? ? ? ? 說起利用污水和微藻共生資源化的理念，不得不聊起2012年TED大會的一個演講，嘉賓是美國NASA的科學(xué)家Jonathan Trent博士。當(dāng)時他擔(dān)任NASA一個名為OMEGA（離岸微藻閉環(huán)養(yǎng)殖計劃）項目的首席科學(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地的大事業(yè)：本可導(dǎo)致富營養(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，同時凈化污水的“超級英雄”。更重要的是，生物轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)出的油脂可以加工成燃料，同時因其富含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，在某種程度上推動了微藻污水處理的研發(fā)力度。但最終，NASA并沒有給OMEGA項目續(xù)約，Trent博士描繪的那幅整合了污水處理、可再生太陽能、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法實現(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模樣了。
曾被譽為未來生物質(zhì)超新星的微藻什么時候能夠兌現(xiàn)潛力？這個問題現(xiàn)在仍很難回答。不過，借用Trent博士的話說：“正如愛迪生所說，我們發(fā)現(xiàn)了一萬個行不通的辦法。”只有繼續(xù)埋首研究，不斷試錯，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,簡稱MPBR）。有研究報道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MPBR的運行參數(shù)和表現(xiàn)進(jìn)行評估。這次研究使他們對關(guān)鍵參數(shù)的測量和解讀有了新的認(rèn)識，其在IWA國際水協(xié)會期刊《Water Research》上發(fā)表了相關(guān)的研究成果。
生物質(zhì)測定哪種方法好?
對于MPBR的效率評估，研究團隊對五大方面進(jìn)行了考察，包括生物質(zhì)濃度、組成、產(chǎn)率、營養(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)胞計數(shù)和稱重法是兩大測定方法，后者其實就是測MLSS或者M(jìn)LVSS。此前關(guān)于MPBR的研究大多采用稱重法，因為這方法常用于MBR；而細(xì)胞計數(shù)本來就是傳統(tǒng)藻類反應(yīng)器生物質(zhì)的測定方法。澳大利亞團隊這次研究的一大目的就是對比這兩種測定方法的優(yōu)劣。
流式細(xì)胞儀的檢測發(fā)現(xiàn)，非藻類物質(zhì)會在反應(yīng)器里積聚，因此稱重法不足以精確量化生物質(zhì)濃度。研究團隊提出細(xì)胞計數(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
通過上述檢測，研究團隊發(fā)現(xiàn)除了細(xì)胞計數(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。其中一個影響因素是自發(fā)絮凝（Auto flocculation）。自發(fā)絮凝可因為高pH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。研究團隊首次提出用毛細(xì)吸水時間(CST)作為評估MPBR分離采收潛力的指示因子。
除了CST，他們還對絮體尺寸和分形維數(shù)兩個參數(shù)進(jìn)行測定。如下圖所示，左圖的三個峰分別代表細(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)有很強的相關(guān)性（r=0.88）(參考圖4)。研究人員由此推測，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)鍵運行參數(shù)，他們決定了營養(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，研究團隊的實驗發(fā)現(xiàn)，HRT超過3天，和SRT超過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：（a）細(xì)胞計數(shù)；（b）不同組分的平均比例
總的來說，更低的HRT和SRT有利于微藻快速生長，活性更高，異養(yǎng)培養(yǎng)基更少；然而延長HRT和SRT可以提高氮磷去除率和采收潛力。該結(jié)果說明了運行人員要根據(jù)對微藻采收的要求以及污水處理的標(biāo)準(zhǔn)，來為MPBR工藝選擇合適的運行條件（例如HRT和SRT）。
小結(jié)
總的而言，澳洲團隊的這次研究對MPBR的表現(xiàn)做了一個系統(tǒng)性評估，并且對如何優(yōu)化運行效率有了新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識，尤其是對不同的HRT和SRT的應(yīng)用：如果要提高藻類細(xì)胞的生長速度，并降低對營養(yǎng)物的要求，可以采用更低的HRT和SRT；延長HRT和SRT會得到更多的細(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。這說明在日后的研究里，研究者要基于實際需求，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)胞計數(shù)/MLSS等新參數(shù)，也將幫助其他研究人員更好地評估其他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
