污水中微藻的生物絮凝采收技术及展望

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1148

摘要/Abstract

摘要：

目前世界面临着生态环境污染及能源危机等诸多挑战，一系列环境问题对人类的生存和发展构成威胁，开发新型清洁生物质能源迫在眉睫。微藻作为第三代生物质能源应用前景广阔，可利用微藻处理污水并加以采收利用。一方面，微藻在自身生长过程中会消耗水中的氮和磷，净化受污染水体，同时将CO₂作为碳源，释放出氧气，缓解温室效应引起的全球变暖；另一方面，微藻絮凝采收可以获得大量生物质，用于制备生物柴油、化妆品、饲料等，使污水净化、化学和生物能源回收得以同时实现，具有较高的商业价值。但采收成本高是制约其规模化生产的主要瓶颈。列举了多种絮凝方式，对微藻采收技术的机理、采收效率及优缺点进行系统阐述，分析了不同采收方法对生物质能源产出与利用可能存在的影响，重点介绍了藻-菌共生污水处理系统中各种微生物为介导的新型生物絮凝法，在实现污水处理的基础上，为微藻生物质能源的规模化生产利用提供高效低廉、环境友好的技术参考。

关键词: 微藻, 采收, 生物絮凝, 生物质能源

Abstract:

The world is currently facing many challenges such as ecological environment pollution and energy crisis， and a series of environmental problems pose a threat to the survival and development of human. It is urgent to develop new clean biomass energy. Microalgae have a promising application as a third generation biomass energy source. Microalgae can be used to treat sewage and collected for use. On the one hand， microalgae will consume nitrogen and phosphorus in the water during their growth process， purify polluted water， and use CO₂ as a carbon source to release oxygen， which can alleviate global warming caused by the greenhouse effect. On the other hand， microalgae flocculation can obtain a large amount of biomass for the preparation of biodiesel， cosmetics， feed， etc.， which enables the simultaneous realization of wastewater purification， chemical and bioenergy recovery and has high commercial value. The high cost of harvesting is the main bottleneck limiting its large-scale production. Various flocculation methods were listed， the mechanism， efficiency， advantages and disadvantages of microalgae harvesting technology were systematically described. The possible effects of different harvesting methods on biomass energy output and utilization were analyzed. New bioflocculation method mediated by various microorganisms in algae-bacterial symbiotic wastewater treatment system were highlighted. Based on the treatment of wastewater， efficient， inexpensive， environment-friendly technology reference were provided for the large-scale production and utilization of microalgae biomass energy.

Key words: microalgae, harvest, bioflocculation, biomass energy

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I12/34

图/表 3

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采收方法	采收机理	优点	缺点
浮选	利用微藻相对密度低和自浮的特性，通过气泡捕获水溶液中的微小颗粒	操作快速，空间要求低，灵活性好^〔11〕	浮选效率受盐度的影响^〔12〕，目前仅用于淡水微藻的采收
离心	利用藻细胞与其培养基之间的密度差异，借助离心加速度促进沉淀^〔13〕	操作简便、快速	外加能量增加了采收成本；离心产生的强剪切力会对细胞造成损伤^〔14〕
重力沉降	结合化学絮凝剂使用	可大规模收获微藻，且成本较低	化学絮凝剂会对收获的生物质及循环水造成污染^〔15〕
过滤及超滤	微藻悬浮液通过可渗透介质，介质保留固体并允许液体通过	采收率高	需要外部施压，对介质进行定期反洗^〔16〕
膜分离	利用分离膜拦截微藻	可控制含水量，降低能源使用成本	存在膜污染和膜冲洗的问题，使运行成本升高^〔16〕

采收方法	采收机理	优点	缺点
浮选	利用微藻相对密度低和自浮的特性，通过气泡捕获水溶液中的微小颗粒	操作快速，空间要求低，灵活性好^〔11〕	浮选效率受盐度的影响^〔12〕，目前仅用于淡水微藻的采收
离心	利用藻细胞与其培养基之间的密度差异，借助离心加速度促进沉淀^〔13〕	操作简便、快速	外加能量增加了采收成本；离心产生的强剪切力会对细胞造成损伤^〔14〕
重力沉降	结合化学絮凝剂使用	可大规模收获微藻，且成本较低	化学絮凝剂会对收获的生物质及循环水造成污染^〔15〕
过滤及超滤	微藻悬浮液通过可渗透介质，介质保留固体并允许液体通过	采收率高	需要外部施压，对介质进行定期反洗^〔16〕
膜分离	利用分离膜拦截微藻	可控制含水量，降低能源使用成本	存在膜污染和膜冲洗的问题，使运行成本升高^〔16〕

无机絮凝剂	特点
氯化物（如铁和铝）	利用电荷中和机制进行絮凝，其携带的阳离子电荷可有效中和微藻表面负电荷^〔17〕。但残留的物质（铁和铝）会污染水环境，产生不可生物降解的副产物^〔18〕，影响下游工艺
硫酸铝（明矾）	具有较高的絮凝效率，但其本身是一种致癌物质^〔17〕；与其他絮凝方法相比，使用明矾收获的生物量及饱和脂肪酸含量上升，不饱和脂肪酸含量下降^〔19〕，脂质含量略低于离心获得的脂质含量^〔20〕
聚合氯化铝（PAC）	残留的铝离子严重影响产甲烷菌活性，导致脱水藻液厌氧消化过程的甲烷产量仅为潜力值的60%左右^〔6〕
有机絮凝剂	特点
壳聚糖	可生物降解、可再生，但会改变藻类处理水的化学组成。且采收微藻需在酸性条件下进行，用量较大，需调整pH，成本昂贵^〔21〕
聚丙烯酰胺	絮凝效率较低，絮凝效果不理想^〔22〕
纤维素纳米衍生物	絮凝效率略高于壳聚糖^〔23〕，不会对生物质的生长产生不利影响^〔24〕
阳离子氯化萘（CNCs）	可在低剂量下发生絮凝，但形成的絮状物小且稳定悬浮，最大收获效率较低^〔25〕

无机絮凝剂	特点
氯化物（如铁和铝）	利用电荷中和机制进行絮凝，其携带的阳离子电荷可有效中和微藻表面负电荷^〔17〕。但残留的物质（铁和铝）会污染水环境，产生不可生物降解的副产物^〔18〕，影响下游工艺
硫酸铝（明矾）	具有较高的絮凝效率，但其本身是一种致癌物质^〔17〕；与其他絮凝方法相比，使用明矾收获的生物量及饱和脂肪酸含量上升，不饱和脂肪酸含量下降^〔19〕，脂质含量略低于离心获得的脂质含量^〔20〕
聚合氯化铝（PAC）	残留的铝离子严重影响产甲烷菌活性，导致脱水藻液厌氧消化过程的甲烷产量仅为潜力值的60%左右^〔6〕
有机絮凝剂	特点
壳聚糖	可生物降解、可再生，但会改变藻类处理水的化学组成。且采收微藻需在酸性条件下进行，用量较大，需调整pH，成本昂贵^〔21〕
聚丙烯酰胺	絮凝效率较低，絮凝效果不理想^〔22〕
纤维素纳米衍生物	絮凝效率略高于壳聚糖^〔23〕，不会对生物质的生长产生不利影响^〔24〕
阳离子氯化萘（CNCs）	可在低剂量下发生絮凝，但形成的絮状物小且稳定悬浮，最大收获效率较低^〔25〕

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