水污染物的種類(lèi)繁多，其中含氮排放物，特別是含硝酸根離子的廢水，給人類(lèi)健康、生態(tài)環(huán)境都帶來(lái)了嚴重的威脅。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，這一數值會(huì )發(fā)生幾個(gè)數量級的升高。在世界各地，自然水體硝酸根濃度過(guò)高導致飲用水中硝酸鹽超標的情況時(shí)有發(fā)生。攝入體內的硝酸鹽會(huì )在胃中轉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，降低了紅細胞的攜氧能力。而環(huán)境水體中氮含量過(guò)高導致的富營(yíng)養化、水體老化等現象也帶來(lái)了嚴重的生態(tài)災難，而且水環(huán)境的恢復更是極為困難與漫長(cháng)。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(cháng)的過(guò)程中需要吸收含氮物質(zhì)作為營(yíng)養。某些藻類(lèi)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化工業(yè)排放硝酸并開(kāi)發(fā)相應技術(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菌的反硝化作用，將硝態(tài)氮還原為氮氣，釋放到大氣中。但由于反硝化細菌生長(cháng)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(wú)法處理高濃度的含硝酸廢水，需要用大量的水進(jìn)行稀釋?zhuān)嫉孛娣e大，導致廢水處理成本高。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(wèn)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)氮還原為氮氣或氨。這種方法需要投加大量藥劑，可能會(huì )帶來(lái)新的污染，還原產(chǎn)生的氨態(tài)氮也是嚴重的污染物，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。這種方法將硝酸轉化為硝酸鹽，實(shí)際只是解決了廢水pH偏低的問(wèn)題，并沒(méi)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)行轉移，未能實(shí)現從根本上清除硝態(tài)氮?？梢钥闯?，目前的技術(shù)還存在成本高、帶來(lái)二次污染和氮元素資源化利用程度低等問(wèn)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

　　2.1 微藻

　　微藻是一類(lèi)個(gè)體微小、種類(lèi)繁多、能進(jìn)行光合作用的浮游植物。微藻可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是原核微藻，以藍藻為主，又稱(chēng)為藍細菌，包括螺旋藻、顫藻、念珠藻等種類(lèi)。原核微藻細胞內含有光合色素，但不形成葉綠體，細胞結構與革蘭氏陰性細菌相近。另一類(lèi)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(lèi)。真核微藻以單細胞或簡(jiǎn)單細胞組合的形式存在，沒(méi)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)現有不同類(lèi)別的藻類(lèi)生長(cháng)。與高等植物相比，微藻具有生長(cháng)快、環(huán)境適應性強、能夠以多種方式進(jìn)行培養、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)，能夠降低培養過(guò)程的能耗。因此微藻是一種具有工業(yè)化應用前景的生物。

　　2.2 微藻的氮同化

　　生物體在生長(cháng)過(guò)程中需要含有各種元素的營(yíng)養物質(zhì)，其中大量元素包括C、H、O、N、P、S等。微藻也不例外，生長(cháng)過(guò)程中需要從培養環(huán)境中吸收營(yíng)養物質(zhì)。在自養條件下，微藻以溶于水中的CO2(包括HCO₃^-、CO₃^2-等形式)作為碳源。在異養條件下，微藻以含碳有機物作為碳源，例如葡萄糖、乙酸、甘油等。在兼養條件下，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(wú)機氮源(硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽)和有機氮源(尿素、氨基酸等)。據估計，海洋中藻類(lèi)生長(cháng)所需的氮元素大約有20%來(lái)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(cháng)，吸收培養環(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(guò)轉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(lái)說(shuō)，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(cháng)，而絕大多數原綠球藻(Prochlorococcusspp.)則無(wú)法利用這兩種氮源物質(zhì)。從整體上看，銨態(tài)氮的存在對細胞同化硝酸根的過(guò)程具有抑制作用，反映了細胞對銨態(tài)氮的偏好性。盡管NH₄⁺可以作為微藻生長(cháng)的氮源，但過(guò)高濃度的NH₄⁺具有細胞毒性，大多數微藻對NH₄⁺的耐受閾值小于50mmol/L；而微藻細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160mmol/L的NO3-濃度下正常生長(cháng)。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(guò)程。對于真核微藻，硝酸根離子通過(guò)細胞膜上的跨膜載體蛋白運輸進(jìn)細胞中，在硝酸還原酶的作用下還原為亞硝酸根并通過(guò)載體運輸進(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)入細胞基本代謝的氮代謝通路，通過(guò)轉氨基作用形成氨基酸，最終用于合成蛋白質(zhì)。兩次跨膜運輸和多次還原組成了微藻對硝態(tài)氮進(jìn)行同化的過(guò)程。

　　2.3.1 硝酸根/亞硝酸根的跨膜運輸

　　硝酸根從細胞外跨膜運輸進(jìn)入細胞內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/亞硝酸根的跨膜運輸過(guò)程受到了嚴密的調控，有許多不同類(lèi)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)。許多硝酸根跨膜運輸載體表現出雙功能性，對硝酸根和亞硝酸根都具有運輸作用，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(lèi)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(lèi)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還原至一氧化氮(NO)。NO在細胞內是一種非常重要的信號分子，參與了多種生理活動(dòng)的調節。例如，由于NO來(lái)自亞硝酸根，亞硝酸根水平的升高會(huì )導致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介導的磷酸化的抑制，從而減少對細胞具有毒性的亞硝酸根的積累，形成硝酸還原代謝過(guò)程的轉錄后負調控。

　　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]的鐵硫中心結構。

　　由于NO₃^-的運輸與同化都需要相應蛋白質(zhì)發(fā)揮功能，而蛋白質(zhì)的合成需要能量，因此細胞內的能量供應就尤為重要。對于能夠進(jìn)行光合自養的微藻來(lái)說(shuō)，NO₃^-的利用依賴(lài)于光合作用提供能量，因此改善微藻細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。而對于在兼養或異養條件下生長(cháng)的微藻來(lái)說(shuō)，以有機物，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。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、微藻轉化工業(yè)排放硝酸的技術(shù)路線(xiàn)

　　由于微藻的氮同化是在藻細胞生長(cháng)的過(guò)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(lái)看，就是用工業(yè)排放硝酸作為微藻培養的營(yíng)養物。由于微藻具有不同的生長(cháng)方式與養殖模式，與之相應的也就有不同的硝酸處理技術(shù)路線(xiàn)。

　　3.1 微藻的生長(cháng)方式

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

　　3.2 微藻清除硝酸的技術(shù)路線(xiàn)

　　自養養殖是目前大規模微藻養殖主要使用的養殖模式。在微藻的商業(yè)化大規模養殖中，為了降低成本，主要使用開(kāi)放式光生物反應器進(jìn)行養殖，以結構簡(jiǎn)單的跑道池為典型代表。微藻養殖跑道池深度通常為0.2～0.4m，藻液通過(guò)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菌、浮游動(dòng)物等對微藻生長(cháng)的影響，研究者也報道了一系列封閉式光生物反應器，例如管道式、平板式、薄膜式等形式的光生物反應器。封閉式反應器將微藻養殖體系與外界環(huán)境隔離開(kāi)，很大程度上降低了微藻養殖中發(fā)生病蟲(chóng)害的可能性，同時(shí)通過(guò)設計合理的反應器結構來(lái)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，有報道顯示柵藻在管道式反應器中培養時(shí)的硝酸清除能力是開(kāi)放池的10倍以上。封閉式培養獲得的高質(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(kāi)放培養方式。使用微藻自養生長(cháng)模式進(jìn)行含硝酸廢水的處理，具有流程簡(jiǎn)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，微藻的自養生長(cháng)總體上仍較為緩慢，這就限制了細胞攝取、同化硝酸的速度，硝酸清除效率較低。同時(shí)光線(xiàn)在藻液中的透過(guò)深度有限，因此反應器中的藻液通常是以薄層的形式進(jìn)行培養。為了對較大量的硝酸進(jìn)行處理，就需要非常大的反應器面積(以及占地面積)，并延長(cháng)處理時(shí)間。此外，開(kāi)放式光生物反應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(cháng)和硝酸的脫除效率發(fā)生波動(dòng)，不利于實(shí)現處理裝置的平穩運行和控制，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用。通過(guò)增加人工光照并改進(jìn)開(kāi)放池的工藝參數，可以提高微藻自養利用硝酸的效率，減弱自然條件對硝酸轉化的影響。

　　對于能夠進(jìn)行異養生長(cháng)的微藻來(lái)說(shuō)，大多數情況下異養生長(cháng)速率都遠高于自養生長(cháng)速率。通過(guò)外加有機物作為碳源和能源，微藻在異養模式下能夠快速從環(huán)境中吸收各種營(yíng)養，在短時(shí)間內積累大量生物質(zhì)。由于有機物的能量密度遠大于自然光，因此微藻在異養狀態(tài)下的生長(cháng)通常遠快于自養生長(cháng)。例如，Scaife等報道，小球藻在自養條件下的生物量積累速率為3.3g/(L?d)，而異養條件下這一指標可以達到84.5g/(L?d)。由于異養培養時(shí)向微藻培養體系中添加了有機物(主要是葡萄糖)，為了避免細菌等污染物種的快速繁殖，微藻的異養培養必須在封閉式反應器中進(jìn)行，包括培養環(huán)境、藻種、添加的營(yíng)養液在內的各種養殖要素都必須經(jīng)過(guò)除菌處理。微藻的兼養養殖模式是在異養模式的基礎上增加了人工光照，研究顯示這一方式能夠進(jìn)一步提高微藻的生長(cháng)速率。Li等報道，小球藻(Chlorella)在兼養模式下的比生長(cháng)速率可以達到異養培養的1.8倍。在兼養狀態(tài)下，微藻自養生長(cháng)和異養生長(cháng)同時(shí)進(jìn)行，二者之間存在疊加與協(xié)同效應。使用微藻異養/兼養生長(cháng)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)廣泛應用的培養工藝與設備、技術(shù)條件成熟、養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/兼養需要使用封閉式反應器、設備投資較高、操作流程復雜、工藝連續性較差，目前主要應用于高附加值微藻產(chǎn)品的生產(chǎn)。在將異養模式應用于硝酸處理時(shí)，需要對反應器的結構、微藻培養技術(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性，來(lái)降低硝酸轉化裝置的建設成本和運行成本。

　　4、微藻轉化工業(yè)排放硝酸的影響因素

　　在利用微藻養殖對含硝酸廢水進(jìn)行處理的技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，生物、過(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對這些因素進(jìn)行充分的考慮與優(yōu)化，來(lái)實(shí)現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(cháng)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(wèn)題。另一方面，微藻細胞的氮同化與細胞生長(cháng)過(guò)程是緊密耦合的，被利用的硝態(tài)氮主要以蛋白質(zhì)的形式被固定在細胞中，微藻細胞的生長(cháng)速度與蛋白質(zhì)含量也都影響著(zhù)硝酸的轉化效率。因此，需要選育能夠利用硝酸根、生長(cháng)速度快、蛋白質(zhì)含量較高的微藻藻種用于工業(yè)排放硝酸的轉化。與傳統篩選方法相比，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(lái)源千差萬(wàn)別，需要對含硝酸水體的性質(zhì)進(jìn)行分析，來(lái)確定是否能夠直接進(jìn)行微藻處理，以及是否需要進(jìn)行預處理。首先，微藻細胞作為生物體，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胞具有毒性的物質(zhì)，例如過(guò)氧化物、高濃度有機溶劑等。以苯法制己內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(cháng)的營(yíng)養之外，還含有苯和環(huán)己酮等有機成分以及微量的H2O2。需要通過(guò)實(shí)驗來(lái)研究這些成分對微藻生長(cháng)產(chǎn)生的影響以及應對手段，包括耐受性藻種選育、廢水添加工藝優(yōu)化與廢水預處理等。其次，盡管微藻細胞具有吸收、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(guò)程應避免使用含有重金屬離子的原料。原國家技術(shù)監督局(現國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局)早在1997年就發(fā)布了食用螺旋藻的國家標準，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)布的飼料衛生標準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定。這些標準的發(fā)布與實(shí)施都使得微藻產(chǎn)品在應用過(guò)程中的安全性驗證工作有章可循。由于微藻產(chǎn)品中所含的重金屬絕大多數來(lái)源于生產(chǎn)原料，因此對微藻培養所用工業(yè)廢水的種類(lèi)就必須進(jìn)行嚴格的選擇，保證生產(chǎn)得到的微藻產(chǎn)品滿(mǎn)足國家、地方與行業(yè)各項法規和標準的要求。另外，正如前面所述，NH₄⁺的存在會(huì )影響微藻細胞對NO₃^-的消耗。為了保證NO₃^-的高效清除，廢水中NH₄⁺的濃度不宜過(guò)高。除上述因素以外，工業(yè)排放硝酸的濃度、pH、溫度、有機物含量等理化性質(zhì)都會(huì )對微藻的生長(cháng)產(chǎn)生影響，在工藝設計過(guò)程中都需要加以考慮，設計有針對性的預處理流程與廢水補加工藝來(lái)降低對微藻生長(cháng)的影響，實(shí)現工業(yè)排放硝酸清除裝置的平穩運行。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環(huán)境的穩定控制產(chǎn)生不利影響，則需要進(jìn)行一定的pH調節才能用于微藻培養。含硝酸廢水的添加本身也可以作為微藻培養pH控制的一種手段。

　　4.3 生物反應器設計與處理工藝

　　微藻的生長(cháng)和硝酸的轉化都在生物反應器中進(jìn)行，在確定了處理技術(shù)路線(xiàn)后，就需要根據微藻藻種、水處理規模、現場(chǎng)條件等因素選擇合適的反應器類(lèi)型，并對具體參數進(jìn)行優(yōu)化與設計。例如，由于許多小球藻藻種能夠以葡萄糖為碳源快速生長(cháng)，因此在使用小球藻進(jìn)行硝酸轉化時(shí)通?？梢赃x擇異養/兼養技術(shù)路線(xiàn)，采用光照發(fā)酵罐的形式進(jìn)行小球藻(Chlorella)的培養和硝酸的同化。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)行異養生長(cháng)，因此以自養方式進(jìn)行處理為宜。

　　4.3.1 微藻自養處理工藝

　　在微藻自養處理硝酸廢水的實(shí)踐中，可以使用簡(jiǎn)單的開(kāi)放池，也可以設計新型的封閉/半封閉式光生物反應器，通過(guò)處理工藝的改進(jìn)來(lái)提高光能的利用率和微藻的生長(cháng)速率，彌補自養生長(cháng)效率較低的短板，從而達到高效利用硝酸的目的。例如，使用光生物反應器將雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)培養的光照強度從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)培養過(guò)程中的光照強度從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等報道，連續光照自養條件下克氏小球藻(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(guò)細胞內的色素捕獲光能，不同的色素分子具有不同的吸收譜。自然光的連續波譜中有很大一部分未能被微藻細胞吸收而被浪費。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(guò)對多種單色LED進(jìn)行組合，將發(fā)射波長(cháng)集中在微藻能夠吸收的波長(cháng)范圍內，盡可能地減少非吸收波長(cháng)的光強度，就能夠在消耗更少電能的條件下達到相同的光照效果。

　　4.3.2 微藻異養/兼養處理工藝

　　在微藻異養/兼養處理硝酸廢水時(shí)，主要采用發(fā)酵罐或光照發(fā)酵罐作為反應設備進(jìn)行微藻培養。由于通氣深層發(fā)酵工藝在微生物、醫藥工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)有了長(cháng)時(shí)間、大規模的應用，因此微藻異養/兼養清除硝酸工藝可以借鑒發(fā)酵工業(yè)的設備與相應的工藝優(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(guò)單因素試驗、正交試驗、響應面法等方法對微藻異養/兼養培養環(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。微藻異養裝置的運行成本中，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(lái)自生物柴油生產(chǎn)過(guò)程)以及廢糖蜜(來(lái)自制糖工業(yè))等廉價(jià)的有機副產(chǎn)物或廢料作為微藻培養的碳源和能源，則能夠降低微藻培養與廢水處理的成本。其他低成本有機質(zhì)，例如木質(zhì)纖維素、淀粉水解液與乳清等應用于微藻培養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廢水(例如畜禽養殖廢水)作為微藻養殖所需的有機物來(lái)源，也是降低廢水處理成本的一種有效手段。畜禽養殖廢水可以與工業(yè)廢水復配進(jìn)行微藻養殖，微藻產(chǎn)品又為養殖業(yè)提供飼料原料，有望形成循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。在反應器形式方面，盡管傳統的通氣發(fā)酵罐可以用于微藻的異養培養，但通過(guò)反應器形式與材質(zhì)的創(chuàng )新來(lái)實(shí)現生產(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、微藻轉化工業(yè)排放硝酸的技術(shù)經(jīng)濟性

　　在傳統的反硝化池處理含硝酸廢水的工藝中，反硝化細菌以硝酸根為氮源生長(cháng)，廢水處理池中最后會(huì )因為細菌增殖而得到大量的含菌活性污泥，隨后通過(guò)減量化處理后填埋。這一方式雖然實(shí)現了廢水中硝酸的脫除，但沒(méi)有經(jīng)濟產(chǎn)出，廢水處理裝置的建設與運行成本完全需要由產(chǎn)生廢水的工業(yè)過(guò)程收益來(lái)補償，而且將液體廢物轉化為具有一定危險性的固體廢物，帶來(lái)了新的廢物處置成本。環(huán)保裝置建設投資與運行成本高、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。而利用微藻對工業(yè)排放污染物進(jìn)行處理與轉化，則有望突破這一困境，為環(huán)境保護工作帶來(lái)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(lèi)型包括油脂、氫、類(lèi)異戊二烯、乙醇和甲烷等。一些種類(lèi)的微藻[例如小球藻(Chlorella)、柵藻(Scenedesmus)等]可以在細胞內積累油脂，總脂含量可達細胞干重的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(guò)加工能夠生產(chǎn)滿(mǎn)足標準的生物柴油。油脂提取后剩余的微藻生物質(zhì)可以通過(guò)綜合煉制生產(chǎn)低碳烷烴與低級醇等生物能源。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(zhù)廣闊的市場(chǎng)空間。以飼料為例，目前飼料工業(yè)廣泛使用的蛋白補充劑主要包括豆粕和魚(yú)粉。螺旋藻(Spirulina)的蛋白質(zhì)含量可以超過(guò)細胞干重的60%，氨基酸的種類(lèi)與含量平衡性也很好，是非常優(yōu)秀的魚(yú)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，微藻具有單細胞生長(cháng)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?，微藻資源的開(kāi)發(fā)能夠為人類(lèi)解決能源、環(huán)境、健康等諸多問(wèn)題提供新的模式，微藻細胞及其產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值也正在不斷增長(cháng)。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(lái)的經(jīng)濟效益反過(guò)來(lái)能夠降低硝酸處理裝置的綜合運行成本。通過(guò)經(jīng)濟手段，有效增強企業(yè)對環(huán)境保護的重視程度，提高企業(yè)主動(dòng)進(jìn)行污染治理的積極性，實(shí)現綠色可持續發(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、結語(yǔ)

　　使用微藻對工業(yè)排放的硝酸進(jìn)行轉化是一種科學(xué)上合理、技術(shù)上可行、經(jīng)濟上劃算的新型環(huán)保技術(shù)。這一技術(shù)將微藻養殖與水處理技術(shù)相結合，在實(shí)現清除工業(yè)排放硝酸帶來(lái)社會(huì )效益、環(huán)境效益的同時(shí)，還能夠通過(guò)微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)實(shí)現一定的經(jīng)濟效益。這一結合為環(huán)保產(chǎn)業(yè)和微藻產(chǎn)業(yè)都提供了新的機遇。對于環(huán)保產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，微藻處理是一種對高濃度工業(yè)排放硝酸進(jìn)行轉化的新技術(shù)，可以作為常規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(lái)說(shuō)，以工業(yè)排放(包括CO2、無(wú)機氮、無(wú)機磷)作為微藻養殖的營(yíng)養，降低了微藻養殖的成本，提高了微藻產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力?，F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(guò)程中，微藻處理工業(yè)煙氣、養殖業(yè)有機廢水、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，這都為用微藻轉化工業(yè)排放硝酸奠定了一定的基礎。除微藻外，以水綿(Spirogyra)為代表的一些多細胞大型藻類(lèi)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道，有望成為藻類(lèi)生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域應用的另一個(gè)方面。中國石化石油化工科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)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，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進(jìn)行了綜合評估與分析，目前正在進(jìn)行工業(yè)側線(xiàn)與示范裝置的建設與運行試驗。當然，在微藻生物技術(shù)應用于環(huán)境保護的過(guò)程中，藻種的篩選和改造、光生物反應器的設計、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(guò)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(lèi)的生活質(zhì)量、改善人類(lèi)的生存環(huán)境、破解環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾發(fā)揮更為重要的作用。(來(lái)源：中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院)