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《铁对废水微生物脱氮的影响研究进展》

  • 来源专题：水体污染治理
  • 编译者： wangyang
  • 发布时间：2020-03-26

  • 微生物脱氮是一种经济有效的治理水体氮污染的手段。目前微生物脱氮过程主要有厌氧氨氧化、硝化、反硝化及同时硝化反硝化等。铁是环境中普遍存在的金属元素，也是微生物所需的重要微量元素之一。在微生物脱氮系统中，铁盐或者含铁固体化合物等的投加会对微生物及脱氮工艺过程等产生一定的影响，且对于不同种类的微生物与不同的脱氮工艺，铁所产生的影响也将不同。本文全面综述了近些年的研究报道中铁对厌氧氨氧化、硝化、反硝化及同时硝化反硝化等不同脱氮过程中含氮污染物去除效果的影响，铁与脱氮微生物的酶活性、电子传递、增殖富集及脱氮反应器中生物膜、污泥絮体及颗粒形成等之间的作用关系，旨在全面理解铁对微生物脱氮系统的作用与内在机制，为实现利用铁强化微生物脱氮过程、提高微生物脱氮效率提供借鉴。

    工业污水、农业污水及生活污水等往往存在着多种含氮污染物，包括氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等，对环境生态造成严重危害[1,2]。微生物脱氮具有处理彻底、无二次污染及经济等优点而被用于含氮废水的处理[3]，其基本原理是利用微生物的同化或异化作用，将废水中的含氮化合物转化为生物质或氮气等气态产物而从废水中彻底去除。目前主要的微生物脱氮过程有厌氧氨氧化、硝化（氨氮、亚硝酸盐氮的好氧氧化）、反硝化（硝酸盐氮、亚硝酸盐氮被还原为气态产物氮气等）及同时硝化反硝化等。

    铁是地球上含量较多的金属元素，来源广泛、价廉易得。同时，铁也是生物系统中最丰富的过渡金属元素，可与碳、氧、硫和氮等形成多种络合物[4]，是微生物所需的重要微量元素之一[5]。微量元素铁能够促进微生物的电子传递、酶的合成等，提高微生物活性和对氮的利用与转化[6]。含零价、二价及三价等不同价态和不同化学形态的铁单质或化合物，其对微生物脱氮过程造成的影响也会有所差别[7,8,9,10]。含氮废水脱氮过程涉及不同种类的微生物，对铁的需求或铁对其产生的影响也会不同，过量的铁可能抑制微生物的活性，造成微生物的中毒或死亡，因此需要研究实际情况中铁对微生物脱氮过程的影响，以确定含铁物质的适宜投加形式与用量[6,11]。

    全面理解铁对微生物脱氮过程的影响及作用机制，对于利用铁提高微生物脱氮活性，改善微生物脱氮工艺，促进含氮废水的高效处理具有积极意义。本文全面综述了近些年来的研究报道中铁对厌氧氨氧化、硝化、反硝化及同时硝化反硝化等不同微生物脱氮过程中含氮污染物去除过程的影响，以及铁与脱氮微生物的酶活性、电子传递、增殖富集及脱氮反应器中生物膜、污泥絮体及污泥颗粒等之间的作用关系，旨在全面理解铁对微生物脱氮过程的影响及其产生的内在机制，为实现在实际生产中利用铁强化微生物脱氮过程提供借鉴。

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  • 《焦化废水处理技术的研究进展》
    • 来源专题：水体污染治理
    • 编译者：王阳
    • 发布时间：2019-07-19
    • 焦化废水是在煤制焦炭、煤气净化和化工产品精制过程中产生的废水，其成分复杂多变，除氨氮、氰及硫氰根等无机污染物外，还含有酚类、萘、吡啶、喹啉等杂环及多环芳香族化合物(PAHs)[1]。由于氰化物、多环芳烃及杂环化合物很难生物降解，加之高浓度氨氮对微生物活性具有很强的抑制作用，导致废水的可生化性较差，焦化废水一直是公认的最难处理的工业废水之一[2]。 随着我国钢铁工业的飞速发展，焦炭产能的不断扩大，产生的焦化废水数量也在不断增加，其达标排放问题越来越受到环保部门及企业的高度重视。同时“十二五”规定，单位工业增加值用水量需要降低30%，水资源已经成为阻碍很多企业可持续发展的瓶颈，因此开发出经济合理、新型高效的焦化废水处理工艺仍旧是工业废水研究领域的重大课题。 1焦化废水的来源和水质特点及危害 1.1 焦化废水的来源 焦化废水是在煤高温裂解得到焦炭和煤气的生产过程中回收焦油、苯等副产品而产生的，其主要来源有： （1）煤高温干馏和荒煤气冷却过程中产生的剩余氨水； （2）煤气净化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水； （3）粗焦油加工、苯精制、精酚生产及古马隆生产等过程产生的污水； （4）接触煤、焦粉尘等物质的废水。这几种废水中，一般剩余氨水占废水总量的50％～70％，是焦化废水处理的重点[3]。 1.2 焦化废水水质特点及危害 （1）成分复杂：焦化废水组成复杂，其中所含的污染物可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物一般以铵盐的形式存在，有机物除酚类化合物以外，还包括脂肪族化合物、杂环类化合物和多环芳烃等。其中以酚类化合物为主，占总有机物的85%左右，主要成分有苯酚、邻甲酚、对甲酚、邻对甲酚、二甲酚、邻苯二甲苯及其同系物等；杂环类化合物包括二氮杂苯、氮杂联苯、吡啶等；多环类化合物包括萘、蒽、菲等。 （2）含有大量的难降解物，可生化性较差：焦化废水中有机物（以COD计）含量高，且由于废水中所含有机物多为芳香族化合物和稠环化合物及吲哚、吡啶等杂环化合物，其BOD5/COD值低，一般为0.3～0.4，有机物稳定，微生物难以利用，废水的可生化性差。 （3）废水毒性大：其中氰化物、芳环、稠环、杂环化合物都对微生物有毒害作用，有些甚至在废水中的浓度已超过微生物可耐受的极限。 （4）含有危害水生生物和人体的剧毒及致癌物质：主要污染物质为环链有机化合物、叠氮化合物以及氨氮等。这些物质对生态环境以及人体的健康都会造成一定的危害，如果人直接饮用了含一定浓度这类物质的水或长时间吸入含该类物质的空气，将会危害身体健康，严重者可以致癌；特别是有些物质可在动物或植物体内富集，使其浓度浓缩许多倍，最终通过食物链侵害到人类；焦化废水中的含碳类化合物多数都是耗氧类物质，它们进入水体后要消耗水体中的溶解氧，严重时可以导致水体的腐化；而焦化废水中的含氮类物质，能导致水体的富营养化，可以导致藻类的大量孽生和繁殖；氨氮在水体中还能转化成硝态氮，婴幼儿饮用了含有一定浓度硝态氮的水，可导致白血病。因此，焦化废水对自然生态的破坏及其严重，对人类的威胁巨大[4]。 2 焦化废水处理技术的研究进展 目前，国内大部分的焦化厂普遍采用普通活性污泥法处理经蒸氨、脱酚预处理的焦化废水，处理后水中的酚、氰、油等有害物质大为降低，但对COD和NH3-N的去除率并不高，难降解物质的存在使出水水质不能达到国家排放标准。因此，还需要进行深度处理即三级处理。然而，深度处理费用昂贵，成本压力大，多数焦化厂仅采用生化处理，未经三级处理，造成未达标排放，严重污染了水环境，给人类健康带来了严重危害[5-6]。因此，寻求和研究新的处理工艺是提高焦化废水处理效果的关键所在。 2.1 焦化废水传统处理技术 2.1.1 芬顿（Fenton）试剂处理 1984年，H.J.H.Fenton发现通过H2O2与Fe2+的混合后，各种简单的和复杂的有机化合物均能被氧化。其机理认为是Fenton试剂通过催化分解产生羟基自由基(·OH)进攻有机物分子（RH）夺取氢，并使其降解为小分子有机物或矿化为CO2和H2O。K.Banerjee等对焦化废水进行研究，发现采用Fenton试剂处理后能有效地减小焦化废水中COD的浓度[7]。许海燕等[8]取生化处理后的焦化废水为实验水样(CODcr为223.9mg/L)加入Fenton试剂后,又加入絮凝剂FeCl3和助凝剂PAM,过滤除去废渣,处理后的水样中CODcr为43.2mg/L。谢成等[9]采用Fenton法对广东韶关钢铁公司焦化厂废水进行预处理，结果表明酚、苯系物、石油烃、含氮杂环有机物和多环芳烃的去除率在90 %以上。 2.1.2 吸附法 吸附法处理焦化废水是利用固体表面有吸附水中溶质及胶质的能力，吸附水中一种或多种物质从而使水得到净化。常用的吸附剂种类有很多，如活性炭、吸附树脂、磺化煤、矿渣等。活性炭是最常用也是处理水质最好的一种吸附剂。徐革联等[10]模拟工业条件,将活化污泥与水混合，分别投入焦粉、活性炭、粉煤灰，发现活性炭的吸附性能最好，焦粉次之。可用于废水的深度处理，但是活性炭需酸洗再生，再生设备容易腐蚀，运行成本高。吴健等[11]人在生物脱酚的基础上，向二沉池中投加絮凝剂，并增设焦炭、活性炭吸附塔等设备对焦化废水进行深度处理，使CODcr去除率达80%-90%。刘俊峰等[12]用南开牌H2103大孔树脂吸附处理含酚520 mg/L、COD3200mg/L的焦化废水，处理后出水酚含量≤0.5 mg/ L，COD≤80mg/L，达到国家排放标准。一些研究者通过改性粉煤灰吸附处理焦化厂含酚水的试验，酚、SS、COD和色度的去除率分别达到95 %，而且处理费用较低。 2.1.3 混凝气浮法 该方法首先采用聚合硫酸铁(PFS)破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散体系，使其聚集成絮凝体,然后含有大量絮凝体的混合液通过配水堰进入气浮池，利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附水中的絮凝体，使其随气泡升到水面。产生的浮渣通过刮泥机和排泥管道自流进入污泥浓缩池。龚文琪[13]采用混凝法处理湖北鄂钢公司酚、氰废水，在运行过程中发现挥发酚、游离氰化物容易去除，而络合氰化物难以通过曝气氧化去除，COD去除效果不十分理想，但通过加入生活污水，提高废水的可生化性以后，基本能使出水COD达到国家二级排放标准。刘剑平，赵娜等[14]采用混凝气浮法处理污水的过程中，发现该系统具有结构简单、运行稳定、操作方便、溶气效率高的优点，但是该系统也存在当进水中的悬浮物过高时，出水中悬浮物浓度升高，造成释放器堵塞。 2.1.4 A/O工艺 A/O工艺是目前焦化污水脱氮的主要工艺。A/O工艺既能脱氮也能将废水中大部分的有机物降解去除，是一种较为理想的废水处理技术，但是对于某些有毒有害物质（氰化物及氨氮等）的降解能力差，常常难以达到国家允许的排放标准[15]。现许多处理厂对A/O工艺进行改进形成的A2/O工艺的可行性研究表明，A2/O工艺比A/O工艺脱氮效果更好，但是基建投资比原来高30 %左右，操作费用也要增加60 %～80 %[16]。 2.1.5 SBR工艺 普通活性污泥法对焦化废水中的氨氮降解效果较差，处理后出水NH3-N在200mg/L左右，COD在300mg/L左右，这两项指标均不能达到排放标准[17]。而且普通活性污泥系统存在抗冲击能力差，生长缓慢，操作不稳定等缺点。SBR工艺是一种活性污泥法新工艺，它在同一反应器内，通过进水、反应、沉淀、出水和待机5个阶段，循序完成缺氧、厌氧和好氧过程，实现对水的生化处理。钟梅英[18]对SBR工艺处理焦化废水进行了研究，结果表明，进水COD为650～1900mg/L，氨氮为150～330mg/L时，去除率分别达到80%和70%以上，且处理费用较低。LI Bing等[19]用厌氧序批式反应器来预处理焦化废水，结果表明，在tf/tr为0.5，搅拌强度为0.025L/L和间歇搅拌模式为100s/45 min的最佳条件下，有机负荷率为0.37-0.54kgCOD/(m3/d）的稳定运行期间，CODcr去除率达到38%～50%。此外，焦化废水经预处理后，BOD5/COD从0.27提高到0.58。 2.2 焦化废水处理新技术 2.2.1 催化湿式氧化技术 催化湿式氧化技术一般是指在高温和高压下，在催化剂作用下，用氧气将废水中的有机物和氨氮等污染物氧化，最终转化为CO2和N2等无害物质的技术。此方法具有使用范围广、处理效率高、氧化速度快、二次污染小等优点。但由于操作在高温高压下进行，因此对工艺设备要求严格，投资费用高。所以此方法在一些发达国家已实现工业化，用于处理含氰废水、煤汽化废水、造纸黑液。杜鸿章等[20]研制出适合处理焦化厂蒸氨、脱酚前浓焦化污水的湿式氧化催化剂，该催化剂活性高、耐酸、碱腐蚀，稳定性好，适用于工业应用，对CODcr及NH3的去除率分别为99.5%和99.9%。 2.2.2 超临界水氧化法 超临界水是指温度、压力都高于其临界点的水，当温度高于临界温度374.3℃，压力大于临界压力22.1MPa时，水的性质发生了很大的变化，水的氢键几乎不存在，具有极低的介电常数和很好的扩散、传递性能，具有良好的溶剂化特征。该法在20世纪80年代初由美国学者Mdoell[21]提出，在很短的时间内，废水中99%以上的有机物能迅速被氧化成H2O、CO2、N2及其它无害小分子。 2.2.3 利用烟道气处理焦化废水 为了彻底解决焦化废水的污染问题，殷广谨等[22]人采用一种与生化法截然不同的处理技术，即利用烟道气处理焦化剩余氨水或全部焦化废水。锅炉烟道气处理工艺是废水在喷雾塔中与烟道气接触并发生物理化学反应，废水全部汽化，烟道气中SO2与废水中的NH3及塔中的O2发生化学反应生成(NH4)2SO4。吸附在烟尘上的有机污染物在高温焙烧炉或锅炉炉膛内进行无毒化分解，从而实现了废水的零排放，同时对大气环境无污染。该工艺“以废治废”，不仅处理效果好，还具有投资省、运行费用低等优点。 2.2.4 固定化细胞技术 固定化细胞(简称IMC)技术是通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用的方法。制备固定化细胞可采用吸附法、共价结合法、交联法、包埋法等。固定化细胞技术充分发挥了高效菌种或遗传工程菌在降解有机物过程中的高效降解作用，具有细胞密度高，反应迅速，微生物流失少，产物分离容易等优点，且反应过程控制较容易，污泥产生量少，同时可去除氯及高浓度难降解有机物[23]。Amanda等[24]以PVA-H3BO3包埋法固定化假单胞菌Psendomonas，在流化反应器中连续运行2周，进水酚浓度从250mg/L逐渐提高到1300mg/L，出水酚浓度可降至极低。 2.2.5 超声波法 利用超声波降解水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物，是近年来发展起来的一项新型处理技术。超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液化介质向四周传播，当声能足够高时，在疏松的半周期内，形成空化核，其寿命约为0.1μs。在破裂的瞬间可产生约4000K、100MPa的局部高温高压环境，并产生速度约110m/s、具有强烈冲击力的微射流，称为超声空化。超声空化足可使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应。研究表明，卤代脂肪烃、单环或多环芳烃及酚类物质等都能被超声波降解[25]。 2.2.6 等离子体处理技术 等离子体处理技术是利用高压毫微秒脉冲放电等离子体对难降解有机废水进行处理。其原理是在毫微秒高压脉冲作用下，气体间隙产生放电等离子体，放电等离子体中存在大量高能电子，这些高能电子作用于水分子产生大量的水合电子、OH、O等可氧化水中有机物的强氧化基团。研究表明，焦化废水经脉冲放电处理后，大分子有机物被氧化分解为小分子，再用活性污泥法进行后续处理，废水中氰化物、酚及CODcr的去除率显著提高[26]。 2.2.7 生物强化技术 生物强化技术就是为了提高废水处理系统的处理能力，而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法。生物强化技术因能提高水处理的范围和能力，近年来在焦化废水治理中的应用日益重要。Donghee Park等[27]为了提高生物去除总氰化物的效率，用生物强化技术处理焦化废水。经过实验室培养可降解氰化物的酵母菌和不明确的降解氰化物的微生物，然后将微生物菌体接种入流化床反应器。结果表明：全面的氰化物生物降解的连续运行表明去除率比想象中低。王璟、张志杰等[28]研究了投加高效菌种及微生物共代谢对焦化废水生物处理的增强作用，结果表明：高效菌种能普遍提高难降解物的去除率，48h内可以比投加初级基质提高CODcr去除率47％左右，初级基质与高效菌种组合协同作用效果好，48h后焦化废水CODcr去除率达到60％左右。 2.2.8 膜生物反应器（MBR）法 MBR工艺是20世纪90年代发展起来的一种污水处理新技术，是生物处理与膜分离技术相结合形成的一种高效污水处理工艺。该技术用膜分离技术取代传统接触氧化法的二沉池，膜的高效固液分离能力使出水水质优良，处理后出水可直接回用。MBR对于COD以及NH3-N的处理效果均好于常规的A/O法[29]。但是MBR造价较二沉池高，在经济效益方面不如传统二沉池有优势，成为制约工业化应用的主要因素。 3 结论 经过不断的研究和实践，焦化废水的处理方法已经很多，且取得了较好的处理效果，但也存在一些缺点，比如外排水COD很少能够稳定达到国家一级排放标准，出水指标不稳定。随着环保要求的日益严格，单靠一种处理方法难以达到理想的效果。利用多种方法的协同作用处理焦化废水，可发挥各自的优点，有助于更进一步地提高处理效率。因此，通过多种方法的有机组合、联用，最终研发出处理效果好、投资省、运行费用低、操作简单、易于控制的焦化废水处理新技术，不但可以为企业降低新水消耗量，节约生产成本，维护周边的生态环境，而且还为履行国家的节能减排战略，以及对生态环境的保护和焦化企业的可持续发展具有重要的现实意义。
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  • 《微藻生物膜培养装置的研究进展》
    • 来源专题：微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    • 编译者：王阳
    • 发布时间：2021-01-10
    • 1 绪论     微藻生长速度快且含有丰富的营养物质，可作为各类高附加值生物产品(如生物柴油、生物饲料等)的原料，因此其工业化培养越来越受到人们重视。悬浮培养是目前应用最广泛的微藻培养方式，其代表性装置为开放跑道池和各种密闭的光反应器。RWP操作方便，结构简单，运营和投资的成本低，是微藻商业化生产的主要设施。但RWP存在许多不足，例如生物量生产率低;水分蒸发严重;极易受到污染等。针对RWP的缺点，研究者开发出了各种PBR，根据形状可分为管状光生物反应器、平板光生物反应器和箔状光生物反应器。  PBR对养分、光照和温度等参数的有效控制显著提高了微藻的生产效率;封闭的空间避免了外界环境对微藻培养液的污染和水分的大量蒸发。但PBRs过高的表面积体积比导致了反应器内严重的光抑制和氧气积聚;技术的复杂性又导致建设和运营成本高昂。由于缺乏高效、低成本的大规模种植技术，目前以微藻为原料生产各类产品并不具备经济可行性。 近年来，一种新的微藻培养模式一一生物膜培养引起了人们的极大兴趣。在这种培养模式中，微藻细胞附着在固体基质表面以生物膜的形式生长，培养装置运行稳定性高且需水量低，在微藻生物膜生长成熟后，可直接通过机械手段刮取藻细胞，操作简单，技术难度低，可使采收成本大幅度降低。本文分类介绍了目前常见的微藻生物膜培养装置，总结了其在微藻培养及污水处理领域的优势，并对其未来的发展方向进行了讨论。 2藻类生物膜培养装置 微藻生物膜培养装置是微藻生物膜技术由理论研究迈向工业化生产所需的条件。为了使微藻生物膜培养装置的性能达到工业化生产的要求，研究者设计了各种类型的反应器。目前常见的藻类附着培养装置有藻萍净水系统 ATS、旋转光生物反应器 RAB、多孔介质光生物反应器 以及附着-悬浮光生物反应器。 2.1,藻萍净水系统                   image.png                                      图1:藻萍净水系统                                                        ATS装置是最早出现的微藻生物膜培养装置，这种满液式的连续流反应器结构简单，运行稳定，利用水泵驱动培养液在生物膜表面流过，借助水流的扰动打破气液界面的扩散边界层，增加CO2和养分的传输效率。但是流经生物膜表面的水层也会导致光的散射，降低了光能利用率。 ATS在污水厂出水深度处理，养殖废水处理及农业用水处理等方面应用都十分广泛。 2.2、旋转光生物反应器 image.png 图2:旋转光生物反应器                                                     根据旋转生物接触器的原理，研究者设计了如图2所示的旋转藻盘光生物反应器。通过电机带动圆盘旋转，使藻细胞周期性地与培养液和空气接触，当藻细胞浸入培养液时，吸收营养基内的营养物质;当藻细胞进入空气时，直接从空气中吸收二氧化碳和光能。这种培养方式提高了微藻在载体上的牢固性，更有利于微藻生物质的积累。 基于Algadisk的原理，研究者开发了中试规模的旋转光生物反应器，并将其与污水处理联合，利用污水中的氮、磷等元素作为营养物来源，不但降低培养成本，也能对污水进行净化。Logan等人发明了旋转筒式藻类生物膜反应器，利用缠绕了绳索的滚筒状不锈钢框架代替了旋转藻盘光生物反应器中的圆形转盘，微藻细胞附着在绳索上生长。当生物膜达到一定厚度后利用配套的收割装置挤压绳子收获藻类生物量，一定程度上实现了微藻生物膜的机械化收获。 Wen等人开发出了一种旋转辊轴藻类生物膜反应器，将载体材料缠绕到两个辊轴上，通过辊轴的转动带动载体转动。 2.3、多孔介质光生物反应器 image.png 图3:多孔介质光生物反应器                                               PSBR反应器(图3-a最初被用作藻类生物传感器，但后来被广泛应用于微藻培养。PSBR反应器由多个竖直单元平行排列组成，每个单元由微藻附着层和多孔介质营养供给层构成。培养液在泵的驱动下在多孔介质层内循环，在毛细力和重力的作用下扩散到微藻附着层，微藻源源不断的获得营养物质进行生长。PSBR反应器的优势在于， 1）通过各单元的竖直布置解决了培养系统占地面积的问题，大大提高了单位土地面积上微藻生物质的生产力;   2）微藻生物膜直接暴露在空气中，更有利于CO2和光照的传递，还可以根据光照强度调节各垂直单元之间的距离，避免光限制或光抑制现象;   3）微藻生物膜不直接和培养液接触，完全避免了水流对生物膜的冲刷作用 。 目前大部分的PSBR装置营养基的循环通过泵驱动，这是除了微藻收获外最大的能源消耗工序。研究者依据植物的蒸腾作用开发了一种新型的PSBR装置图3-b，利用蒸腾力和毛细力驱动营养物质在多孔介质层的传输，在能源节约方面有重大意义。然而，目前这种类型的PSBR反应器并不是十分完善，存在着由于营养物质传输不足导致微藻生物量生产力低下的问题。 2.4 附着一层悬浮光生物反应器     根据活性污泥法中流化床和固定床的原理，一些研究者通过额外投加载体的方式对藻类悬浮培养装置进行了强化，得到了一些悬浮与附着相结合的光生物反应器。Zhang等将珊瑚绒材料作为载体强化跑道池处理生活污水，COD,  TN,  TP的去除率分别可达86.61%,  73.68%,  89.85%，最高生物质生产力可达8.1 g·m-2·d。 Zhuang等将亚麻载体投加到PBR反应器中，发现载体的加入使微藻生物量最大增加30% 。 适量的载体的加入并不会对反应器中悬浮生长的藻类产生光抑制，研究表明附着一悬浮光生物反应器中悬浮生长的藻类生物量生产力与单纯的悬浮培养体系差距不大，因此附着在载体上的藻类生物量可以看作微藻生物量的增量。除此之外，随着载体的加入，曝气产生的气泡在反应器中的停留时间大大增加，提高了二氧化碳的利用效率，这也是附着一悬浮光生物反应器生物量产率提高的原因之一。 3、微藻生物膜培养装置的优势 微藻生物膜培养装置的可以有效避免悬浮培养装置中诸如CO2传质效率低，光和水利用效率低，藻细胞收获困难等一系列问题。 3.1 CO2传质效率高 在悬浮培养装置中，液体培养基将微藻细胞与周围的气相分离，必须克服气液界面才能进入培养液中被藻类细胞利用。由于较低的传质效率，悬浮培养装置中培养液CO2浓度对微藻细胞的生长有显著影响。目前大多通过曝气或搅拌的方式为微藻生长提供充足的无机碳源，但这样做不仅会增加生产成本，强搅拌或曝气带来的水流剪切力也会干扰微藻的生长。微藻生物膜培养装置中藻细胞可以长期或间歇性的暴露在空气中直接接触气态CO2，扩散路径短，传质效率高，有效解决了CO2供应问题。研究发现在没有CO2供应装置的微藻生物膜培养装置中微藻依旧可以快速生长。这可能是微藻生物膜中CO2传质效率高，即使在较低的CO2浓度水平下，微藻仍能从气相吸收足够的CO2作为碳源。 3.2、光照利用效率高 在悬浮培养装置中，约10%的总入射可见辐射光因为反射在水-空气表面消散，光照利用效率不高。在微藻生物膜培养装置中，藻细胞长期或间歇性暴露在空气中，这部分光损失可以被微藻有效捕获用于光合作用。其次，由于光照直接作用于藻细胞，悬浮培养中普遍存在的光穿透问题也在微藻生物膜培养装置中得到了很大的缓解。 3.3、水的利用效率高     对微藻工业化生产来说，巨大的用水量是一个难以承受的负担。相关研究表明在悬浮培养装置中生产1吨微藻要消耗200吨的水。但在微藻生物膜培养装置中，仅需少量培养基流经生物膜表面即可维持微藻正常生长，这为大幅度降低藻类培养的需水量提供了可能。 Ozkan等研究发现使用附着培养装置生产1kg的微藻需要约1600 L的水，与开放池塘相比减少了45%。  Gross等在能量平衡分析的基础上，建立了RAB系统蒸发失水模型，并进行了实验验证，虽然RAB的蒸发损失较高，但每单位生物量的耗水量仅为跑道池的26%。 3.4、土地利用率高     相比于悬浮培养装置，微藻生物膜培养装置独特的几何结构会大幅度提高土地利用率。在悬浮培养装置中，因为光的穿透限制，水的深度有限，垂直方向的空间难以有效利用。微藻生物膜培养装置多采用平行竖直布置，单位土地面积上的生物培养面积远超过悬浮培养装置，显著提高了土地的空间利用效率。这意味着在相同面积的土地上微藻生物膜培养装置拥有更高的生物量生产力和废水处理能力。Liu等研究发现以生物膜形式培养的微藻单位面积生产力能达到50-80 g·m-·d，是生物量生产力是悬浮培养的4-7倍，这在土地紧张的地区意义重大。 藻类被广泛认为可以有效去除生活污水中的营养物质，然而城市有限且昂贵的土地限制了藻类悬浮培养装置在污水处理中的应用。微藻生物膜培养装置较高的土地利用效率为藻类在污水处理领域的实际应用提供了可能。 3.5、微藻收集方便     悬浮培养装置中藻细胞密度非常低，RWP中藻类细胞浓度仅为0.5 g/L(藻类干重0.05%或含水量99.95%)。  PBRs中约为2-6 g/L(藻类干重0.2- 0.6%或含水量99.4%一99.8%)。此外藻细胞密度与水相近，尺寸仅微米大小(2-30 μ m) 。这导致从悬浮培养系统中收获藻类是一件非常困难的事情。目前常用的絮凝沉降-离心工艺需消耗大量的能量和时间才能收获藻类’。最近一项关于微藻生产生物燃料的技术经济研究报告表明，从悬浮培养基中收获藻细胞的花费占总成本的20%。除此之外，有研究表明化学絮凝剂的大量使用还会对藻细胞和环境造成破坏。     为了降低成本，研究者又开发了基于藻类一细菌、藻类一真菌或藻类一藻类相互作用的生物絮凝技术。这种方法可以高效且节能的捕获悬浮藻细胞，而且一般不会造成二次污染。但生物絮凝同样存在不足之处，如果使用细菌或真菌促进藻类絮凝，在收获的藻类中往往会含有一定数量的细菌或真菌，目前的技术水平无法将细菌或真菌和藻类有效分离，收获的藻类仅能用来生产生物燃料，无法用来生产各种高附加值的生物产品。藻类一藻类生物絮凝不需要对收获的藻细胞进行分离处理，但具有自絮凝能力的微藻种类和数量并不是很多，往往需要对非絮凝藻株进行基因工程改造，这又对生态安全造成了潜在威胁。     在微藻生物膜培养装置中，微藻附着在材料表面以生物膜的形式生长，天然地与培养基分离，可以通过机械刮取的方式收获，不需要离心等高能耗过程。研究表明刮取收获的生物质中藻细胞含量约为10%-20%，与悬浮培养絮凝一离心步骤处理后的藻液浓度相近，完全可以满足下游处理的需要4、微藻生物膜培养装置在水处理领域的应用     Pittman等人回顾了藻类生物燃料生产的潜力，认为基于目前的技术，不使用废水的藻类养殖不具有经济可行性。   Lundquist等人分析了藻类废水处理与生物燃料生产的几种不同案例，认为只有使用废水作为培养基才能生产具有成本竞争力的生物燃料。因此微藻生物膜技术在水处理领域的应用前景受到人们的广泛关注，相关研究结果表明在水处理领域微藻生物膜技术比悬浮培养更具潜力，具体表现在以下几方面。    1）微藻生物膜培养装置避免了悬浮培养中普遍存在的冲刷问题。微藻基于同化作用吸收废水中的营养物质，因此反应器中微藻生物量是影响废水处理效率的关键因素。废水中氮磷的浓度远低于BG11等培养基中氮磷的浓度，因此需要高供给流量才能维持微藻的生长，但这也会导致严重的冲刷问题，不利于维持反应器中高生物量和出水水质。在微藻生物膜培养装置中，微藻附着在载体上生长，可以有效地避免冲刷问题，藻类生物量生产力和养分去除效率显著提高     2）微藻生物膜培养装置对污染物的去除效果更强。微藻胞外聚合物为微藻类提供了大量官能团和结合位点，这些官能团及结合位点可以通过静电作用或络合作用与污染物相结合，提高了微藻对污染物具有良好的去除效果。研究表明微藻胞外聚合物含量越高，微藻对污染物的去除效果越强。微藻生物膜系统胞外聚合物的含量远远高于悬浮体系，因此对污染物的去除效果远远超过悬浮藻类。王爱丽等研究了不同生长模式下铜绿微囊藻球对合成污水中污染物的去除，经过5天的处理，生物膜中铜绿微囊藻对合成污水中P的去除率为69.19% ；  N的去除率达到了92.92%，而悬浮生长的铜绿微囊藻的去除效果相对差很多，P和N的去除率分别只达到了26.77%和36.54% 。     微藻生物膜培养装置在处理工业废水时更具优势。黄国兰等研究了蛋白核小球藻对染料深棕NM的去除效果，两天内小球藻生物膜对染料的去除率可达80.5 %，而悬浮小球藻仅为18.5% 。     3)微藻生物膜培养装置耐冲击负荷强。微藻生物膜培养装置中的微藻及其他微生物聚集成群以生物膜的形式生长，在局部构成了稳定的微环境，对pH,温度、浊度、毒性冲击等的抵抗力远远超过悬浮培养装置。即使在极端胁迫下部分微生物消失，其余的微生物仍然能够存活，从而保证了微藻生物膜在极端环境下的生长。此外，微藻生物膜丰富的胞外聚合物也能够缓解极端环境对微藻细胞的破坏。Orandi等研究发现即使在重金属浓度极高的矿山废水中，以蓝细菌和绿藻为主要物种的生物膜依旧能够存活，并且可以有效吸附废水中的重金属     由于设计原理不同，各种微藻生物膜培养装置适用于不同种类的污水，表1详细介绍了微藻生物膜培养装置在水处理领域的表现。 image.png 5、结论与展望     具有良好性能的微藻生物膜培养装置是微藻工业化生产的必备条件，截止到目前为止已经有很多学者进行了相关研究且取得了颇多的成果，但关于微藻生物膜培养装置的研究还存在一定的局限性，有待进一步的研究。 1)在已报道的微藻附着培养装置中，绝大多数仍处于实验室规模，中试规模的系统到目前为止也非常有限，只有ATS系统得到了商业化应用，到目前为止还无法进行可靠的成本分析。在今后的研究中应着眼于将微藻生物膜培养装置应用于工业化规模的生产环境。   2)目前研究中涉及的各种微藻生物膜培养装置在接种和采收时大量使用人工，仅少部分研究对附着培养的机械自动化操作进行了讨论。在未来更大规模的微藻生物膜培养装置中，自动化机械的引入是必然趋势，关于这方面的研究亟待加强。 3)微藻生物膜培养装置中，载体材料的性能对微藻生物膜的微藻的产量和成本决定性作用。具有高表面能的材料(纸、棉制品等)由于良好的附着性能被广泛地应用在各类附着培养装置上，但这些材料耐久性很差，需要进行频繁的更换，不利于藻类商业化生产。未来规模化的附着培养体系中急需一种兼具良好附着性和耐久性的载体材料。
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