从自漂浮藻絮到藻颗粒：基于自漂浮微藻的废水处理与生物质回收新策略

《Bioresource Technology》：From auto-floating microalgal flocs to granules: Novel approach to cultivating easily harvestable microalgae for microalgae-based wastewater treatment

为解决微藻废水处理中生物质采收成本高、效率低的瓶颈，本研究通过选择性富集将松散的自漂浮藻絮转化为稳定颗粒。系统在非无菌条件下实现了>98%脱氮、>99%除磷及高效自浮采收(FVI30仅12 mL g?1)，揭示了~75%表面疏水性阈值及EPS结构在颗粒化中的关键作用，为低成本废水处理与生物质资源化提供了新路径。

　　

微藻废水处理新突破：自漂浮藻颗粒实现高效净化与“一键采收”

在追求绿色低碳的今天，利用微藻处理废水（Microalgae-based wastewater treatment, MWT）被视为一项极具潜力的技术——它不仅能净化水质，还能利用废水中的养分生产生物燃料等高价值产品，甚至固定二氧化碳。然而，理想很丰满，现实却很骨感：微藻细胞个体小、密度低，将它们从处理后的水中高效分离出来（即“采收”环节）一直是个世界性难题。传统的离心、过滤或化学絮凝等方法，要么能耗高，要么成本占比高达总成本的20%–30%，严重制约了该技术的商业化应用。

有没有一种微藻，能像沸水中的饺子一样，自己主动浮到水面上，让我们能轻松“撇”出来呢？这就是自漂浮微藻（auto-floating microalgae）的研究方向。此前，研究者们虽然筛选出了具有自漂浮能力的藻种（如Tribonemasp.），但它们多以松散絮体（flocs）形式存在，在高密度培养时容易“堵车”，分离效率下降。能否将这些“散兵游勇”训练成结构致密、分离性能更优的“正规军”——即自漂浮微藻颗粒（auto-floating microalgal granules），并搞清楚它们形成的机制，成为了突破技术瓶颈的关键。

近期发表在环境领域顶刊《Bioresource Technology》上的一项研究，给出了令人振奋的答案。由Hui Pan等人完成的研究《From auto-floating microalgal flocs to granules: Novel approach to cultivating easily harvestable microalgae for microalgae-based wastewater treatment》成功实现了从藻絮到藻颗粒的转化，系统在高效净化水产养殖废水的同时，实现了生物质的极速自浮采收。

关键技术方法概览

研究团队建立了一套完整的技术路线：以水产养殖废水为培养基，混合接种本地藻、河流藻及Tribonemasp.，在非无菌条件下运行光序批式反应器（photo-SBR）。通过独特的“保留浮层、排放下清液”的选择性压力策略，历时约2个月富集出自漂浮藻絮。随后，在剪切力（≥0.015 Pa）驱动下，仅用23天便将松散絮体转化为稳定颗粒。研究全程利用微生物粘附烃类（MATH）法测定表面疏水性，并系统分析了胞外聚合物（EPS）中蛋白（PN）与多糖（PS）的动态变化，揭示了颗粒形成的物理化学机制。

主要研究结果与发现

1. 普适性验证与自漂浮阈值

结论： 选择性富集工艺适用于不同接种源，且表面疏水性存在关键启动阈值。

• •
  普适性： 使用与前期研究不同的混合接种源（本地河流、水产系统土著藻等）及水产养殖废水，依然成功富集出了自漂浮微藻，证明该工艺不依赖特定菌藻，具有鲁棒性。
• •
  阈值效应： 自漂浮现象的出现并非一蹴而就。研究发现，当细胞表面疏水性（Hydrophobicity） 达到约75%（MATH法测定）时，自漂浮行为才开始启动。超过此阈值后，自浮效率与疏水性呈线性正相关。这为判断系统是否进入成熟期提供了明确的物理指标。

2. 自漂浮的“助推剂”与“抑制剂”

结论： 细胞内蛋白/脂质及EPS多糖促进自浮，而EPS蛋白则起抑制作用。

研究深入剖析了生物化学组分对自浮性能的影响：

• •
  促进因子： 自浮效率与细胞内蛋白质、脂质含量以及EPS中的多糖（PS） 含量呈显著正相关。这些物质增强了细胞的疏水特性，便于与光合作用产生的微氧气泡结合（气泡-细胞粘附）。
• •
  抑制因子： 自浮效率与EPS中的蛋白质（PN） 呈负相关。过多的EPS蛋白可能增加了亲水性，阻碍了气泡的有效附着。

3. 颗粒化蜕变与性能跃升

结论： 适宜剪切力（≥0.015 Pa）可快速诱导致密颗粒形成，显著提升高负荷下的分离性能。

• •
  形态转变： 在剪切力作用下，松散的藻絮（flocs）在23天内转变成了致密、稳定的球形或椭球形自漂浮藻颗粒。相比之下，传统藻-菌颗粒通常需要更高的剪切力才能形成。
• •
  性能飞跃： 颗粒化带来了分离性能的质变。研究引入了30分钟浮选体积指数（FVI₃₀） 来评价（类比活性污泥的SVI）。形成的藻颗粒FVI₃₀低至12 mL g^?1，表明其极其紧凑。即使在高达~2.5 g L^?1 的生物量浓度下，仍能快速浮选，解决了松散絮体在高密度下分离困难的痛点。
• •
  资源化增益： 颗粒化过程还促进了脂质积累，脂质含量提升至干生物量的~25%，增强了后续生物燃料生产的潜力。

4. 独特的颗粒形成机制

结论： 自漂浮藻颗粒的成核机制区别于传统颗粒，依赖于独特的EPS“三明治”结构。

通过对比发现，自漂浮藻颗粒的EPS基质具有独特的“亲水-疏水”两亲性结构：

• •
  内部作用： 富含亲水性多糖的基质提供了结构骨架。
• •
  粘附关键： 局部疏水微区和两亲性基团的存在，是促进气泡与细胞粘附、从而维持颗粒稳定漂浮的核心。这种机制不同于主要依赖疏水作用沉降的传统颗粒，解释了为何它们能在较低剪切力下形成并实现高效上浮。

5. 污染物去除效能

结论： 系统在长期运行中表现出卓越且稳定的脱氮除磷能力。

在长达200天的非无菌运行中，该系统对水产养殖废水（初始总氮~21.5 mg L^?1，总磷~1.4 mg L^?1）的净化效果持续优异：

• •
  总氮（TN）去除率 > 98%
• •
  总磷（TP）去除率 > 99%

研究结论与意义

本研究成功验证了自漂浮微藻颗粒化技术的可行性。通过“选择性富集+剪切诱导颗粒化”的组合拳，不仅解决了微藻采收难、成本高的核心痛点，还实现了废水的高效净化（>98%脱氮、>99%除磷）与生物质资源化（脂质积累~25%）的双重目标。

其重要意义在于：

1. 1.
   工艺创新： 首次系统报道了从藻絮到自漂浮藻颗粒的完整转化路径，证明了低剪切力（≥0.015 Pa）成粒的可行性。
2. 2.
   机制突破： 揭示了~75%表面疏水性阈值及EPS“亲水骨架-疏水粘附”结构在自浮颗粒形成中的关键作用，深化了对微藻聚集行为的理解。
3. 3.
   应用前景： 该技术无需昂贵化学药剂或复杂设备，仅靠水力剪切和光合作用即可实现生物质的“自浮式”高效采收，为微藻废水处理技术的低成本、规模化应用提供了强有力的技术支撑，显著提升了该技术的经济性和市场竞争力。