 红细菌 Chlorella, 小球藻 Botryococcus, 葡萄藻 Scenedesmus, 栅藻 Nannochloris, 微绿球藻

（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

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

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）

生长速率快，去除氮磷效率高，部分藻种自沉降性能好 对氮磷去除效率较高

处理二级出水 [20]处理二级出水 [15]处理一般二级处理出水 [15]处理含高浓度有机酸的综合废水

[21-22]

处理低温、高温废水 [25]

应用

文献

处理废水方面应用广泛 [23-24]

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。

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]。

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

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/%

植物

生物柴油产率/(L·ha-1·a-1)

棉花 325 15002 100.7 756.9 大豆 446 10932 73.4 551.6 芥末籽油菜籽麻风树

a

572 8524 57.2 430.1 1190 4097 27.5 206.7 12 2577 17.3 130

819 49

5.5 2.7 0.3

41.3 20.5 2.5

葵花 952 5121 34.4 258.4

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

油棕 5950 藻b 98500 藻细胞干质量）。

藻 12000 406

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47000~190000 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、

注：藻a油脂含量30%（占藻细胞干质量）；藻b油脂含量70%（占

（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

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。

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

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、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。

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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 wastewater; biofuel