工業(yè)硝酸廢水微藻處理技術(shù)

　　水污染物的種類繁多，其中含氮排放物，特別是含硝酸根離子的廢水，給人類健康、生態(tài)環(huán)境都帶來了嚴(yán)重的威脅。自然表層水體中，硝酸根的含量一般低于1μmol/L，但在受到污染的情況下，這一數(shù)值會(huì)發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的升高。在世界各地，自然水體硝酸根濃度過高導(dǎo)致飲用水中硝酸鹽超標(biāo)的情況時(shí)有發(fā)生。攝入體內(nèi)的硝酸鹽會(huì)在胃中轉(zhuǎn)化為具有致癌性的亞硝胺，硝酸根也可以將血液中的血紅蛋白氧化為高鐵血紅蛋白，降低了紅細(xì)胞的攜氧能力。而環(huán)境水體中氮含量過高導(dǎo)致的富營養(yǎng)化、水體老化等現(xiàn)象也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難，而且水環(huán)境的恢復(fù)更是極為困難與漫長。因此，含硝酸廢水的處理一直是水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)和重點(diǎn)。微藻作為一種生物體，在生長的過程中需要吸收含氮物質(zhì)作為營養(yǎng)。某些藻類具有從外界環(huán)境中吸收并固定硝酸根的能力。使用微藻對水體中的硝酸或硝酸鹽進(jìn)行處理，可以作為一種在對硝酸根進(jìn)行脫除的同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為高價(jià)值微藻生物質(zhì)的手段。因此，研究如何使用微藻轉(zhuǎn)化工業(yè)排放硝酸并開發(fā)相應(yīng)技術(shù)，具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

　　1、含硝酸廢水的現(xiàn)有處理方法

　　目前對含硝酸廢水進(jìn)行脫硝處理的方法主要有生物反硝化法、化學(xué)還原法與中和法等幾種。應(yīng)用最為廣泛的方法是生物反硝化法，這種方法利用反硝化細(xì)菌的反硝化作用，將硝態(tài)氮還原為氮?dú)?，釋放到大氣中。但由于反硝化?xì)菌生長速度慢、反硝化效率低、對pH耐受范圍窄等因素的限制，這種方法無法處理高濃度的含硝酸廢水，需要用大量的水進(jìn)行稀釋，占地面積大，導(dǎo)致廢水處理成本高。另外，生物反硝化法還存在不完全反硝化釋放N2O污染以及活性污泥減量與處置的問題?；瘜W(xué)還原法利用硝酸根離子的氧化性，使用化學(xué)還原劑或電化學(xué)手段將硝態(tài)氮還原為氮?dú)饣虬?。這種方法需要投加大量藥劑，可能會(huì)帶來新的污染，還原產(chǎn)生的氨態(tài)氮也是嚴(yán)重的污染物，需要進(jìn)行進(jìn)一步處理，容易產(chǎn)生二次污染。中和法使用堿性物質(zhì)對廢水中的硝酸進(jìn)行中和，再進(jìn)行蒸發(fā)濃縮或稀釋后排放。這種方法將硝酸轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，實(shí)際只是解決了廢水pH偏低的問題，并沒有真正對含氮污染物進(jìn)行清除。其他成熟的水處理方法，包括反滲透、離子交換、電滲析等，與中和法相似，都只是對污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移，未能實(shí)現(xiàn)從根本上清除硝態(tài)氮。可以看出，目前的技術(shù)還存在成本高、帶來二次污染和氮元素資源化利用程度低等問題，缺少能夠高效率處理含較高濃度硝酸廢水的理想技術(shù)。

　　2、微藻處理含硝酸根廢水的理論基礎(chǔ)

　　2.1 微藻

　　微藻是一類個(gè)體微小、種類繁多、能進(jìn)行光合作用的浮游植物。微藻可分為兩類，一類是原核微藻，以藍(lán)藻為主，又稱為藍(lán)細(xì)菌，包括螺旋藻、顫藻、念珠藻等種類。原核微藻細(xì)胞內(nèi)含有光合色素，但不形成葉綠體，細(xì)胞結(jié)構(gòu)與革蘭氏陰性細(xì)菌相近。另一類微藻是真核微藻，屬于真核生物，包括綠藻、硅藻、輪藻等諸多種類。真核微藻以單細(xì)胞或簡單細(xì)胞組合的形式存在，沒有明顯的組織分化。微藻普遍存在于地球上的水環(huán)境中，從咸水到淡水，甚至潮濕的陸地表面，各種生態(tài)環(huán)境均發(fā)現(xiàn)有不同類別的藻類生長。與高等植物相比，微藻具有生長快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能夠以多種方式進(jìn)行培養(yǎng)、單位質(zhì)量的生物質(zhì)含氮量高的特點(diǎn)。而與其他非光合微生物相比，微藻又具有能夠利用光能進(jìn)行光合作用的特點(diǎn)，能夠降低培養(yǎng)過程的能耗。因此微藻是一種具有工業(yè)化應(yīng)用前景的生物。

　　2.2 微藻的氮同化

　　生物體在生長過程中需要含有各種元素的營養(yǎng)物質(zhì)，其中大量元素包括C、H、O、N、P、S等。微藻也不例外，生長過程中需要從培養(yǎng)環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。在自養(yǎng)條件下，微藻以溶于水中的CO2(包括HCO₃^-、CO₃^2-等形式)作為碳源。在異養(yǎng)條件下，微藻以含碳有機(jī)物作為碳源，例如葡萄糖、乙酸、甘油等。在兼養(yǎng)條件下，上述兩種方式同時(shí)發(fā)生。而在氮源方面，微藻可以利用的氮源包括無機(jī)氮源(硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽)和有機(jī)氮源(尿素、氨基酸等)。據(jù)估計(jì)，海洋中藻類生長所需的氮元素大約有20%來自水環(huán)境中的硝酸根。某些微藻可以以硝酸根作為唯一氮源生長，吸收培養(yǎng)環(huán)境中的硝酸根。因此，可以利用微藻對工業(yè)外排水中的硝酸根離子進(jìn)行脫除。

　　微藻對不同含氮物質(zhì)的攝取具有差異。由于NH₄⁺本身處于還原態(tài)，能夠通過轉(zhuǎn)氨基作用直接形成氨基酸并同化成為微藻生物質(zhì)，從能量角度上看更為劃算，因此NH₄⁺以及含有氨基的物質(zhì)(例如氨基酸)通常是微藻所偏好的氮源。而對于硝態(tài)氮來說，微藻的同化能力則取決于具體的藻種。例如聚球藻(Synechococcusspp.)可以在NO₃^-或NO₂^-為唯一氮源的條件下生長，而絕大多數(shù)原綠球藻(Prochlorococcusspp.)則無法利用這兩種氮源物質(zhì)。從整體上看，銨態(tài)氮的存在對細(xì)胞同化硝酸根的過程具有抑制作用，反映了細(xì)胞對銨態(tài)氮的偏好性。盡管NH₄⁺可以作為微藻生長的氮源，但過高濃度的NH₄⁺具有細(xì)胞毒性，大多數(shù)微藻對NH₄⁺的耐受閾值小于50mmol/L；而微藻細(xì)胞對高濃度硝酸根通常具有較好的耐受性，某些藻種可以在高達(dá)160mmol/L的NO3-濃度下正常生長。這一點(diǎn)表明，與處理氨氮廢水相比，使用微藻處理較高濃度的含硝酸廢水可能具有更好的可實(shí)現(xiàn)性。

　　2.3 微藻的硝酸同化

　　生物體對硝酸根的吸收、同化與利用是一個(gè)多步驟的過程。對于真核微藻，硝酸根離子通過細(xì)胞膜上的跨膜載體蛋白運(yùn)輸進(jìn)細(xì)胞中，在硝酸還原酶的作用下還原為亞硝酸根并通過載體運(yùn)輸進(jìn)入葉綠體，隨后在亞硝酸還原酶的作用下逐步還原為銨根。銨根離子進(jìn)入細(xì)胞基本代謝的氮代謝通路，通過轉(zhuǎn)氨基作用形成氨基酸，最終用于合成蛋白質(zhì)。兩次跨膜運(yùn)輸和多次還原組成了微藻對硝態(tài)氮進(jìn)行同化的過程。

　　2.3.1 硝酸根/亞硝酸根的跨膜運(yùn)輸

　　硝酸根從細(xì)胞外跨膜運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)是微藻同化硝酸根的第一步，而還原得到的亞硝酸根也需要跨膜運(yùn)輸至葉綠體中進(jìn)行進(jìn)一步的還原。硝酸根/亞硝酸根的跨膜運(yùn)輸過程受到了嚴(yán)密的調(diào)控，有許多不同類型的蛋白質(zhì)參與其中，包括NRT1(nitratetransporter1，硝酸載體1)、NRT2與NAR1(nitrateassimilation-relatedcomponent1，硝酸同化相關(guān)組分1)。許多硝酸根跨膜運(yùn)輸載體表現(xiàn)出雙功能性，對硝酸根和亞硝酸根都具有運(yùn)輸作用，在氮代謝的不同階段發(fā)揮功能。部分NRT1載體具有可變的的硝酸根/亞硝酸根親和性，受到環(huán)境硝酸根/亞硝酸根濃度的影響，且在不同類微藻中的分布具有較大差異。而NRT2則作為高親和性的硝酸根/亞硝酸根載體，普遍存在于各類微藻中。NAR1載體對亞硝酸根的親和性高于硝酸根，主要作為亞硝酸根的跨膜運(yùn)輸載體。

　　2.3.2 硝酸根的還原

　　硝酸還原酶使用還原型輔酶將進(jìn)入細(xì)胞的硝酸根還原為亞硝酸根。真核微藻的硝酸還原酶通常由單基因編碼，是一個(gè)多亞基的蛋白復(fù)合體。硝酸還原酶分子中含有FAD(flavinadeninedinucleotide，黃素腺嘌呤二核苷酸)、血紅素以及鉬原子作為發(fā)揮還原活性所需要的輔因子。硝酸還原酶除了將硝酸根還原為亞硝酸根外，還會(huì)將很少一部分亞硝酸根繼續(xù)還原至一氧化氮(NO)。NO在細(xì)胞內(nèi)是一種非常重要的信號(hào)分子，參與了多種生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)。例如，由于NO來自亞硝酸根，亞硝酸根水平的升高會(huì)導(dǎo)致NO濃度上升，硝酸跨膜載體以及硝酸還原酶的活性均受到NO介導(dǎo)的磷酸化的抑制，從而減少對細(xì)胞具有毒性的亞硝酸根的積累，形成硝酸還原代謝過程的轉(zhuǎn)錄后負(fù)調(diào)控。

　　2.3.3 亞硝酸的還原

　　亞硝酸還原酶催化的亞硝酸根還原為銨根的反應(yīng)發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中，電子供體是光合電子傳遞產(chǎn)生的還原型鐵氧還蛋白(光照條件下)或戊糖磷酸途徑產(chǎn)生的NADPH(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)(黑暗條件下)。亞硝酸還原酶的活性位點(diǎn)具有[4Fe-4S]的鐵硫中心結(jié)構(gòu)。

　　由于NO₃^-的運(yùn)輸與同化都需要相應(yīng)蛋白質(zhì)發(fā)揮功能，而蛋白質(zhì)的合成需要能量，因此細(xì)胞內(nèi)的能量供應(yīng)就尤為重要。對于能夠進(jìn)行光合自養(yǎng)的微藻來說，NO₃^-的利用依賴于光合作用提供能量，因此改善微藻細(xì)胞受光狀況以及提升光能利用效率就能夠有效提高微藻對NO₃^-的利用能力。而對于在兼養(yǎng)或異養(yǎng)條件下生長的微藻來說，以有機(jī)物，特別是以葡萄糖為底物的有氧呼吸提供的大量ATP就為NO₃^-的高效率吸收利用提供了能量基礎(chǔ)。事實(shí)上，生物圈中有大約70%的氮同化是由水體中的浮游植物進(jìn)行的。因此，利用微藻的特性對水環(huán)境中的硝酸進(jìn)行脫除，具有科學(xué)上的合理性。

　　3、微藻轉(zhuǎn)化工業(yè)排放硝酸的技術(shù)路線

　　由于微藻的氮同化是在藻細(xì)胞生長的過程中發(fā)生的，因此使用微藻處理排放硝酸從另一個(gè)角度來看，就是用工業(yè)排放硝酸作為微藻培養(yǎng)的營養(yǎng)物。由于微藻具有不同的生長方式與養(yǎng)殖模式，與之相應(yīng)的也就有不同的硝酸處理技術(shù)路線。

　　3.1 微藻的生長方式

　　各種微藻在生長方式上的共同特征是能夠進(jìn)行自養(yǎng)生長，即通過光合作用利用光能和CO2進(jìn)行生長。除此以外，部分微藻還能夠在無光照的條件下以有機(jī)物作為碳源與能源進(jìn)行異養(yǎng)方式的生長。而在有機(jī)物和光照均存在的情況下，同時(shí)利用光能和有機(jī)能進(jìn)行生長則稱為兼養(yǎng)。具體使用何種方式進(jìn)行硝酸的處理，需要結(jié)合處理規(guī)模、現(xiàn)場條件、排放硝酸特點(diǎn)等多方面因素來綜合考慮(表1)。

　　3.2 微藻清除硝酸的技術(shù)路線

　　自養(yǎng)養(yǎng)殖是目前大規(guī)模微藻養(yǎng)殖主要使用的養(yǎng)殖模式。在微藻的商業(yè)化大規(guī)模養(yǎng)殖中，為了降低成本，主要使用開放式光生物反應(yīng)器進(jìn)行養(yǎng)殖，以結(jié)構(gòu)簡單的跑道池為典型代表。微藻養(yǎng)殖跑道池深度通常為0.2～0.4m，藻液通過槳葉推動(dòng)，流速為0.15～0.3m/s。為了對光能進(jìn)行充分利用并減少細(xì)菌、浮游動(dòng)物等對微藻生長的影響，研究者也報(bào)道了一系列封閉式光生物反應(yīng)器，例如管道式、平板式、薄膜式等形式的光生物反應(yīng)器。封閉式反應(yīng)器將微藻養(yǎng)殖體系與外界環(huán)境隔離開，很大程度上降低了微藻養(yǎng)殖中發(fā)生病蟲害的可能性，同時(shí)通過設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來增大受光表面積，從而提高對光的利用率。封閉式光生物反應(yīng)器提高了微藻的體積產(chǎn)率以及污染物清除的體積效率，有報(bào)道顯示柵藻在管道式反應(yīng)器中培養(yǎng)時(shí)的硝酸清除能力是開放池的10倍以上。封閉式培養(yǎng)獲得的高質(zhì)量微藻生物質(zhì)更加適合用于高價(jià)值附加產(chǎn)物的生產(chǎn)，但微藻的生產(chǎn)成本高于開放培養(yǎng)方式。使用微藻自養(yǎng)生長模式進(jìn)行含硝酸廢水的處理，具有流程簡單、造價(jià)低、工藝操作方便等優(yōu)勢。但由于自然光能量密度低，微藻的自養(yǎng)生長總體上仍較為緩慢，這就限制了細(xì)胞攝取、同化硝酸的速度，硝酸清除效率較低。同時(shí)光線在藻液中的透過深度有限，因此反應(yīng)器中的藻液通常是以薄層的形式進(jìn)行培養(yǎng)。為了對較大量的硝酸進(jìn)行處理，就需要非常大的反應(yīng)器面積(以及占地面積)，并延長處理時(shí)間。此外，開放式光生物反應(yīng)器受自然條件影響很大，天氣、溫度等因素的變化都會(huì)使微藻的生長和硝酸的脫除效率發(fā)生波動(dòng)，不利于實(shí)現(xiàn)處理裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和控制，這一點(diǎn)在微藻處理能力與上游廢水產(chǎn)生量之間進(jìn)行匹配時(shí)尤為突出。上述缺陷都影響了自養(yǎng)模式在排放硝酸的處理中，特別是硝酸根濃度較高、廢水產(chǎn)生量較大的情況下的應(yīng)用。通過增加人工光照并改進(jìn)開放池的工藝參數(shù)，可以提高微藻自養(yǎng)利用硝酸的效率，減弱自然條件對硝酸轉(zhuǎn)化的影響。

　　對于能夠進(jìn)行異養(yǎng)生長的微藻來說，大多數(shù)情況下異養(yǎng)生長速率都遠(yuǎn)高于自養(yǎng)生長速率。通過外加有機(jī)物作為碳源和能源，微藻在異養(yǎng)模式下能夠快速從環(huán)境中吸收各種營養(yǎng)，在短時(shí)間內(nèi)積累大量生物質(zhì)。由于有機(jī)物的能量密度遠(yuǎn)大于自然光，因此微藻在異養(yǎng)狀態(tài)下的生長通常遠(yuǎn)快于自養(yǎng)生長。例如，Scaife等報(bào)道，小球藻在自養(yǎng)條件下的生物量積累速率為3.3g/(L?d)，而異養(yǎng)條件下這一指標(biāo)可以達(dá)到84.5g/(L?d)。由于異養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)向微藻培養(yǎng)體系中添加了有機(jī)物(主要是葡萄糖)，為了避免細(xì)菌等污染物種的快速繁殖，微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)必須在封閉式反應(yīng)器中進(jìn)行，包括培養(yǎng)環(huán)境、藻種、添加的營養(yǎng)液在內(nèi)的各種養(yǎng)殖要素都必須經(jīng)過除菌處理。微藻的兼養(yǎng)養(yǎng)殖模式是在異養(yǎng)模式的基礎(chǔ)上增加了人工光照，研究顯示這一方式能夠進(jìn)一步提高微藻的生長速率。Li等報(bào)道，小球藻(Chlorella)在兼養(yǎng)模式下的比生長速率可以達(dá)到異養(yǎng)培養(yǎng)的1.8倍。在兼養(yǎng)狀態(tài)下，微藻自養(yǎng)生長和異養(yǎng)生長同時(shí)進(jìn)行，二者之間存在疊加與協(xié)同效應(yīng)。使用微藻異養(yǎng)/兼養(yǎng)生長模式進(jìn)行硝酸的同化利用，具有占地面積小、處理效率高、能夠利用發(fā)酵工業(yè)廣泛應(yīng)用的培養(yǎng)工藝與設(shè)備、技術(shù)條件成熟、養(yǎng)殖條件易于控制等優(yōu)勢，是較為理想的對工業(yè)排放硝酸進(jìn)行處理的技術(shù)。但微藻的異養(yǎng)/兼養(yǎng)需要使用封閉式反應(yīng)器、設(shè)備投資較高、操作流程復(fù)雜、工藝連續(xù)性較差，目前主要應(yīng)用于高附加值微藻產(chǎn)品的生產(chǎn)。在將異養(yǎng)模式應(yīng)用于硝酸處理時(shí)，需要對反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、微藻培養(yǎng)技術(shù)以及廢水處理工藝加以改進(jìn)，進(jìn)一步提高效率與操作連續(xù)性，來降低硝酸轉(zhuǎn)化裝置的建設(shè)成本和運(yùn)行成本。

　　4、微藻轉(zhuǎn)化工業(yè)排放硝酸的影響因素

　　在利用微藻養(yǎng)殖對含硝酸廢水進(jìn)行處理的技術(shù)研發(fā)過程中，生物、過程工程與工藝技術(shù)等領(lǐng)域都存在許多因素，會(huì)對硝酸脫除的效率和成本產(chǎn)生影響。在工藝開發(fā)過程中，需要對這些因素進(jìn)行充分的考慮與優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)對含硝酸廢水的低成本高效處理。

　　4.1 藻種

　　并非所有的微藻都能以硝態(tài)氮作為生長的氮源，因此選擇能夠同化利用硝酸根的微藻藻種就成為了用微藻處理工業(yè)排放硝酸時(shí)首先要解決的問題。另一方面，微藻細(xì)胞的氮同化與細(xì)胞生長過程是緊密耦合的，被利用的硝態(tài)氮主要以蛋白質(zhì)的形式被固定在細(xì)胞中，微藻細(xì)胞的生長速度與蛋白質(zhì)含量也都影響著硝酸的轉(zhuǎn)化效率。因此，需要選育能夠利用硝酸根、生長速度快、蛋白質(zhì)含量較高的微藻藻種用于工業(yè)排放硝酸的轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)篩選方法相比，高通量篩選技術(shù)大大縮短了選育具有特定優(yōu)良性狀藻種的時(shí)間，有利于快速獲得硝酸清除效率高的藻種。此外，微藻的遺傳改造也是獲得具有優(yōu)良性狀的藻種的有力工具。

　　4.2 工業(yè)排放硝酸性質(zhì)

　　工業(yè)排放物的來源千差萬別，需要對含硝酸水體的性質(zhì)進(jìn)行分析，來確定是否能夠直接進(jìn)行微藻處理，以及是否需要進(jìn)行預(yù)處理。首先，微藻細(xì)胞作為生物體，對外界環(huán)境具有一定敏感性，用于進(jìn)行微藻處理的工業(yè)排放水不能含有對微藻細(xì)胞具有毒性的物質(zhì)，例如過氧化物、高濃度有機(jī)溶劑等。以苯法制己內(nèi)酰胺工藝外排廢水為例，其中除含有NO₃^-、PO₄^3-、SO₄^2-等可作為微藻生長的營養(yǎng)之外，還含有苯和環(huán)己酮等有機(jī)成分以及微量的H2O2。需要通過實(shí)驗(yàn)來研究這些成分對微藻生長產(chǎn)生的影響以及應(yīng)對手段，包括耐受性藻種選育、廢水添加工藝優(yōu)化與廢水預(yù)處理等。其次，盡管微藻細(xì)胞具有吸收、固定某些重金屬離子等物質(zhì)的能力，但考慮到微藻下游產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，作為食品、保健品、飼料等行業(yè)原料的微藻，其生產(chǎn)過程應(yīng)避免使用含有重金屬離子的原料。原國家技術(shù)監(jiān)督局(現(xiàn)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局)早在1997年就發(fā)布了食用螺旋藻的國家標(biāo)準(zhǔn)，其中對螺旋藻粉產(chǎn)品的重金屬(鉛、砷、鎘、汞)含量給出了明確的限制。2017年新發(fā)布的飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中也對飼料原料螺旋藻粉的重金屬含量及其測定方法做出了規(guī)定。這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與實(shí)施都使得微藻產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的安全性驗(yàn)證工作有章可循。由于微藻產(chǎn)品中所含的重金屬絕大多數(shù)來源于生產(chǎn)原料，因此對微藻培養(yǎng)所用工業(yè)廢水的種類就必須進(jìn)行嚴(yán)格的選擇，保證生產(chǎn)得到的微藻產(chǎn)品滿足國家、地方與行業(yè)各項(xiàng)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。另外，正如前面所述，NH₄⁺的存在會(huì)影響微藻細(xì)胞對NO₃^-的消耗。為了保證NO₃^-的高效清除，廢水中NH₄⁺的濃度不宜過高。除上述因素以外，工業(yè)排放硝酸的濃度、pH、溫度、有機(jī)物含量等理化性質(zhì)都會(huì)對微藻的生長產(chǎn)生影響，在工藝設(shè)計(jì)過程中都需要加以考慮，設(shè)計(jì)有針對性的預(yù)處理流程與廢水補(bǔ)加工藝來降低對微藻生長的影響，實(shí)現(xiàn)工業(yè)排放硝酸清除裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。例如，工業(yè)排放的含硝酸廢水在未進(jìn)行堿中和或堿中和不完全的情況下通常pH較低。如果低pH廢水的加入對微藻培養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定控制產(chǎn)生不利影響，則需要進(jìn)行一定的pH調(diào)節(jié)才能用于微藻培養(yǎng)。含硝酸廢水的添加本身也可以作為微藻培養(yǎng)pH控制的一種手段。

　　4.3 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與處理工藝

　　微藻的生長和硝酸的轉(zhuǎn)化都在生物反應(yīng)器中進(jìn)行，在確定了處理技術(shù)路線后，就需要根據(jù)微藻藻種、水處理規(guī)模、現(xiàn)場條件等因素選擇合適的反應(yīng)器類型，并對具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)。例如，由于許多小球藻藻種能夠以葡萄糖為碳源快速生長，因此在使用小球藻進(jìn)行硝酸轉(zhuǎn)化時(shí)通?？梢赃x擇異養(yǎng)/兼養(yǎng)技術(shù)路線，采用光照發(fā)酵罐的形式進(jìn)行小球藻(Chlorella)的培養(yǎng)和硝酸的同化。螺旋藻(Spirulina)蛋白質(zhì)含量高，相同生物量的情況下能夠固定更多的氮元素，生物質(zhì)利用價(jià)值也較高，是優(yōu)秀的硝酸利用備選藻種。但螺旋藻(Spirulina)大多不能進(jìn)行異養(yǎng)生長，因此以自養(yǎng)方式進(jìn)行處理為宜。

　　4.3.1 微藻自養(yǎng)處理工藝

　　在微藻自養(yǎng)處理硝酸廢水的實(shí)踐中，可以使用簡單的開放池，也可以設(shè)計(jì)新型的封閉/半封閉式光生物反應(yīng)器，通過處理工藝的改進(jìn)來提高光能的利用率和微藻的生長速率，彌補(bǔ)自養(yǎng)生長效率較低的短板，從而達(dá)到高效利用硝酸的目的。例如，使用光生物反應(yīng)器將雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)培養(yǎng)的光照強(qiáng)度從50μmol/(m2?s)提高至100μmol/(m2?s)后，硝酸清除速率從8.48mg/(L?d)提升至40mg/(L?d)。將萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)培養(yǎng)過程中的光照強(qiáng)度從400μmol/(m2?s)提升至1000μmol/(m2?s)后，硝酸的清除速率由2.2mg/(L?d)提高至6.3mg/(L?d)。光照時(shí)間方面，與自然光照的光暗交替相比，人工光源的連續(xù)光照通常能夠提高微藻生物量的積累速率和硝酸根的消耗速率。Lee等報(bào)道，連續(xù)光照自養(yǎng)條件下克氏小球藻(Chlorellakessleri)的硝酸清除速率[10.5mg/(L?d)]高于12h光暗周期條件[4.6mg/(L?d)]。此外，人工光源的光質(zhì)也是提高光能利用效率、降低能耗的一個(gè)因素。微藻通過細(xì)胞內(nèi)的色素捕獲光能，不同的色素分子具有不同的吸收譜。自然光的連續(xù)波譜中有很大一部分未能被微藻細(xì)胞吸收而被浪費(fèi)。單色LED(light-emittingdiodes，發(fā)光二極管)光源具有較窄的發(fā)射譜，寬度通常在20～30nm。因此，可以通過對多種單色LED進(jìn)行組合，將發(fā)射波長集中在微藻能夠吸收的波長范圍內(nèi)，盡可能地減少非吸收波長的光強(qiáng)度，就能夠在消耗更少電能的條件下達(dá)到相同的光照效果。

　　4.3.2 微藻異養(yǎng)/兼養(yǎng)處理工藝

　　在微藻異養(yǎng)/兼養(yǎng)處理硝酸廢水時(shí)，主要采用發(fā)酵罐或光照發(fā)酵罐作為反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行微藻培養(yǎng)。由于通氣深層發(fā)酵工藝在微生物、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)有了長時(shí)間、大規(guī)模的應(yīng)用，因此微藻異養(yǎng)/兼養(yǎng)清除硝酸工藝可以借鑒發(fā)酵工業(yè)的設(shè)備與相應(yīng)的工藝優(yōu)化技術(shù)流程。例如，由于葡萄糖對NO₃^-的吸收具有重要影響，因此通過單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)、響應(yīng)面法等方法對微藻異養(yǎng)/兼養(yǎng)培養(yǎng)環(huán)境中碳源、氮源的濃度及其比例進(jìn)行優(yōu)化，是提高微藻氮同化效率的一個(gè)有效途徑。微藻異養(yǎng)裝置的運(yùn)行成本中，碳源(主要是葡萄糖)的成本占了很大的比例。而使用廢甘油(來自生物柴油生產(chǎn)過程)以及廢糖蜜(來自制糖工業(yè))等廉價(jià)的有機(jī)副產(chǎn)物或廢料作為微藻培養(yǎng)的碳源和能源，則能夠降低微藻培養(yǎng)與廢水處理的成本。其他低成本有機(jī)質(zhì)，例如木質(zhì)纖維素、淀粉水解液與乳清等應(yīng)用于微藻培養(yǎng)的可能性也在不斷被研究者所證實(shí)。利用廢水處理裝置附近的有機(jī)廢水(例如畜禽養(yǎng)殖廢水)作為微藻養(yǎng)殖所需的有機(jī)物來源，也是降低廢水處理成本的一種有效手段。畜禽養(yǎng)殖廢水可以與工業(yè)廢水復(fù)配進(jìn)行微藻養(yǎng)殖，微藻產(chǎn)品又為養(yǎng)殖業(yè)提供飼料原料，有望形成循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。在反應(yīng)器形式方面，盡管傳統(tǒng)的通氣發(fā)酵罐可以用于微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)，但通過反應(yīng)器形式與材質(zhì)的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提升與能耗物耗降低仍然是值得關(guān)注的研究方向。

　　5、微藻轉(zhuǎn)化工業(yè)排放硝酸的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

　　在傳統(tǒng)的反硝化池處理含硝酸廢水的工藝中，反硝化細(xì)菌以硝酸根為氮源生長，廢水處理池中最后會(huì)因?yàn)榧?xì)菌增殖而得到大量的含菌活性污泥，隨后通過減量化處理后填埋。這一方式雖然實(shí)現(xiàn)了廢水中硝酸的脫除，但沒有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，廢水處理裝置的建設(shè)與運(yùn)行成本完全需要由產(chǎn)生廢水的工業(yè)過程收益來補(bǔ)償，而且將液體廢物轉(zhuǎn)化為具有一定危險(xiǎn)性的固體廢物，帶來了新的廢物處置成本。環(huán)保裝置建設(shè)投資與運(yùn)行成本高、影響工業(yè)企業(yè)盈利能力成為了環(huán)境治理工作推進(jìn)阻力較大的一個(gè)癥結(jié)。而利用微藻對工業(yè)排放污染物進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)化，則有望突破這一困境，為環(huán)境保護(hù)工作帶來一個(gè)新的思路。

　　微藻生物質(zhì)是生產(chǎn)生物能源、生物活性物質(zhì)和生物材料的優(yōu)良原料，具有非常高的附加值。在生物能源方面，可以使用微藻生產(chǎn)的燃料類型包括油脂、氫、類異戊二烯、乙醇和甲烷等。一些種類的微藻[例如小球藻(Chlorella)、柵藻(Scenedesmus)等]可以在細(xì)胞內(nèi)積累油脂，總脂含量可達(dá)細(xì)胞干重的50%以上。藻油中富含的中性脂(包括甘油三酯與游離脂肪酸)通過加工能夠生產(chǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)的生物柴油。油脂提取后剩余的微藻生物質(zhì)可以通過綜合煉制生產(chǎn)低碳烷烴與低級(jí)醇等生物能源。在生物活性物質(zhì)方面，以蝦青素與DHA為代表的次級(jí)代謝物和以微藻蛋白為代表的微藻生物質(zhì)在食品、保健、畜牧水產(chǎn)等領(lǐng)域均有著廣闊的市場空間。以飼料為例，目前飼料工業(yè)廣泛使用的蛋白補(bǔ)充劑主要包括豆粕和魚粉。螺旋藻(Spirulina)的蛋白質(zhì)含量可以超過細(xì)胞干重的60%，氨基酸的種類與含量平衡性也很好，是非常優(yōu)秀的魚粉替代物。事實(shí)上，全球螺旋藻產(chǎn)量的50%已被用作飼料原料或飼料添加劑。在生物材料方面，微藻具有單細(xì)胞生長的特征，比表面積大，是非常好的制備納米材料與吸附材料的原料?？梢钥闯觯⒃遒Y源的開發(fā)能夠?yàn)槿祟惤鉀Q能源、環(huán)境、健康等諸多問題提供新的模式，微藻細(xì)胞及其產(chǎn)品的市場價(jià)值也正在不斷增長。利用微藻處理工業(yè)排放硝酸，一方面可以清除硝酸外排對環(huán)境產(chǎn)生的壓力，更重要的是微藻產(chǎn)品帶來的經(jīng)濟(jì)效益反過來能夠降低硝酸處理裝置的綜合運(yùn)行成本。通過經(jīng)濟(jì)手段，有效增強(qiáng)企業(yè)對環(huán)境保護(hù)的重視程度，提高企業(yè)主動(dòng)進(jìn)行污染治理的積極性，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，真正成為“綠水青山就是金山銀山”這一科學(xué)論斷的有力注解。

　　6、結(jié)語

　　使用微藻對工業(yè)排放的硝酸進(jìn)行轉(zhuǎn)化是一種科學(xué)上合理、技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上劃算的新型環(huán)保技術(shù)。這一技術(shù)將微藻養(yǎng)殖與水處理技術(shù)相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)清除工業(yè)排放硝酸帶來社會(huì)效益、環(huán)境效益的同時(shí)，還能夠通過微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。這一結(jié)合為環(huán)保產(chǎn)業(yè)和微藻產(chǎn)業(yè)都提供了新的機(jī)遇。對于環(huán)保產(chǎn)業(yè)來說，微藻處理是一種對高濃度工業(yè)排放硝酸進(jìn)行轉(zhuǎn)化的新技術(shù)，可以作為常規(guī)活性污泥反硝化處理的高效替代方案;對于微藻產(chǎn)業(yè)來說，以工業(yè)排放(包括CO2、無機(jī)氮、無機(jī)磷)作為微藻養(yǎng)殖的營養(yǎng)，降低了微藻養(yǎng)殖的成本，提高了微藻產(chǎn)品的市場競爭力?，F(xiàn)階段，使用微藻對各種排放物進(jìn)行處理的技術(shù)正處在飛速發(fā)展的過程中，微藻處理工業(yè)煙氣、養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)廢水、生活污水、工業(yè)氨氮廢水等已有了一定的工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這都為用微藻轉(zhuǎn)化工業(yè)排放硝酸奠定了一定的基礎(chǔ)。除微藻外，以水綿(Spirogyra)為代表的一些多細(xì)胞大型藻類在環(huán)境領(lǐng)域，特別是污水處理方面的研究也有了一些報(bào)道，有望成為藻類生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的另一個(gè)方面。中國石化石油化工科學(xué)研究院經(jīng)過多年研究，開發(fā)了使用微藻對石化工業(yè)排放物中的硝態(tài)氮進(jìn)行脫除的技術(shù)，并針對中國石化所屬煉化企業(yè)己內(nèi)酰胺裝置與乙二醇裝置外排的含硝酸廢水進(jìn)行了放大實(shí)驗(yàn)，對硝酸清除速率、微藻生物量積累速率、廢水處理工藝以及成本等參數(shù)進(jìn)行了綜合評(píng)估與分析，目前正在進(jìn)行工業(yè)側(cè)線與示范裝置的建設(shè)與運(yùn)行試驗(yàn)。當(dāng)然，在微藻生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的過程中，藻種的篩選和改造、光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、工藝流程的優(yōu)化、微藻產(chǎn)品加工處理技術(shù)等方面還有進(jìn)一步研究和完善的空間。相信通過科研領(lǐng)域與工程技術(shù)領(lǐng)域的不斷努力，微藻一定會(huì)為提高人類的生活質(zhì)量、改善人類的生存環(huán)境、破解環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾發(fā)揮更為重要的作用。(來源：中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院)