? ? ? ? 說(shuō)起利用污水和微藻共生資源化的理念，不得不聊起2012年TED大會(huì)的一個(gè)演講，嘉賓是美國(guó)NASA的科學(xué)家Jonathan Trent博士。當(dāng)時(shí)他擔(dān)任NASA一個(gè)名為OMEGA（離岸微藻閉環(huán)養(yǎng)殖計(jì)劃）項(xiàng)目的首席科學(xué)家。
這些小到要在顯微鏡下才能看得清的水藻居然可以干出驚天動(dòng)地的大事業(yè)：本可導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的“大反派”，給它合適的條件和空間，卻可以變成捕捉二氧化碳，同時(shí)凈化污水的“超級(jí)英雄”。更重要的是，生物轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)出的油脂可以加工成燃料，同時(shí)因其富含DHA、EPA等物質(zhì)，可以開發(fā)出一系列健康食品或醫(yī)藥品。這讓更多人看到污水處理和微藻生物質(zhì)加工結(jié)合的光明前景。
Trent博士的研究得到了NASA的背書，在某種程度上推動(dòng)了微藻污水處理的研發(fā)力度。但最終，NASA并沒(méi)有給OMEGA項(xiàng)目續(xù)約，Trent博士描繪的那幅整合了污水處理、可再生太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、水產(chǎn)養(yǎng)殖和生物質(zhì)能的恢弘畫面至今也還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。除了開放池藻塘，下面這種光生物反應(yīng)器算是目前微藻污水處理的高級(jí)模樣了。
曾被譽(yù)為未來(lái)生物質(zhì)超新星的微藻什么時(shí)候能夠兌現(xiàn)潛力？這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在仍很難回答。不過(guò)，借用Trent博士的話說(shuō)：“正如愛迪生所說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)了一萬(wàn)個(gè)行不通的辦法?！敝挥欣^續(xù)埋首研究，不斷試錯(cuò)，才有新的發(fā)現(xiàn)。
近年MBR膜生物反應(yīng)器的發(fā)展也衍生出膜式光生物反應(yīng)器（英文Membrane Photobioreactor,簡(jiǎn)稱MPBR）。有研究報(bào)道MPBR不僅可以生產(chǎn)高濃度的生物質(zhì)，而且脫氮除磷的效果也很顯著。主要原因是MPBR可以分開控制HRT和SRT。但膜技術(shù)也增加了運(yùn)行和維護(hù)的復(fù)雜度。澳大利亞新南威爾士大學(xué)的科學(xué)家最近就對(duì)MPBR的運(yùn)行參數(shù)和表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。這次研究使他們對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量和解讀有了新的認(rèn)識(shí)，其在IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)期刊《Water Research》上發(fā)表了相關(guān)的研究成果。
生物質(zhì)測(cè)定哪種方法好?
對(duì)于MPBR的效率評(píng)估，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)五大方面進(jìn)行了考察，包括生物質(zhì)濃度、組成、產(chǎn)率、營(yíng)養(yǎng)吸收率和采收潛力。生物質(zhì)濃度是MPBR的關(guān)鍵表現(xiàn)參數(shù)。細(xì)胞計(jì)數(shù)和稱重法是兩大測(cè)定方法，后者其實(shí)就是測(cè)MLSS或者M(jìn)LVSS。此前關(guān)于MPBR的研究大多采用稱重法，因?yàn)檫@方法常用于MBR；而細(xì)胞計(jì)數(shù)本來(lái)就是傳統(tǒng)藻類反應(yīng)器生物質(zhì)的測(cè)定方法。澳大利亞團(tuán)隊(duì)這次研究的一大目的就是對(duì)比這兩種測(cè)定方法的優(yōu)劣。
流式細(xì)胞儀的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，非藻類物質(zhì)會(huì)在反應(yīng)器里積聚，因此稱重法不足以精確量化生物質(zhì)濃度。研究團(tuán)隊(duì)提出細(xì)胞計(jì)數(shù)/MLSS的比值作為指示參數(shù)能更好地反映異養(yǎng)生物質(zhì)濃度。
基于合成廢水的MPBR系統(tǒng)流程圖
通過(guò)上述檢測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)除了細(xì)胞計(jì)數(shù)/MLSS比例，細(xì)胞活性、細(xì)菌比例等表現(xiàn)參數(shù)都給MPBR的運(yùn)行提供了新的認(rèn)知途徑。
微藻自發(fā)絮凝
藻細(xì)胞分離、采收困難是限制微藻技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要瓶頸。其中一個(gè)影響因素是自發(fā)絮凝（Auto flocculation）。自發(fā)絮凝可因?yàn)楦遬H誘導(dǎo)或者胞外聚合物(EPS)引起。自發(fā)絮凝程度越高，后續(xù)處理成本越低。研究團(tuán)隊(duì)首次提出用毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)作為評(píng)估MPBR分離采收潛力的指示因子。
除了CST，他們還對(duì)絮體尺寸和分形維數(shù)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。如下圖所示，左圖的三個(gè)峰分別代表細(xì)菌、微藻和絮體的尺寸。在純培養(yǎng)基里，C.vulgaris細(xì)胞主要以分散形式存在，而在MPBR里則形成絮體，而且絮體尺寸從22.9增至44.6mm，增長(zhǎng)近一倍。這是自發(fā)絮凝引起的。MPBR發(fā)現(xiàn)的絮體大于此前PBR相關(guān)研究的尺寸（8-20mm），但遠(yuǎn)小于明礬和鐵鹽絮凝劑形成的微藻絮體（尺寸范圍在500-900mm左右），也小于傳統(tǒng)的活性污泥絮體(55-311 mm)。分析顯示絮體大小和MPBR里的細(xì)菌數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性（r=0.88）(參考圖4)。研究人員由此推測(cè)，利用藻類-細(xì)菌的相互作用可以改善MPBR生物質(zhì)的采收潛力。
此外，CST的測(cè)定結(jié)果則顯示MPBR生物質(zhì)的脫水能力跟絮體體積關(guān)系不大，生物質(zhì)濃度似乎是影響脫水性能的主要因素。
SRT和HRT
HRT和SRT是MPBR的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，他們決定了營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷和反應(yīng)器的處理能力，生物質(zhì)的許多特性都跟它們有關(guān)。傳統(tǒng)PBR的HRT需要超過(guò)5天以避免生物質(zhì)的沖刷流失，但MPBR的HRT可以低于2天。這不僅有利于生物質(zhì)產(chǎn)能（更高的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷），還減低了投資成本。但之前研究顯示HRT的降低不利于污水處理的效率，而關(guān)于MPBR的SRT研究顯示相對(duì)較低的SRT（約10天）有助得到更高的生物質(zhì)產(chǎn)率。
如下圖6a所示，研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HRT超過(guò)3天，和SRT超過(guò)30天都降低了生物質(zhì)濃度，理想的HRT應(yīng)該1天左右，而SRT在18-30天之間。不同組分的比例分布（圖6b）結(jié)果跟圖6a也是吻合的。
MPBR在不同HRT和SRT下的特點(diǎn)：（a）細(xì)胞計(jì)數(shù)；（b）不同組分的平均比例
總的來(lái)說(shuō)，更低的HRT和SRT有利于微藻快速生長(zhǎng)，活性更高，異養(yǎng)培養(yǎng)基更少；然而延長(zhǎng)HRT和SRT可以提高氮磷去除率和采收潛力。該結(jié)果說(shuō)明了運(yùn)行人員要根據(jù)對(duì)微藻采收的要求以及污水處理的標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)為MPBR工藝選擇合適的運(yùn)行條件（例如HRT和SRT）。
小結(jié)
總的而言，澳洲團(tuán)隊(duì)的這次研究對(duì)MPBR的表現(xiàn)做了一個(gè)系統(tǒng)性評(píng)估，并且對(duì)如何優(yōu)化運(yùn)行效率有了新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)不同的HRT和SRT的應(yīng)用：如果要提高藻類細(xì)胞的生長(zhǎng)速度，并降低對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的要求，可以采用更低的HRT和SRT；延長(zhǎng)HRT和SRT會(huì)得到更多的細(xì)菌，從而獲得更顯著的自發(fā)絮凝效果，以及更高的氮磷去除率。這說(shuō)明在日后的研究里，研究者要基于實(shí)際需求，在不同的HRT和SRT之間取得平衡。另一方面，他們發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞計(jì)數(shù)/MLSS等新參數(shù)，也將幫助其他研究人員更好地評(píng)估其他MPBR系統(tǒng)的優(yōu)劣。
參考資料
Assessment of membrane photobioreactor(MPBR)performance parameters and operating conditions，Yunlong Luo,Pierre Le-Clech,Rita K.Henderson,Water Research 138(2018)169-180,https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.03.050
