微藻生物膜去污技术应用研究进展

张华，沈英，俞涛

（1.衢州职业技术学院机电工程学院，浙江 衢州 324000；2.福州大学机械工程及自动化学院可再生能源实验室，福建 福州 350108；3.华东理工大学生物工程学院生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237）

0 引言

随着工农业生产、人民生活需求的持续增长以及淡水资源的不合理利用，生活污水、畜禽排泄物、食物垃圾渗滤液和医药化工污水等的排放量大幅增加[1]。若处理不当，这些废弃水体会引起严重的环境污染，对农业现代化、生态系统稳定和人类健康造成严重威胁[2]。微藻可以吸收利用污水里的氮和磷，对污水里的重金属等也有一定的吸附作用。微藻还能合成油脂、蛋白质、抗氧化化合物等高附加值产品，其理论产油量远高于油料作物，被认为是最理想的绿色清洁可再生生物质资源。近年来，微藻生物膜培养技术因需水量小、收获简便、油脂品质好等优势而备受关注，它通常是将藻类细胞附着在塑料、纤维、无机材质等基体表面或内部形成生物膜，当生物质积累到一定厚度后通过机械刮削或挤压方式采收，大大简化了微藻生物质的收集工艺，节省了培养成本[3]。

近年来，微藻生物膜培养技术总体呈现出从基础研究到应用领域拓展、从单纯培育到多种资源耦合培养、从单一应用到综合开发利用的新局面，在污水净化和生物燃料生产等领域展现出了一定的应用潜力；同时，该技术面临着生物膜产量低、难以兼顾生物量和油脂等的产率、野外培养技术或系统不成熟、推广应用成本居高不下等困难和挑战[3]。

本文综述了微藻生物膜净化污水和生产生物燃料等方面的国内外最新成果，阐述了典型微藻去污生物膜系统的运行特点及产业应用前景，试图对微藻生物膜去污技术存在的问题及关键技术进展及发展趋势进行分析，以期为微藻生物膜处理污水技术的成熟和产业应用提供参考。

1 微藻生物膜去污技术的发展现状

微藻生物膜培养源于自然界中微生物的贴壁生长特性[4]。相比悬浮培养，生物膜培养模式的技术综合性强、集成度高、产业应用潜力大（表1），能显著提升微藻的环境耐受性、去污能力和光利用效率[5]等。

表1 微藻生物膜去污技术及其应用Table 1 Wastewater treatment technology of microalgae biofilm and its application

续表1

微藻生物膜系统不仅可以高效净化生产生活污水或地表径流中过剩的营养物及其他污染物，而且其环境耐受性较强[2]。研究发现，颤藻生物膜在5 d内能去除富营养化湖水中93.8%的总氮（TN）和79%的总磷（TP），去除二级污水94.5%的TN和73%的TP[19]。栅藻生物膜[22]对高浓度氨氮有较强的耐受性，能更有效地去除氨氮。Craggs将三角褐指藻和颤藻接种在波纹滚道表面反应器内处理海洋排污口污水，可完全去除污水中铵和正磷酸盐，且能保证菌株单一[23]。Palma H研究了小球藻生物膜对富磷镍矿冶炼尾水的修复情况，发现在有效去除Ni，Co，Mn和Sr的同时，生物膜的总碳水化合物含量高达40.0%，脂肪含量提升了6.7～19.5%[24]。Huang Y发现，生物膜培养时，能接受有效光照的细胞超过40%，而悬浮培养时，能接受到有效光照的细胞只有2.5%[25]。SukaĉováK在微藻生物膜处理城市污水的实验中发现，随着光照的增加，磷去除率和生物膜产量持续增加[7]。Yuan H对比了各色光线下小球藻和微绿球藻生物膜的生长情况，发现蓝、红光更能促进微藻的生长[9]。

国外对生物膜反应器系统的应用研究起步较早，比较典型的有ATS（Algal Turf Scrubbers）[2]，RABR（Rotating Algal Biofilm Reactor）[16]和屋顶生物膜系统[26]等。近几年，国内也积极投入基础和应用研究，创新推出如多层平板生物膜系统[27]，HAPB（Heterotrophic-Assisted Photoautotrophic Biofilm）[28]，CPBR（Capillary-driven Photobioreactor）[29]和VAB（Vertical-Algal-Biofilm）[30]等多种技术模型。从结构上看，生物膜去污系统可分为平板式、分离式和旋转式等类型，具体见表2。

表2 典型的生物膜去污培养系统举例Table 2 Examples of typical biofilm wastewater treatment culture systems

平板式系统多采用硬质材料载体，生物膜浸入培养基中生长，具有结构简单、载体廉价易得、容易布置和应用潜力大的优点。分离式系统多采用质软量轻、细密多孔的纤维载体，生物膜与培养液相对分开，载体多垂直、间隔布置。旋转式系统的载体材质与分离式系统类似，培养基相对静止，载体缠绕在滚筒外表面循环旋转，藻体附着在载体上。总体上看，这些系统具备一定的创新性和工程应用潜力，使研究者在反应器设计、生物膜培养和环境优化控制等方面积累了不少理论和实践经验。例如海洋农场系统可充分耦合多种可再生能源，技术集成度较高，前景可观[21]。分离式系统可将微藻生物膜从污水介质中分离出来，使生物膜免受污水有害成分的影响，同时有效改善光透过性，提高光利用率和营养物质扩散速率。

2 微藻生物膜去污技术存在的问题

理论上，微藻生物膜的集中度较高；实际上，由于过度遮荫和养分限制，底层生物膜的生物量通常较低[5]。相比悬浮培养，生物膜能让更多的细胞接受到光照，光耐受性和总利用效率也高，但是，下层生物膜的生长依然受限[31]。Huang Y研究了光照对小球藻生物膜生长的影响，发现在120 μmol/（m2·s）的光照强度下，只有生物膜上层41.31μm厚度内的微藻细胞能有效地接受光照，底层生物膜所受光照和养分均不足，总体生物量也不高[25]。Shen Y培养链带藻生物膜时发现，在不同生长阶段，生物量和脂类积累所需的光照强度差异很大，这可能与生物膜厚度增加有关；厚度增加使得生物膜通透性降低，导致遮荫和养分限制，不利于生物量的进一步积累，必须将光照强度提高才能满足生物膜的生长需要[5]。生物膜通透性越好，微藻生长就越快。但是，在生长后期，生物膜的稳定性普遍变差，易出现脱落现象。Christenson L利用RABR反应器净化污水，发现再生长的生物膜在18～19 d后发生脱落[16]。Zheng Y研究微藻光合作用产生的氧气泡粘附载体的机制及其对生物膜结构的影响时，监测到了生物膜浓度降低的现象[11]。所以，为了便于生物质集中，生物膜还要保证结构完整性。综上所述，生物膜的通透性与完整性是相对矛盾的，平衡二者之间的关系值得深入研究。

获得高产率的生物质和高附加值代谢物也是微藻生物膜去污技术重点关注的方面。但由于污水环境在盐度、重金属含量、酸碱性等方面均有所差异，加上光照、温度等自然条件残酷多变，微藻生物量和代谢物积累差异很大，获得的油脂量普遍低且不稳定[3]。例如，Wu X D用小球藻生物膜深度净化猪粪污水，微藻脂类含量为10.17%，而悬浮液中该藻类的脂质含量为14.29%[14]。Shen Y利用猪粪污水进行生物膜培养和悬浮培养布朗葡萄藻的试验，结果表明，布朗葡萄藻生物膜的脂质含量仅为11.6%，低于悬浮培养时的24.8%[32]。有研究人员试图通过提高光生物反应器的集成度来增加单位面积的生物量，如采用多层封闭式管道反应器和新型跑道池反应器提高生物膜产率，但反应器本身结构复杂，会导致造价和能耗较高[15]。而采用营养抑制、高盐度或重金属诱导、基因编辑等策略胁迫刺激细胞多合成油脂和碳水化合物，往往会导致生物量降低[33]。因此，单一的生物膜培养模式在保证一定生物量的同时往往难以获得高产率的附加值产品。

目前，生物膜去污反应器系统普遍存在技术不成熟、容易被污染和运营成本高等问题。例如，周布式垂直平板系统处于中试运营阶段，综合效益较高，但生物膜浸在污水中，降低了透光度[18]。砂层生物膜[20]和海洋农场[21]对拓展微藻生物膜的培养空间有积极的启发意义，但目前只是处于试验或设想阶段。对于藻液分离式系统，泡沫和纤维等材料的多孔性虽有助于微藻细胞的吸附和采收，但也会滞留污染物，长期使用容易被污染。此外，这些系统绝大多数还处于中低试阶段，运行成本较高。

3 微藻生物膜去污关键技术分析与发展趋势

3.1 平衡生物膜结构完整性与通透性

微藻生物膜的生长是一个动态过程，包括初始吸附阶段、快速生长阶段、缓慢增长和脱落阶段。初始吸附是生物膜接种和生长的基础，受藻种特性、载体特征和培养环境等的综合影响。丝状藻（颤藻和镰形纤维藻等）通常缠绕成团块，比球藻更容易吸附和收获[34]。在载体材料方面，常见通过表面微加工、表面改性和新结构设计等方法促进生物膜接种的报道。Ji L以蚌壳粉为原料，经碳酸钾活化和L-精氨酸修饰制成了带正电的多孔性材料，该材料能够吸附带负电的小球藻细胞快速聚集和接种，使生物膜保持良好的微观形貌和较长的存活时间[35]。有研究综合考虑了污水环境特性和载体特征对微藻生物膜初始吸附的影响，发现随着污水表面张力的降低，在疏水载体表面上的生物膜会持续减少[10]。初始吸附完成后，生物膜生长速度加快，胞外聚合物（Exopolysaccharides，EPS）分泌增加，EPS在保证生物膜稳定及结构完整性方面起关键作用[36]。一般认为胞外多糖为生物膜的形成提供了细胞粘附和保护作用，胞外蛋白带负电荷的氨基团与多价阳离子的静电吸引作用会促进微藻絮凝体的形成[32]。

值得注意的是，微藻与藻细菌的协同效应在保证生物膜结构稳定方面起关键作用。藻-菌协同作用源于活性污泥等污水治理中的生物絮凝现象，在活性污泥中加入微藻能改善污泥的热值和细胞组成，有利于微藻的生长、富集和回收，COD和营养盐的去除效果也变得更好[37]。Yang L利用丝状真菌的生物絮凝作用，将其与小球藻共培养净化污水，提高了微藻采收率，总悬浮物和营养物去除率分别为93.0%和88.0%，可产生35.2%的脂肪[38]。Zamalloa C深入研究了社区生活污水中栅藻生物膜的生长情况，研究结果显示，最初的生物膜由栅藻构成[图1（a）]，随着时间的推移，藻种类型发生很大改变，丝状蓝绿藻和颤藻在生物膜表面占据优势，栅藻主要存在于生物膜内部[图1（b）]，使生物膜更加稳定。这主要归功于污水环境的杂生藻和细菌等胞外聚合物的交联和粘附功能形成的保护层。保护层为生物膜提供了稳定的生长空间，且能承受持续的水流剪切力，保证了系统长期运行[26]。因此，在生物膜培养，尤其是野外放大培养中，要重视藻-藻或藻-菌之间的协同作用，以促进生物膜结构稳定。

图1 生物膜的扫描电镜照片Fig.1 Scanning electron microscopy（SEM）pictures of the microalgae biofilm

同时，适度的生物膜通透性有助于光线和营养物质的传输，促进生物膜的生长。Zheng Y为加快栅藻生物膜接种，借助于镰形纤维藻的交联和缠绕作用形成了大量的藻-藻絮凝体，利用絮凝体多微孔结构的特点提高了营养物质的传递效率，使生物膜的产量提高了90.15%[34]。近年来，有研究发现，细胞呼吸作用也会影响生物膜的结构和生长[11]。研究人员在吸附材质表面喷涂聚四氟乙烯PTFE乳液，测试了PTFE量与粘附气泡数量和生物膜浓度的关系，结果显示：1%PTFE处理的表面使生物膜浓度增加了9.26%，这是因为微藻细胞在光合作用中释放的O2会以气泡的形式聚集和粘附在载体表面上，导致生物膜具有多孔性（多孔率为9.43%），有利于光线、溶解氧的扩散和营养物质在生物膜中的传递，进而提高生物量；而5%PTFE处理的表面却使生物膜浓度降低了15.30%，这是因为随着PTFT量的增加，聚集在吸附材质上的气泡逐渐越多，当增多到一定程度时，气泡就会脱离出去，生物膜中的部分细胞也会被气泡带走，导致多孔性过度（20.94%）而生物膜浓度降低。实际上，过于松散的生物膜结构虽能提高光照和养分的传递效率，但也会破坏生物膜的完整性，从而发生脱落现象。

综上所述，初始吸附、EPS以及藻菌的协同作用是平衡生物膜的通透性与完整性的关键因素。生物膜稳定性变差或脱落是由多种因素综合作用导致多孔性过度的结果。

3.2 兼顾生物膜积累和高附加值产品产率

由于单一的自养生物膜培养模式在保证一定生物量的同时往往难以获得高产率的附加值产品，必须进一步创新生物膜培养模式，提高光照等环境条件以及营养物质的传输利用效率。Ye Y L构建了一种异养辅助培养小球藻生物膜模式（HAPB），见图2。在光自养基础上添加最佳配比的碳源和氮源，增强了生物膜的透光能力（比光自养提高64%），改变了细胞内脂肪生成途径，促进了生物膜生长和脂肪积累[28]。研究发现，微藻细胞的体积比光自养模式下增大了36%，表层生物膜细胞中的叶绿素a和总叶绿素含量比光自养模式低。进一步分析可知，椭球状的微藻细胞直径越大，生物膜结构的孔隙率越高；随着生物孔膜孔隙率的增加，养分转移效率也增加；叶绿素含量较低意味着生物膜上层的细胞可能吸收的光子减少，更多的光子穿透到生物膜内部，使得生物膜内部的光合作用增强，更多的光和营养物质进入生物膜下层，促使生物膜下层的细胞大量合成脂质。

图2 异养辅助光自养生物膜Fig.2 Heterotrophic-assisted photoautotrophic biofilm

相比于自养培养，混合营养下的生物膜可以最大限度地利用所有投入的资源（光照和无机、有机碳），减少生物膜下层接受光照和养分受限的影响，从而提高生物质和油脂等产量。在混合营养条件下，微藻生物膜的生物量比纯自养生物膜高出2～3倍，油脂积累量高出2～10倍[31]。这是因为混合营养条件提供了过多的碳通量，促进了胞外多糖的积累和释放。胞外多糖有助于生物膜形成，还可以转变为可利用的形式供微生物生长。近年来，利用EPS来刺激生物膜油脂合成的研究吸引了学者们的注意。Zhuang L L在悬浮固相光生物反应器中研究了环境细菌EPS预涂吸附载体对栅藻生物膜生长的影响，研究发现附着的微藻的生物量显著提高（230%），同时微藻细胞的蛋白质含量也得到了有效提升[39]。Shen Y为解决布朗葡萄藻生物膜的生物量和脂肪积累不能同时增加的问题，对培养14 d的布朗葡萄藻生物膜进行EPS刺激，大大提升了油脂含量和品质[32]。此外，混合营养培养还能进一步提高微藻的环境耐受性。高浓度污水的氨氮毒性一般不利于微藻生长，但Li X T发现，混合营养培养时，螺旋藻对高铵的耐受性增强，同时高铵对微藻中碳水化合物合成的抑制程度比自养培养时强，使得脂类含量增加[40]。

综上所述，微藻生物膜去污技术既要关注污水净化效果，也要追求高效的生物质和高附加值代谢物积累。混合营养生物膜培养可以最大限度地利用所有投入的资源，进一步增强光照和营养物质的传输和利用效率，有效提高生物膜生物量和油脂积累，提高生物膜的环境耐受性，具有显著的综合优势。需要指出的是：额外添加碳源和氮源增加了成本，但降低空间大；在污水环境中培养生物膜，光照和营养物质的传输利用机制还要深入研究。

3.3 创新生物膜去污系统及培养模式

开发节能、低成本、运行稳定的新型生物膜去污系统是生物膜去污技术推广的重点工作。要在现有反应器系统的基础上，加大投入力度，改进劣势，综合优势，推进生物膜去污系统的成熟和产业应用。如屋顶平板式生物膜系统耦合处理居民社区分散的生活污水，在逐年提升的城镇化社区除污设施建设中有参考价值。旋转式生物膜系统的持续运转能力强，便于实现生物膜收集的自动化。卧式平板反应器的除污速度快，采用自然光照，运行平稳，易于扩大规模。这两种生物膜系统在集中式污水处理站有推广价值。中试的螺旋藻生物膜试验系统若采用更经济的吸附材料，将具有很大的应用空间[3]。HAPB系统虽然还处于实验室水平，但如果扩大研究规模，优化物质传输效率，未来能达到推广应用的水平。砂层生物膜含水量低，易剥离，为拓宽微藻生物膜的培养空间提供了思路。

近年来，一些学科交叉技术应用到了生物膜培养领域。以CPBR反应器为例，藻体生物膜和培养基相对分离，营养物质经毛细作用输送到载体，改善了营养物质的运输方式，降低了能耗，光利用效率是悬浮培养的10倍，生物膜产率、油脂以及碳水化合物含量均获得较大提升[29]。沈英基于CPBR获得高产量螺旋藻和衣藻生物膜的同时，对生物膜施加磁场激励，得到两种藻的碳水化合物含量分别为30.5%和60.8%，相较于对照组分别增加了17%和16%。该研究利用磁场激励改善微藻细胞的代谢过程，促使微生物细胞膜上蛋白质中金属离子的形态和运输发生改变，进而促进了碳水化合物的合成[41]。多学科交叉技术与生物膜培养相结合，为拓宽生物膜培养模式提供了参考价值。

4 结论与展望

第二次全国污染源普查数据显示，我国农业和生活领域的水污染治理面临着新的严峻挑战。微藻生物膜培养技术为水环境治理和生物燃料生产提供了一种节能和节水的方法。近几年，国内生物膜去污技术在反应器优化设计、生物膜培养和环境控制等方面积累了实践经验，但总体上仍面临关键技术和成本困境，如生物膜生长受限、代谢产物差异大且不稳定、生物膜去污系统运营成本高等。

首先，生物膜生长及利用依然受限，微藻生物膜的结构完整性与通透性相矛盾。生物膜脱落是由多种因素综合作用导致膜结构多孔性过度的结果。要充分利用初始吸附、EPS以及藻菌的协同效应在平衡生物膜通透性与结构完整性上的重要作用。

其次，光自养生物膜培养方式单一，加上污水环境的复杂多变，生物量和高附加值产品产量普遍低且不稳定。仅通过反应器集成提高产率，能耗成本较高，而胁迫策略刺激油脂合成往往会导致生物量降低。因此，需要进一步创新生物膜培养模式。混合营养生物膜最大限度地利用了所投入的光照和营养成分等资源，是生物膜去污技术应用的重要发展趋势。

最后，生物膜去污系统普遍存在运营成本高、容易被污染和技术不成熟等问题。要在现有研究的基础上，加大投入力度，扬长避短，持续推进生物膜去污系统的成熟和产业应用。总体上看，屋顶平板式生物膜系统、旋转式生物膜系统和卧式平板反应器等模型的耦合度高，综合性强，应用空间较大。HAPB的生物量和油脂产率高，在光照和营养物质利用率方面优势明显，但要达到规模应用还有很多工作要做。

为实现微藻去污生物膜系统的规模应用和推广，研究者要做到：转变思想观念，具备系统思维和全局观念；需要谋求深化合作，加大资源投入和研发力度；坚持绿色、环保和可持续发展，提高微藻生物膜技术的集成整合力度，实现能源、资源、环境之间“1+1+1＞3”。