与批培养模式不同，在连续培养模式下，HRT也是影响水处理效果的重要因素之一，是实现生物降解有机物有效去除的关键参数。Matamoros 等研究了大型微藻水处理系统对新兴有机污染物（emerging organic contaminants, EOC）的去除，发现在温度较低的季节里，由于生物降解、光降解、吸附以及蒸发等原因的影响，不同的HRT 对EOC 的去除效率之间具有显著性差异，HRT越高，EOC的去除效率越高。例如，对立痛定、佳乐麝香和磷酸三苯酯3种污染物而言，当HRT由4 d提高至8 d时，对应污染物的去除效率分别为15%和34%、47%和71%、24%和68%[56]。Arcila等研究了不同HRT对藻菌共生体系处理实际市政废水效果的影响，结果显示当HRT由2 d升至6 d或10 d时，处理效果达到最佳，其中，COD的去除效果高于92%，氨氮的去除效率高于 85%，总磷的去除效率可达 30%[57]。 但考虑到处理成本，HRT并非越高越好。此外，在实际培养过程中，搅拌程度、外加CO2的供给量以及微藻收获的频率等都是影响藻类生物量和污水净化效果的重要因素[33]。 

          2.3 反应器的选型

目前，应用于废水处理的藻菌共生系统包括多种应用类型，如稳定塘系统、高效藻类塘系统、活性藻系统等，该类系统通常为开放、悬浮体系，设备简单，但存在易受光照、气候等条件影响、藻类生物量不易采收等问题[58]。光生物反应器是一类能够培养微藻的可控系统，选择合适的光生物反应器能有效提高微藻的生物质产量和废水处理的效率。光生物反应器为微藻生长创造了较为有利的条件，避免了抑制因素对微藻生物质积累的不良影响，主要包括开放式反应器和封闭式反应器。开放式反应器又称为敞池培养系统，以开放式跑道池为主。开放式跑道池具有结构简单、成本低廉、操作简便等优点，但也存在占地面积大、培养条件控制难、易被其他微生物污染、培养液蒸发损失大以及光遮蔽效应等不足[59]。为弥补传统开放式反应器的部分缺点，一种基于传统开放式反应器的新型叠加式多层开放式反应器(图2)，通过将小型开放式反应器叠加，在每层底部增加额外光源，能确保在有限的面积内大大增加反应器的容量，且与传统反应器相比，该培养系统维护所需人力、物力较小[49，50]。该培养系统可广泛应用于占地面积较小的废水处理，如市政废水处理厂、农场等[60，61]。

相对于开放式反应器，封闭式反应器具有许多优势，包括培养过程中参数相对容易控制，培养条件相对稳定，易于控制无菌条件，培养密度大，占地面积小，CO2利用率高，可大大减少培养过程中的水分蒸发，培养所得藻类生物质更易收获等[64]。图3为几种常见的封闭式反应器，此外还有搅拌式发酵罐[59]以及浮式薄膜袋[65]等。封闭式反应器适用于少量纯种微藻的快速培养，并且可以提供用于大规模培养的藻种，或者生产高附加值的经济微藻等，其反应器操作简单，运行条件可控性高，但生产成本也相对较高。

       

        目前，利用微藻处理污水主要集中于开放式系统，也有采用封闭式和开放式培养系统相结合，即利用封闭式反应器筛选优良藻种，再通过开放式培养系统扩大培养。近年来，除了传统的微藻光生物反应器，一些运行能耗低和采收成本低的新型微藻培养系统也受到了越来越多的关注。美国NASA提出了一种利用海浪波动为微藻培养提供动力的OMEGA系统(图4)，该系统以海面浮力为依托，利用微藻处理污水，具有光能利用率高和能耗低的优点[66，67]。近年来被广泛应用于城市和乡村废水处理过程中的旋转微藻膜反应器（rotat⁃ing algal biofilm，RAB）(图4)，能够使用于附着藻类的材料不停地在气液介质之间交替旋转，当藻类生物膜旋转至气相介质中时，其藻类生物量可通过简单刮取的方式进行收获，微藻生物质浓度可达40 g/m2。该系统具有占地面积小、微藻收获成本低、环境适应性强、操作简便的优点。同时，该系统对废水中的氮磷去除效果较好，能够收获大量微藻生物质[68]。目前，该系统已在美国爱荷华州等地进行了市政废水、厌氧硝化废水等的处理工程化应用，其中在芝加哥废水厂的运行结果表明，对于HRT为7 d、高1.8 m、有效处理面积为43.5 m2的处理模块，其日处理市政废水的能力可达143 L，总磷和总凯氏氮的去除率分别为80%和87%，并对锌、铜等金属元素有较高的吸收能力[68]。同时，大型RAB 系统不但微藻产量高于开放跑道池系统微藻产量的302%，而且占地仅为跑道池系统的 7%~26%，极大地降低了成本，操作更加简便[69]。

         

           2.4 微藻采收

目前，采收微藻的方法主要包括离心、絮凝、膜过滤、固定化和气浮以及上述方法的组合。不同微藻采收方式具有不同的适用范围及特点，如表2所示。

         离心法被认为是最有效的分离方法之一，也是现今最常用的微藻收获方法。该方法分离效果较好，适用范围广，缺点是能耗极高，且不适用于大规模采收[70]。

         絮凝法通过吸附作用促进藻体颗粒黏合并使其沉降，具有环境友好、成本低等特点，包括化学絮凝、物理絮凝和生物絮凝等方式。常用的化学絮凝剂有壳聚糖、氯化铝等[71，72]。此外，利用电场、磁场等物理絮凝方式也具有较好的采收效果[73，74]。近年来，利用絮凝性细菌、真菌作为生物絮凝剂采收微藻受到国内外广泛关注，如利用絮凝性微生物絮凝微藻，再通过简单的过滤分离采收微藻，可实现微藻的高效采收，目前已应用于市政污水和畜禽污水处理[75]。

        膜过滤法是利用具有不同孔径的膜实现藻类细胞与水分离的目的，具有操作相对简单、能耗低、易于实现自动化等特点，避免了微藻的生物活性受化学试剂的影响。但该方法的缺点是分离时间长、效率低，在使用过程中易引发膜污染等[76]。 固定化法是将藻类与合成物或天然聚合物进行固定化培养，从而使微藻与水体分离。该方法具有反应条件温和，单位体积内细胞密度大等优点，但该方法成本较高，且固定化方法因藻种而异，具有一定的专一性[77]。 气浮法是根据表面吸附原理，通过鼓气或者其他装置使污水中产生大量微气泡，借助气泡的浮力作用使得微藻与培养液分离，该方法具有成本低、效率高、占地面积小和对环境友好等特点[78]，但运行成本较高。 2.5 功能菌在微藻技术中的共生效应细菌和藻类在水环境中广泛存在并有着紧密的生态学关系，且用于废水处理的微藻体系通常存在大量微生物，因此，探究两者之间的关系，尤其是藻菌间密不可分、相辅相成的共生关系，对于水环境生态效应研究、水处理技术工艺、水环境修复等有着重要意义。在水环境中，藻类可释放大量的有机质，该有机质存在于藻细胞周边，对细菌生长有一定的刺激作用，细菌附着于此，形成藻菌共生环境。在该共生环境中，细菌与微藻可相互促进，具体体现在，微藻可通过向细菌提供营养物质、气体，以及进行酸碱度的调节来促进细菌的生长，而细菌作为水生态系统中重要的分解者，通过复杂的代谢活动参与水环境内多种物质的分解与转化过程，从而作为微藻营养物质的提供者与加工者；同时细菌还可以通过产生或分泌对微藻有益的代谢物质或胞外产物，进行生长因子的转化、信息素调节和协同保护[80]。例如，藻类可将水体中的无机氮转化为有机氮并随排泄物或在死亡时释放出来，细菌则将有机氮转化为无机氮以供藻类生长；藻类会向细菌提供固定的有机碳（细菌大部分属于PGPB），而细菌将有机碳分解后，会为藻类提供溶解性无机碳和低分子量的有机碳；细菌和藻类的共生水体可保持水体中溶解氧含量的稳定等。Sun等研究发现，利用混合细菌和 3 种绿藻（Selenastrum capricornutum、Chlamydomonas reinhardtii、Chlorella vulgaris）可联合去除废水中的溶解性有机氮，其中，微藻可为细菌提供丰富的溶解氧，加速有机氮的分解和吸收[81]。Li 等研究发现，利用 SRB 和斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）构建的固定化藻菌共生体系、处理含Cu(Ⅱ)废水时，微藻可分解产生碳源，为SRB提供更加适宜的生存环境，最终，对于硫酸盐的去除效率可达每克微藻每天去除182.17 mg硫酸盐，对于Cu2+的去除效率达每克微藻每天去除45.28 mg Cu2+，该工作证明了在藻菌体系中，微藻能够为 SRB 提供碳源，通过硫酸盐的还原作用，同时去除铜矿废水中的硫酸盐和重金属[82]。微藻和细菌间除了互利共生的关系外，细菌对藻类也存在着抑制、防御等。但微藻与细菌所组成的微环境，共同完成了各自的生长、水体中污染物的去除和水生态微环境的平衡。表3列举了不同藻菌共生体系对各类废水中污染物的去除状况。

      
         如表3所示，多种微藻和细菌所组成的共生体系对于模拟重工业、市政，以及食品加工废水等中的氮、 磷、有机物以及重金属等污染物均有着较高的处理效果。 

 3 微藻技术存在问题

基于微藻的生理生化特点，采用微藻进行污水处理，能够高效去除污水中的COD、氮、磷、硫酸盐及重金属等污染物，同时能够获得微藻生物量的提高，是高效廉价且极具生态价值的处理方法，也是未来污水处理领域新技术开发的新方向。但当前的研究同样存在诸多问题，总结如下。

首先，利用微藻处理污水的商业模式还未形成，技术的推广存在难度，其中，微藻的稳定性较差，对工业废水等极端条件水体适应性较差，传统培养模式下微藻的采收成本较高，反应器的构造难以满足进行大规模废水处理的需求，设备的稳定运行较差等，均为将其进行大规模工业化应用的瓶颈。 （1）微藻对污水中硫酸盐、重金属、抗生素等污染物的去除及吸收机制的研究仍然不足，距离微藻处理各类污水的大规模工业化应用还存在一定距离。 （2）近些年来利用微藻对工业废水进行处理的研究日益增多，但对于影响因素的研究范围不足以满足工业废水的现实状况，例如所考查废水的pH值多为中性，温度多为室温，未对较为极端的环境条件进行系统性考察。

（3）当前的反应器多为悬浮式光生物反应器，产量较低，且收获成本极高，对于固定化反应器的开发研究不足，实际应用价值较低。 （4）微藻对于氮磷含量较高的农业污水、养殖污水以及市政污水有着较高的处理效率，且能够在污水中获得一定的生长，但对适用于此类污水的原位处理设备以及廉价处理设备的开发，以及如何利用处理后的微藻的研究均不足，未能有效解决微藻生物资源化利用的困难。

其次，对于微藻以及藻菌共生体系进行废水处理的机理研究不足，水体中各类污染物是如何发生的形态转化，如何被体系吸附或吸收利用等，都是该技术的理论盲点。 如何解决当前工作普遍存在的问题，探究系统内的污染物去除机理，设计合理的反应器和工艺流程，培养适应不同废水水质的微藻系统，提高该系统的资源利用效率，将直接影响到微藻在污水处理方面的推广和应用。 

4 微藻技术展望

（1）拓宽微藻处理污水中污染物的研究范围，并对微藻用于污水处理过程中特征因子的去除机制进行深入的探讨和研究，以拓宽微藻处理污水的范围。 

（2）通过建立优良藻种高通量筛选平台，选育耐受多种不同污水水质条件和环境压力的藻种，拓宽相应影响因素的条件范围。 

（3）针对目前应用微藻能够广泛处理的污水类型，建立兼具低生产成本与技术模式简单的微藻处理污水工艺，开发新型反应器设备、微藻培养的材料等，以获得稳定、廉价、针对性强的微藻反应器。 

（4）开发相应的微藻采收、脱水、资源化利用技术，以解决当前微藻回收成本较高，处理不同水质污水和污染物后废弃微藻处理及相应污染物回收困难的问题。 

（5）进一步集成和优化工艺和系统，使其具有更好的经济效益和环境可持续性。

随着对微藻以及藻菌共生体系处理污水研究的不断深入，通过技术手段不断提高微藻污水处理体系对不同污水及污染物的适应范围，并利用工程方法和技术革新进行高效微藻污水处理反应器的开发设计和条件优化，完善和提高微藻的生物资源化利用效率，将微藻应用于污水处理，将会有着广阔的发展空间和巨大的经济效益。

原标题：微藻技术在污水处理中的应用与展望

原作者：周浩媛　　 陈军　　盛彦清