膜式光生物反应器(MPBR):基于微藻养殖的污水处理技术

        说起利用污水和微藻共生资源化的理念,不得不聊起2012年TED大会的一个演讲,嘉宾是美国NASA的科学家Jonathan Trent博士。当时他担任NASA一个名为OMEGA(离岸微藻闭环养殖计划)项目的首席科学家。

基于微藻养殖的污水处理技术

基于微藻养殖的污水处理技术

  这些小到要在显微镜下才能看得清的水藻居然可以干出惊天动地的大事业:本可导致富营养化的“大反派”,给它合适的条件和空间,却可以变成捕捉二氧化碳,同时净化污水的“超级英雄”。更重要的是,生物转化过程产出的油脂可以加工成燃料,同时因其富含DHA、EPA等物质,可以开发出一系列健康食品或医药品。这让更多人看到污水处理和微藻生物质加工结合的光明前景。

  Trent博士的研究得到了NASA的背书,在某种程度上推动了微藻污水处理的研发力度。但最终,NASA并没有给OMEGA项目续约,Trent博士描绘的那幅整合了污水处理、可再生太阳能、风能、潮汐能、水产养殖和生物质能的恢弘画面至今也还无法实现。除了开放池藻塘,下面这种光生物反应器算是目前微藻污水处理的高级模样了。

  曾被誉为未来生物质超新星的微藻什么时候能够兑现潜力?这个问题现在仍很难回答。不过,借用Trent博士的话说:“正如爱迪生所说,我们发现了一万个行不通的办法。”只有继续埋首研究,不断试错,才有新的发现。

  近年MBR膜生物反应器的发展也衍生出膜式光生物反应器(英文Membrane Photobioreactor,简称MPBR)。有研究报道MPBR不仅可以生产高浓度的生物质,而且脱氮除磷的效果也很显著。主要原因是MPBR可以分开控制HRT和SRT。但膜技术也增加了运行和维护的复杂度。澳大利亚新南威尔士大学的科学家最近就对MPBR的运行参数和表现进行评估。这次研究使他们对关键参数的测量和解读有了新的认识,其在IWA国际水协会期刊《Water Research》上发表了相关的研究成果。

  生物质测定哪种方法好?

  对于MPBR的效率评估,研究团队对五大方面进行了考察,包括生物质浓度、组成、产率、营养吸收率和采收潜力。生物质浓度是MPBR的关键表现参数。细胞计数和称重法是两大测定方法,后者其实就是测MLSS或者MLVSS。此前关于MPBR的研究大多采用称重法,因为这方法常用于MBR;而细胞计数本来就是传统藻类反应器生物质的测定方法。澳大利亚团队这次研究的一大目的就是对比这两种测定方法的优劣。

  流式细胞仪的检测发现,非藻类物质会在反应器里积聚,因此称重法不足以精确量化生物质浓度。研究团队提出细胞计数/MLSS的比值作为指示参数能更好地反映异养生物质浓度。

基于微藻养殖的污水处理技术

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 基于合成废水的MPBR系统流程图

  通过上述检测,研究团队发现除了细胞计数/MLSS比例,细胞活性、细菌比例等表现参数都给MPBR的运行提供了新的认知途径。

  微藻自发絮凝

  藻细胞分离、采收困难是限制微藻技术产业化应用的重要瓶颈。其中一个影响因素是自发絮凝(Auto flocculation)。自发絮凝可因为高pH诱导或者胞外聚合物(EPS)引起。自发絮凝程度越高,后续处理成本越低。研究团队首次提出用毛细吸水时间(CST)作为评估MPBR分离采收潜力的指示因子。

  除了CST,他们还对絮体尺寸和分形维数两个参数进行测定。如下图所示,左图的三个峰分别代表细菌、微藻和絮体的尺寸。在纯培养基里,C.vulgaris细胞主要以分散形式存在,而在MPBR里则形成絮体,而且絮体尺寸从22.9增至44.6mm,增长近一倍。这是自发絮凝引起的。MPBR发现的絮体大于此前PBR相关研究的尺寸(8-20mm),但远小于明矾和铁盐絮凝剂形成的微藻絮体(尺寸范围在500-900mm左右),也小于传统的活性污泥絮体(55-311 mm)。分析显示絮体大小和MPBR里的细菌数有很强的相关性(r=0.88)(参考图4)。研究人员由此推测,利用藻类-细菌的相互作用可以改善MPBR生物质的采收潜力。

  此外,CST的测定结果则显示MPBR生物质的脱水能力跟絮体体积关系不大,生物质浓度似乎是影响脱水性能的主要因素。

  SRT和HRT

  HRT和SRT是MPBR的关键运行参数,他们决定了营养负荷和反应器的处理能力,生物质的许多特性都跟它们有关。传统PBR的HRT需要超过5天以避免生物质的冲刷流失,但MPBR的HRT可以低于2天。这不仅有利于生物质产能(更高的营养负荷),还减低了投资成本。但之前研究显示HRT的降低不利于污水处理的效率,而关于MPBR的SRT研究显示相对较低的SRT(约10天)有助得到更高的生物质产率。

  如下图6a所示,研究团队的实验发现,HRT超过3天,和SRT超过30天都降低了生物质浓度,理想的HRT应该1天左右,而SRT在18-30天之间。不同组分的比例分布(图6b)结果跟图6a也是吻合的。

基于微藻养殖的污水处理技术

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  MPBR在不同HRT和SRT下的特点:(a)细胞计数;(b)不同组分的平均比例

  总的来说,更低的HRT和SRT有利于微藻快速生长,活性更高,异养培养基更少;然而延长HRT和SRT可以提高氮磷去除率和采收潜力。该结果说明了运行人员要根据对微藻采收的要求以及污水处理的标准,来为MPBR工艺选择合适的运行条件(例如HRT和SRT)。

  小结

  总的而言,澳洲团队的这次研究对MPBR的表现做了一个系统性评估,并且对如何优化运行效率有了新的发现和认识,尤其是对不同的HRT和SRT的应用:如果要提高藻类细胞的生长速度,并降低对营养物的要求,可以采用更低的HRT和SRT;延长HRT和SRT会得到更多的细菌,从而获得更显著的自发絮凝效果,以及更高的氮磷去除率。这说明在日后的研究里,研究者要基于实际需求,在不同的HRT和SRT之间取得平衡。另一方面,他们发现的细胞计数/MLSS等新参数,也将帮助其他研究人员更好地评估其他MPBR系统的优劣。

  参考资料

  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

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