微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制_徐彤彤.pdf

第12期徐彤彤，刘伟，葛庆燕，等.微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制J.环境科学与技术，2022，45（12）：133-144.Xu Tongtong，Liu Wei，GeQingyan，et al.Effect and mechanism of microalgae on carbon dioxide emission reduction in wastewater treatmentJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：133-144.Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-06-20；修回2022-09-19基金项目：山东省重大科技创新工程项目（2019JZZY010723）；国家自然科学基金（22176104）；山东省自然科学基金（ZR2022MC204，ZR2019MB073）；山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目（2022TSGC2199）作者简介：徐彤彤（1999-），女，硕士研究生，从事水污染控制工程方向的研究，（电子信箱）；*通讯作者，（电子信箱）。微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制徐彤彤1，刘伟1*，葛庆燕2，王振华1，刘绪振1，段会杰1，董海文1，周丽秀1（1.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省分析测试中心，山东济南250014；2.山东齐发药业有限公司，山东济南250400）摘要：微藻因光和效率高、固碳性能好等特点，被认为是最具有潜力的固碳生物。该文在对现有碳固定方法优缺点分析的基础上，探讨了微藻碳固定的机理、影响微藻固碳效率的环境因素和微藻固碳的强化方法，总结归纳了微藻在近年来污水处理中的应用，对基于微藻固碳协同废水处理的经济性展开分析，提出了微藻固碳及其在污水处理碳减排研究中应重点关注的问题。基于微藻的固碳技术可降低固碳成本，与废水处理相结合可取得碳固定与污染物去除的双重效益。藻-菌联用处理污水是极具经济潜力价值的污水处理工艺，不但污染物去除效率高，而且能够减少碳排放，节省能源、碳源，并产出高附加值微藻生物质。下步可向微藻固碳机制的深入研究及高性能微藻和菌株的筛选、微藻与细菌联合工艺的深入研究和新型固碳生物反应器的开发等多方面开展。关键词：微藻；碳减排；生物固碳；污水处理；生物质中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1453.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0133-12Effect and Mechanism of Microalgae on Carbon Dioxide Emission Reductionin Wastewater TreatmentXU Tongtong1，LIU Wei1*，GE Qingyan2，WANG Zhenhua1，LIU Xuzhen1，DUAN Huijie1，DONG Haiwen1，ZHOU Lixiu1（1.Shandong Analysis and Test Center,Qilu University of Technology,Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China;2.Shandong Qilu King-Phar Pharmaceutical Co.,Ltd.,Jinan 250400,China）Abstract：Microalgae are considered as the most potential carbon sequestration organisms due to their high photosyntheticefficiency and high carbon sequestration performance.Based on the analysis of the advantages and disadvantages of existingcarbon fixation methods,this paper discusses the mechanism of microalgae carbon fixation,environmental factors thataffect the efficiency of microalgae carbon fixation,and strengthening methods of microalgae carbon fixation,summarizes the application of microalgae in wastewater treatment in recent years,and analyzes the economics of microalgaecarbon fixation combined with wastewater treatment.The key problems of microalgae carbon sequestration and carbonreduction in wastewater treatment were put forward.Carbon sequestration based on microalgae can reduce carbon sequestration costs and achieve dual benefits of carbon fixation and pollutant removal when combined with wastewater treatment.Algae-bacteria combined treatment of wastewater is a wastewater treatment process with great economic potential value.It not only has high pollutant removal efficiency,but also can reduce carbon emissions,save energy and carbon source,and produce high value-added microalgae biomass.Future research should be carried out from the following aspects,including in-depth study on the mechanism of microalgae sequestration,screening of high-performance microalgae andbacterial strains,in-depth study on the combined process of microalgae and bacteria,and development of new carbonsequestration bioreactor.Key words：microalgae;carbon emission reduction;bio-carbon sequestration;wastewater treatment;biomass第45卷目前，我国大部分能源需求是通过燃烧化石原料实现的，化石原料燃烧会排放大量的温室气体（greenhouse gas，GHG），进而造成一系列全球性环境问题1。温室气体主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O），其中CO2对温室效应的贡献率最大。中国化石燃料燃烧释放的CO2在2020年排全球第一位，2010-2020年全球年度CO2排放各行业总体呈现出逐年增加的趋势2（图1）。CO2浓度的增加是导致全球变暖、海平面上升的主要原因，进而威胁海洋生物和人类的活动和生存。因此，减少CO2的产生，实现碳减排已经迫在眉睫。污水处理是一个高碳排放的行业，在废水处理过程中，氮（N）、磷（P）等污染物的去除会伴随着CO2、CH4、N2O等温室气体的直接释放。另外，废水处理设施运行过程中能源、药剂的消耗也会带来间接的碳排放，成为污水处理厂碳排放的另一重要来源。碳减排已成为我国污水处理厂亟待解决的问题，其碳排放量占全社会碳排放总量的1%2%3。随着污水处理行业排放标准的不断提高，污水厂向大气中排放的温室气体也逐年增加4，在未来几十年内城市污水处理厂将成为GHG排放的主要来源之一，将面临能源大量消耗以及碳排放的挑战5，6。微藻技术是同时实现废水中CO2固定与N、P等营养物质去除最有效的办法，已逐渐应用到市政废水、农业废水、工业废水等不同类型废水处理过程7,8。微藻具有光和效率高、固碳性能好等特点，能够利用废水中的N、P等营养物质，将其转化为特定价值的微藻生物质，实现资源的可重复利用9。此外，藻类可以利用含氮（N）和硫（S）的污染物，具有减少NOx和SOx以及温室气体的潜力，在全球的氮、硫循环中起着重要作用。传统的处理污水工艺如A2O工艺、序批式反应器等碳排放量高、步骤多、成本高10，而使用微藻处理污水不仅可生产附加值产品，而且可以实现温室气体的减排，符合碳中和理念。因此基于微藻的废水处理工艺日益成为国内外专家学者关注的焦点11。本文在探讨微藻固碳的基础上，对微藻固碳的影响因素、强化方法以及污水处理厂的微藻碳减排进行了总结分析，以期为微藻资源化发展及利用微藻技术实现污水处理厂碳减排提供参考。1二氧化碳减排和固定方法目前，我国的碳减排途径主要采用CO2捕获和封存技术（carbon capture and storage，CCS）12。而国外主要关注于CO2资源化利用方面，将CO2捕集、提纯后，转化为其他附加值产品13，如化工原料、农作物气态肥料等12。最常见的CO2捕捉和封存技术包括物理、化学和生物固碳技术14，15，其优缺点对比如表1。物理和化学方法都面临着难以从低浓度或非点源高效捕获CO2的挑战，而生物技术特别是基于微藻的生物固碳方法，其在低浓度及非点源CO2资源化利用方面表现出良好的应用前景15。Yan等16发现微藻在喀斯特湿地水生生态系统中将无机碳转化为机碳的平均转化率可达到4 207.5 t/a(以C计)，约有28.7%的碳酸盐通过微藻光合作用固定为有机碳。Yahya等17对马来西亚燃煤电厂周围的微藻进行了筛选、鉴定和测试，在实际燃煤烟气条件下，Isochrysis sp.的CO2固定率为0.35 g/(Ld)，证明了该藻种可作为燃煤电厂烟气的碳固定剂。Gayathri等18表明与其他微生物相比，藻类是利用CO2最有效的微生物，在生物燃料生产中被广泛应用。2微藻固碳2.1微藻固碳机理自养生物通过光合作用吸收无机碳（CO2）转化为有机物的过程称为光合作用固碳过程15，微藻、蓝细菌和厌氧光合细菌等是人们经常采用的高效固碳生物体19。大多数微藻是光自养的，可以进行光合作用，利用空气中的CO2作为自己的碳源。还有一部分134第12期微藻是化学异养的，它们从化学反应中获得能量，从有机物中获得营养24。研究显示微藻与普通高等植物相比，其对太阳光的利用率远远超过蓝细菌和厌氧光合细菌，光合效率比陆生植物高1050倍25。在微藻细胞的叶绿体基质上进行的卡尔文循环（Calvin Benson Basshamcycle，CBB）即光合作用暗反应是微藻固定CO2的重要途径，以核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase，Rubisco）为核心。Rubisco是一种在CBB中催化CO2转化为无机碳生成有机物的酶26。CCB即CO2的羧化、还原与1,5-二磷酸盐-核酮糖（ribulose-1,5-bisphosphate，RuBP）的再生过程，CO2进入微藻细胞后会与RuBP结合转化成六碳化合物（C6），不稳定的C6被分解成两分子的3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate），3-磷酸甘油酸会被光反应阶段生成的NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，还原型辅酶）还原成3-磷酸甘油醛（3-phosphoglyceraldehyde，PGAL），剩下的3-磷酸-甘油酸会经过复杂的生化反应重新合成RuBP固定CO2，形成一个循环过程27。几种微藻的固定CO2效果见表2。微藻Chlorella sp.Spirulina(Arthrospira)Spirulina(Arthrospira)Scenedesmus obliquus SA1(KC733762)Neochloris aquatica RDS01Chlorella vulgaris MBFJNU-1Tribonema sp.Cyanobacteria、diatoms、Scenedesmus sp.、Chlorella sp.混合CO2/(V/V）15%NaHCO399.99%15%100%3%2%20%通气量0.2 L/min-5 L/min0.43 L/h100 mL/min2 L/min0.18 L/min1 L/min培养条件f/2培养基；小型鼓泡塔PBR改良Zarrouk培养基中；BG-11培养基；PBRBBM培养基；制革废水柱状PBR；养猪废水(OSW)BG11培养基；垂直管式PBR；模拟丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）废水BBM培养基；200 L室外跑道池；城市污水生物量产率/(gL-1d-1)0.1920.0760.0030.0610.0023.320.0220.0390.0020.0360.0010.4720.03328.3 gd-1m-2CO2固定率/(gL-1d-1)0.3530.140.0060.100.0041.0350.05270.65%0.0680.0020.2360.041参考文献2829293031323334表2几种微藻的固定CO2效果Table 2Comparison of common CO2fixation techniques名称物理封存固碳技术化学固碳技术生物固碳技术原理主要是碳捕捉和封存技术，是指将高体积分数的CO2经过压缩后注入到海洋、地下暂时封埋起来直接利用吸附材料、复合溶液等吸收CO2，或化学试剂以碳酸盐或碳酸氢盐的形式固定CO2通过生物体的光合作吸收CO2，高等植物、光合细菌、微藻等优点可用于工业项目，能够实现CO2的无害化处理相对安全，具有永久性环境友好、可持续发展，有较大潜力，微藻的光合效率较高，可以吸收大量CO2；能够提取生物柴油，缓解能源危机缺点高体积分数CO2收集和浓缩成本高；封存空间、场地的选择存在安全隐患；泄露后易引起“二次污染”试剂用量大和固碳成本高植物对CO2吸收缓慢，受土地面积的限制参考文献19，2014，1521，22表1常见CO2固定技术的比较Table 1Comparison of common CO2fixation techniques2.2影响微藻固碳的环境因素微藻固碳已被许多国家确定为一项有前景的固碳技术。但是固碳效率无法达到理想状态限制了其大规模发展。为了获得微藻的最大产量，实现微藻的最优固碳率，要考虑微藻培养的环境条件，主要包括光照（光照强度、光照周期）、温度、碳源、pH以及优良藻种的选择35，36，选择最优实验条件不仅可以提高微藻的固碳效率，同时对微藻去除N、P有重要作用。2.2.1光照微藻通过光合作用进行固碳的首要条件是光照，包括光照强度和光照周期，因为光能参与光合作用的第一步反应37，38，微藻的生长速率与光照强度成正比，随光照强度的提高而加快14，15，直到达到光饱和为止。但是，当微藻所需光照达到极限时，会出现抑制现象，降低藻类的生产力39。这是因为过量的光照会损害微藻的光受体，进一步降低光合作用速率和微藻生物量。因此，在微藻固定CO2的实验中必须合理控制光照，但实际工程易受气象因素影响，无法为微藻提供稳定的光照，因此，可以使用辅助光源培养微藻，如封闭式光生物反应器35。光周期通过影响代谢活性显著影响微藻的生长40，选择合适的光周期对微藻固碳效率的影响也极为重要，短期和长期光周期都可能限制微藻生长。杨忠华等41发现，合理的光周期可以使微藻达到最优固徐彤彤，等微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制135第45卷碳效果，过长或过短的光周期都会抑制藻细胞的生长，微藻的一些指标、性能也会下降，如蛋白质含量、细胞密度等。2.2.2温度温度变化影响微藻内酶的活性导致微藻的生物反应发生变化。温度是影响微藻生长代谢的因素之一，直接影响微藻的固碳效率14。在适宜温度范围内，微藻生长速率会随着温度的升高而增加11。但高温会导致微藻新陈代谢加快42，生物质累积速率降低，低温则会导致微藻生长速率过慢14，22。一般来说，大多数微藻最适生长温度为1530，2530 有利于小球藻固定CO235。若不在这个温度范围内微藻的生长将受到抑制，进而降低固定CO2和去除营养物质的效率43。当温度发生变化，培养液或废水中的pH值以及CO2的溶解度等也会发生变化。研究显示，螺旋藻的培养温度由23.8 提高到33 时，其CO2固定率也由25.5 g/(m2d)提高到51.3 g/(m2d)，但进一步提高到38 时又下降到39.0 g/(m2d)44。2.2.3碳源污水处理中碳源浓度是影响微藻藻株生长速率的主要因素之一45，废水中碳源的低可用性直接影响微藻吸收N、P的能力，限制微藻细胞的生长和脂类、糖类等物质的积累46。研究表明，充足的碳源有利于细胞储碳进行油脂积累。碳源浓度会调节培养基的pH值，高浓度的CO2会导致培养基呈酸性，阻碍藻胆蛋白和其他色素的积累，降低光合活性并减缓藻株的生长速度47-49。不同的微藻藻株对CO2的耐受程度存在差异，只有较少的微藻能耐受高体积分数的CO2浓度，其中小球藻有较高生物质产率和较好的CO2固定率，可以耐受高浓度CO250-52。在适当范围内增加CO2浓度，可以有效提高微藻的生长速率和光合效率，从而提高微藻的生物量11。Omar 等53利用三级城市污水评估了不同CO2浓度下栅藻（Scenedesmus dimorphus）对CO2的固定和产脂潜力，结果显示未通CO2的生物质产量为466 mg/L，明显低于CO2浓度为2%时生物质产量653 mg/L的水平。同时，不同碳源和CO2气体流量也会对微藻生长和固碳能力产生不同的影响，CO2气体流量太大会对藻细胞产生不利影响54。Gao等55研究了无机碳和有机碳的供应对混合营养培养下小球藻生长和碳代谢能力，HCO3-比例的增加会促进生物量的积累和碳固定，CO32-比HCO3-更能促进小球藻碳水化合物和脂质积累，CO32-和葡萄糖联合使用时碳水化合物和脂质积累量最高，分别为30.2%和35.8%。因此，CO2浓度和CO2的通入速率是影响微藻生长繁殖的一个重要参数，二者对微藻光合作用固碳具有重要意义。2.2.4pHpH能改变微藻细胞膜的渗透性从而影响细胞生长，由于不同的藻种生长的最适pH不相同56，所以选择合适的培养液pH对微藻培育及微藻的固碳效率影响也比较大。国内外学者的研究发现大多数微藻最适pH值为中性或弱碱性，与其他影响因素相同，培养液pH过高或过低都对微藻生长和代谢活动产生不利影响，严重的会引起微藻细胞的死亡35，57。微藻固碳系统的pH值还与一些不确定因素有关，例如外界碳源的添加会改变 pH 值，直接向系统中注入 CO2可降低 pH值58。随着微藻的持续生长，藻液中的pH值会有一定的升高59。研究显示，碱性pH值使CO2传质增强，产生高HCO3-离子，可以促进螺旋藻的生长29。在pH为8.5时螺旋藻达到最佳的生长状态29。通过对小球藻在不同pH环境中的研究发现，小球藻可以生存的pH范围为5.511.5，其在pH为9.0时溶氧量和生长量达到最高，当pH超过11.0时小球藻生长减缓以至死亡60。2.2.5藻种微藻藻种在CO2生物固定和生物量积累特性方面起着至关重要的作用。优良的藻种应具备以下特征：具有较高的固碳效率，能够承受昼夜与季节变化，能承受最大的CO2压力61。应用于污水处理的微藻藻种还需能够耐受废水中的重金属、高氨氮等污染物。自然生态系统中有36 000多种微藻，不同藻种其CO2固定存在显著差异。研究显示，在曝气率为0.2 L/min条件下，小球藻的CO2固定率为0.2820.510 g/(Ld)62，栅藻对CO2的固定率为0.106 g/(Ld)63。近年来，研究者通过对不同藻种的筛选，选育出了能够耐受高浓度CO2的藻种，发现耐高浓度CO2的藻种主要是蓝藻和绿藻64。除了以上影响因素外，废水特性、有毒成分等也会影响微藻的固碳效率。废水特性对微藻的生长、污染物的去除率以及不同细胞内物质（碳水化合物、蛋白质和脂质）的形成有重要影响65。一些学者认为NOx、SOx、烟气中主要的痕量金属汞都会抑制微藻的生长43。在 Zhao 等28的实验研究中，添加 NO、SO2、Hg2+的微藻生物量浓度均低于不添加的实验组，所以这些有毒成分的存在抑制了微藻的生长。2.3微藻固碳的强化方法国内外学者为了提高微藻的固碳效率，研究了一系列的方法。物理吸收技术、化学吸收剂强化均能提高微藻固定CO2效率。在培养基中添加碳酸丙烯酯物理吸附促进剂，二形栅藻（Scenedesmus dimorphus）的生物产量可提高63%，向供应CO2的光生物反应器中添加聚乙二醇二甲醚后，可消耗71%的CO266。白136第12期丽菊等1提出了化学吸收剂强化微藻固碳的可行性，今后的发展可以更深层次地研究化学吸收剂强化微藻固碳。其次，光合作用的改善会提高参与CO2固定的酶的效率，扩大光合有效辐射范围以扩大光利用能力，通过更有效的途径和酶取代现有的碳固定途径，可以减少捕获的CO2的释放，提高固碳效果。近年来基因工程技术发展迅速，人们对微藻进行遗传改造，在基因工程的帮助下，微藻在医药、食品、化妆品和环境保护等方面有了更广泛的潜在应用。为寻求更有效的途径来弥补现有碳固定技术的弊端，转基因微藻固定CO2是一项有前途的方法。这种可研发出藻类新品种的遗传学技术，是提高微藻固定CO2的效率的有效方法41，同时对优良藻种的筛选有利。近年来，微藻固定CO2的基因工程研究主要集中于基因的结构与表达、基因序列分析、基因克隆等方面14。基因工程有利于微藻的改良，推动了微藻CO2固定的产业化进程。除以上技术外，在碳中和背景下应该重视微藻光生物反应器的固碳效率。Li等67优化了微藻的培养条件和微藻光生物反应器的结构，为提高实验室微藻固碳率提供了有益参考。van Do等68利用了一种新型的平板光生物反应器（FPP），在特定实验条件下CO2固定效率可达到56.81%。微藻生物反应器的设计应同时考虑高效率与低成本。微藻培养过程的优化以及高效固碳藻种的选择和培育也是强化微藻固碳效率的方法之一11，在未来微藻固碳的强化中核辐射诱变和紫外线诱变等方法也应该加入考虑，核辐射诱变射线具有很强的穿透力，通过改变遗传特性改善微藻细胞的光合作用，提高CO2捕获效率，紫外线诱变也可以提高微藻的繁殖率，经紫外线辐射的微藻突变体能够耐受高浓度的CO224。3微藻在污水处理中的应用3.1微藻对废水中污染物的去除微藻在废水中具有较好的应用前景和可行性。据调查，微藻可以去除来自生活污水、农业废水、纺织、皮革、制药和电镀等行业废水中的污染物69。微藻不仅可以去除废水中的磷酸盐、硝酸盐、铵和其他有机、无机污染物，还可以吸收和降解重金属、PPCP、HCs、EDC及抗生素等持久性大分子物质70，71(表3)。N、P是微藻细胞生长代谢所需的重要元素。废水中的氮通常以 NH4+、NO2-和NO3-的形式存在。小球藻（Chlorella sp.GD）可去除水产养殖废水中90%的TN、99%的TP和80%的COD，其CO2固定率达到2.333 g/(Ld)43。Lpez-Snchez等72指出，来自绿藻门的微藻，如C.vulgaris、C.regularis和H.pluvialis，能够高效去除畜牧废水中的营养物质，同时能为市场生产高附加值产品。Goswami等73证实，微藻可以同时处理不同类型的废水，回收营养物质，并通过其生物固定能力缓解烟气中的二氧化碳。小球藻（YG01）对城市污水的N吸收率最高达到84.11%，衣藻（YG04）和衣藻（YG05）对P的吸收率最高达到100%74。微藻对重金属的去除也有一定效果，被微藻吸附后的重金属一定条件下可以解吸下来，实现重金属的回收。藻种Chlorellavariabilis TH03Chlorella vulgarisScenedesmus obliquusScenedesmus sp.Chlorella vulgarisBotoryococcus braunii污水种类生活污水水产养殖废水城市污水一沉池出水模拟二级出水甜菜加工厂废水畜禽废水三级处理废水实验条件连续光照60 molm-2s-1；温度25；CO2（99.9%）5 L/min光照（12 h 12 h）125 Em-2s-1温度26 连续光照2 5003 000 lx温度23.2 转速120 rmin-1光照11 000 lx（12 h 12 h）温度2528 曝气1.5 Lmin-1光照（12 h 12 h）温度26;pH=8空气流量0.4 Lmin-1连续光照38.75 Wm-2温度2528 污染物去除率/%COD 89.8TN 96.1TP 99.9COD 100TN 100TP 86.6TN 99.8TN 98.9TP 83.1（初沉池）TP 97.6（二沉池）TP 92.11TN 84.34COD 93.7亚硝酸盐96.7硝酸盐96TKN 56TP 51.6TN 94.4TP 83.2微藻生物量浓度/(gL-1)1.723.22总油脂产量0.38（初沉池）0.33（二沉池）0.328-2.594参考文献757677787980表3微藻对不同废水的污染物去除效果Table 3Effects of microalgae on the removal of pollutants from different wastewater徐彤彤，等微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制137第45卷3.2微藻对污水处理过程中CO2的固定3.2.1污水处理厂CO2排放现状污水处理厂的CO2排放包括污水生物处理过程中（生物源）以及额外碳源添加转化的直接CO2排放和污水处理过程中消耗电力、燃料和药剂等产生的间接CO2排放4（图2）。大部分研究者认为污水中微生物利用O2将有机物氧化生成CO2的生物源CO2，不会造成温室效应，不计入到GHG中，如图2所示。但近年来随着化妆品、药物、清洁剂、工业废水的混入以及水质检测技术的提高，有研究者发现污水处理厂中25%的有机碳属于化石源81。其与生物源的碳具有相同的代谢途径，最终有29%50%的化石源有机碳被转化为CO282，83。Willis等84研究发现在污水处理厂使用甲醇作为污水脱氮过程中的外加碳源也会造成CO2排放，每消耗1 kg甲醇会产生0.9 kg CO24，84。传统污水处理厂的CO2排放量是先进污水处理厂的1.82倍，减少污水处理中的化学药品使用，可以减少与化学药品生产和运输相关的CO2排放85。在A2/O工艺中缺氧池会产生直接CO2排放，各污水、污泥处理环节均会由于电能产生间接CO2排放，仅在缺氧池、污水深度处理、污泥浓缩、脱水环节会由于药剂的添加产生间接CO2排放4。3.2.2微藻对废水处理过程中的CO2固定微藻处理废水具有可持续性和环境友好性，废水中的营养物质可以用作微生物固定CO2的生长介质，为CO2固定和废水处理问题提供解决方案。微藻含有的叶绿素a能进行光合作用，从而高效利用CO2并释放出O2，产生高附加值产品，实现生物固碳的同时处理废水15，87，利用微藻固碳的同时实现废水中污染物的去除已成为近年来国内外研究的热门领域。藻类的光合速率是普通陆地生物的近40倍，藻类的循环生物经济导致了原料和原材料的多样化88。一项研究表明微藻在CCM循环中利用Rubisco酶固定CO2的潜力巨大，大约1 kg微藻可以固定1.83 kg的CO289。在离CO2排放源近的地方培育微藻，可以降低CO2的水平，并产生大量的生物量。Kong等43研究发现蓝绿藻最适合用于CO2一体化处理废水的固定，但需要筛选具有良好防污性能、耐高CO2浓度和高氨氮性能的微藻菌株。在无机废水中培养微藻时，废水并不会影响CO2的固定机制，而且可以为其生长提供必要的N和P。然而，当废水中含有大量有机物时，才会影响微藻的生长。Khandelwal等90也证明了CO2固定过程与废水处理之间的整合，以及利用盐藻（Halomonasstevensii）生产增值产品。3.3藻-菌共生系统处理污水单独使用微藻处理废水的效率比较低，而活性污泥法在水处理方面的应用广泛，出水稳定，可持续。但该方法能耗高，其中曝气是污水处理过程中主要的能耗装置，现有的减少曝气能耗的方法虽然可以一定程度上减少曝气能耗，但都不能从根本上解决曝气能耗问题。因此，有学者提出了微藻与活性污泥/细菌联用处理废水，既节省了能耗，又可以在处理废水的同时实现温室气体的减排（图3）。Chen等91提出微藻-细菌联用可以有效地进行废水处理和CO2减排。王曦等92利用新型微藻-活性污泥的联用装置处理废水中的污染物，证明了该体系相比于传统的污水处理方法可以避免CH4和CO2的产生。微藻与细菌的相互作用不仅包括互利共生关系和代谢产物的相互利用，还涉及营养物质的相互竞争和抑制93。互利共生关系是指微藻通过光合作用提供 O2和有机物供细菌消耗，细菌通过呼吸产生CO2和无机物以维持微藻的光合作用，细菌利用微藻光合作用产生的O2作为电子受体降解有机物。竞争抑制关系指细菌产生有毒代谢物（藻毒素），抑制微藻的过度生长；反过来，微藻能够释放杀菌剂、抗菌代谢物抑制细菌的生长94。二者互补共生、维持群落平衡95。与单一藻类或单一细菌处理污水相比，藻类-细菌联合系统通常表现出更高的污染物去除性能96。Wang等97评估封闭循环水产养殖池塘在提高鱼类产量和水质方面的潜力的实验中，验证了与传统池塘相比，添加细菌-微藻的池塘总氮、总氨氮和亚硝酸盐分别降低了17.29%、29.69%和15.92%，由于微藻可作为鱼类饲料，实验中鱼的产量也显著提高。Qiao等98构建的一种新型的微藻与活性污泥（MA/AS）集成系统，在光照和无光照期间均未检测到N2O、CH4，只检测到初始总碳当量 2%的 CO2，在最佳环境条件下 COD、NH4+和TP的去除率分别高达100%、99.6%和100%，减少了污水处理过程中的温室气体（CO2、CH4和N2O）排放。Fan等99利用微藻（Coelastrella）与细菌（Rho-dobacteraceae）联用去除了水产养殖废水中的80%以上的氨氮与磷酸盐。138第12期4基于微藻固碳与处理废水的经济性分析微藻虽对废水中污染物的去除效果显著，但目前的技术水平和生产成本限制了其规模化应用，因此经济效益的最大化和处理成本的最低化仍然是当今急需解决的问题。目前基于微藻固碳协同处理废水的评估分析可分为经济成本和环境效益2方面100。经济方面，微藻固定CO2过程中会消耗大量的能源（比如，微藻的捕获以及底物的输送等）。另外，用于微藻废水处理的光生物反应器的维护和运营产生的成本较高。封闭式反应器和贴壁式光生物反应器虽操作简单但其运维复杂且造价较高，封闭系统的制造成本是开放式跑道池的10多倍87，101。其次，在环境效益方面将CO2固定、废水处理和微藻培养相结合是一种经济可行且环境友好的方法，利用外部废物源、烟气等对微藻处理城市废水可避免污水处理厂60%80%的能耗100。使用微藻与细菌联用处理废水也可以降低曝气和CO2产生的能源成本。此外，在CO2固定过程中产生的生物质可以有效地转化为用于能源生产的生物燃料，例如生物柴油、绿色柴油、绿色汽油、绿色喷气燃料、生物原油、乙醇和氢气等）或其他增值化学品（例如食品、化妆品、药品等102）。每固定1.83 g CO2平均可以产生1 g干微藻生物量65。微藻从干生物量中产生的脂质高达56%89，并通过简单的酯交换反应将提取的脂质转化为生物柴油103，104。收获的湿藻类生物质浆液可通过厌氧发酵直接转化为沼气，或通过水热液化转化为生物原油。Xie等105利用小球藻处理养猪废水，对湿生物质产生的油脂进行酶促酯交换，实现了93.3%的生物柴油转化率。经制革废水处理后的微藻（Neochloris aquatica RDS02）可产生4.9 mL/g生物柴油和4.1 mL/g生物乙醇。藻类生物质还可用于生产化妆品、药物、肥料以及动物和水产饲料等106-108。微藻积累的脂类及其衍生物是化妆品配方主要成分之一，有很好的保湿、润肤效果109。5结论与展望近几年污水处理厂CO2排放大量增加，减少污水处理过程中CO2排放已成为亟待解决的问题。微藻因其光和效率高、固碳性能好、可实现资源的重复利用等特点，成为近几年废水处理工艺的研究热点。目前我国主要还是采用物理和化学CO2捕获、封存技术实现CO2减排。相比于基于微藻的生物方法，物理、化学方法固碳会造成相当的成本耗费。利用微藻将CO2固定与废水处理相结合可节省大量能源、降低成本，且对生物燃料和其他增值化学品的生产也有突出贡献。实现微藻固碳大规模应用可以通过营造微藻适宜生长繁殖的环境（比如温度、碳源和优良藻种等）以及基因工程等微观层面对微藻固碳进行强化。同时藻-菌联用处理污水因其能耗低、效率高和附加值产品生产率高等优点，被认为是极具经济潜力价值的工艺，但该工艺目前主要集中在实验室研究，中试试验和大规模应用研究较少。未来应在以下3个方面进行深入研究，争取早日将其推广至大规模应用。（1）微藻固碳机制的深入研究及高性能藻种的筛选。目前，微藻CO2的固定仍具有明显的局限性，尚未实现基于微藻的大规模CO2固定技术。只有更深入地了解微藻固碳机制，掌握CO2转移和O2解吸过程。通过化学诱变、紫外线诱变和基因工程等方法筛选出徐彤彤，等微藻在污水处理中的二氧化碳减排作用与机制139第45卷高固碳性能、耐受高浓度CO2和NH3-N、耐受极端条件（如高温）的藻类，用来处理各种不同类型的废水。（2）微藻与细菌联合工艺的深入研究。通过选取优良藻种、菌种与适宜的培养条件，提高微藻固碳效率和生物产量。微藻处理废水应考虑不同藻类对不同特征废水的适应情况及抑制因素，提高微藻的抗污染能力，加强在节省能源、提高处理效率以及生产高附加值产品等方面的深入探究，克服极端条件对联合工艺的影响，开发分离微藻与细菌的新方法。（3）新型固定CO2生物反应器的开发。开发占地面积小、高效率的生物反应器以实现微藻与细菌的高度耦合，通过光生物反应器实现工业废气（如烟道气）中CO2固定，提高工业废气的利用效率，进行微藻与物理化学技术联用固定CO2技术的研究与开发等。参考文献1 白丽菊,侯博,江波,等.化学吸收剂强化微藻固碳研究进展J.化工进展,2020,39(S2):106-114.Bai Liju,Hou Bo,Jiang Bo,et al.Research progress of CO2fixation by chemical absorbents enhanced microalgaeJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2020,39(S2):106-114.2 MonicaC,DiegoG,EfisioS,etal.GHGemissionsofallworldcountriesJ.JRC Science for Policy Report,2021(10