垃圾渗滤液培养微藻研究进展：向碳中和迈进

高毒、高污染的垃圾渗滤液对自然水源造成了严重威胁，利用技术手段对其进行有效处理是解决环境问题的重中之重。采用垃圾渗滤液进行微藻培养，可以在实现垃圾渗滤液中碳、氮、磷高效去除的同时，提高微藻生物质产量并减少CO2排放量。然而，垃圾渗滤液高污染物含量、高浊度的特点决定了其必须经过一定的预处理才能够用于微藻培养。总结了垃圾渗滤液的特点，探讨了用于微藻培养的渗滤液的预处理方式及其存在的瓶颈，解析了利用垃圾渗滤液培养微藻所获得的生物质的用途，展望了利用微藻处理垃圾渗滤液技术在推动国家新旧动能转换和碳中和建设中发挥的作用及其未来的科技攻关方向，为实现垃圾渗滤液处理与微藻生物质的有效集成提供参考。

笔者基于目前用于微藻培养的渗滤液的预处理方式及其存在的瓶颈，提出了一种新型的预处理方式，大胆设想利用微藻自身实现废水预处理，建立“微藻全链条”新模式，实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的全链条响应机制。

在渗滤液的预处理方式中，高级氧化技术成本普遍偏高，其中臭氧氧化方式仅消耗的电能就是一笔不小的开销；淡水稀释的方法虽然成本不是很高，但造成大量淡水资源浪费。而由于垃圾渗滤液中磷含量相对较低，所以“微藻全链条”新模式下微藻的培养成本仅为添加的磷的成本，经计算每生产1 kg微藻生物质仅需要消耗4.0元。因此，采用“微藻全链条”实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的新模式，不仅可以降低微藻培养成本，还能大大节约淡水资源。

目前，高毒、高污染垃圾渗滤液已经严重威胁到了自然水源，采用高效的处理技术对其进行处理是解决环境问题的重中之重。近年来微藻以其生长周期短、光合作用强、油脂产率高等与碳中和目标相关的竞争性优势进入废水处理研究的主流技术领域。一方面，垃圾渗滤液中含有碳、氮、磷等营养物质，可以为微藻生长提供充足的营养源，另一方面，微藻可以吸收去除渗滤液中的污染物，实现对垃圾渗滤液的有效净化，因此利用垃圾渗滤液培养微藻实现废水处理与生物质生产有效集成的研究成为废水与能源研究领域的攻关热点。笔者从垃圾渗滤液的特点、渗滤液预处理技术、微藻培养的生物能源生产分析入手，梳理垃圾渗滤液培养微藻的各个环节存在的技术难点，挖掘切实可行的解决途径，提出“微藻全链条”新理念，以期实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的全链条响应机制。

1. 垃圾渗滤液的特点

垃圾渗滤液具有有机物含量高、氨氮高（1 000~5 000 mg/L）、无机化合物种类多、重金属离子种类多等特点。渗滤液中的高营养物质、高浓度有机物以及其他有毒有害化合物，如重金属和异生物质（如酚类和农药）等，对人类和环境构成严重威胁。

利用垃圾渗滤液培养微藻实现垃圾渗滤液处理与微藻生物质的有效集成成为污水资源化新的突破点。然而，由于垃圾渗滤液高氨氮、高浊度等特点，不适合用于直接培养微藻，必须对其进行一定程度的预处理。

2. 垃圾渗滤液预处理

垃圾渗滤液的高色度、高浊度、高盐含量等水质特点限制了微藻的高效生长，对其进行预处理后用于微藻培养成为废水培养微藻领域的主流。目前，针对垃圾渗滤液培养微藻的预处理方法主要有淡水稀释法、高级氧化法、混凝-过滤/吸附法等。高级氧化技术和混凝-过滤/吸附法成本普遍偏高，其中臭氧氧化方式仅消耗的电能就是一笔不小的开销；淡水稀释的方法虽然成本不是很高，但造成大量淡水资源浪费。

3. 垃圾渗滤液培养微藻的生物质集成

垃圾渗滤液经有效的预处理后可以用于微藻培养，微藻可以利用垃圾渗滤液中的无机盐（如氮、磷）作为营养源，以CO2和废水中的有机碳作为碳源，通过光合作用产生生物能源，实现能源生产、垃圾渗滤液净化的有机统一。微藻细胞内的活性物质主要有油脂、多糖、蛋白质、色素等天然化合物，可广泛应用于生物柴油、生物制药、生物塑料、保健品等领域。笔者对微藻将垃圾渗滤液中的有机污染物转化为生物量、脂质、多糖、蛋白质及色素进行积累的相关研究进行了总结归纳，部分成果见表1。由表1可知，利用垃圾渗滤液培养微藻以同时实现微藻良好生长与能源积累具有切实可行性。

表1　微藻将垃圾渗滤液中的有机污染物转化为生物质进行积累的相关研究

 

微藻在废水中的生长代谢见图1，微藻可以吸收废水中的C、N、P等营养元素，以及Cu、Zn、Mn等金属元素，在CO ₂ 存在下，经过卡尔文循环产生3-磷酸甘油醛（C3），3-磷酸甘油醛经过一系列反应可合成淀粉、脂质和蛋白。

因此，微藻细胞内碳基化合物的合成共用一个碳前体3-磷酸甘油醛，存在竞争关系。垃圾渗滤液含有丰富的有机碳源、一定量的盐和金属离子，有利于调控碳流转化，促进微藻中油脂的积累。

目前，利用垃圾渗滤液培养微藻用于生物能源生产的研究主要聚焦于藻细胞内脂质、多糖、蛋白质、色素等化合物的合成，其背后的合成机制研究较少，因此，探究微藻在垃圾渗滤液中的碳流转化和油脂合成机制是能源领域的前沿热点，也是未来利用垃圾渗滤液培养微藻用于生物能源生产领域需要努力的方向。

图1　微藻在废水中的生长代谢

4. 助力碳中和目标的实现

对于垃圾降解产生的大量CO ₂ ，微藻可通过光合作用将其固定并转化为有机物，其对太阳光的单位面积利用率可以达到普通高等植物的10倍以上。研究表明，微藻细胞内碳的质量分数高达50%以上，每生产1 g的微藻大约消耗4.52 g的CO ₂ 。

更重要的是，微藻作为高效的太阳能转换器，通过在水中悬浮生长可以更加高效地利用水、CO ₂ 和其他营养物质合成油脂，且所合成的油脂多为中性脂，可用于生物柴油的制备，极大地缓解传统化石燃料的压力。

除了通过光合作用吸收利用气态CO ₂ 以外，微藻同样可以利用垃圾渗滤液中的碳酸盐、有机盐进行生长和能源积累。

渗滤液中无机碳的主要存在形式为重碳酸盐，藻类拥有活跃的碳酸盐清除机制，可以将自身细胞内的碳酸氢盐浓缩，随后，细胞内的碳酸酐酶又会自发脱水或自然脱水产生CO ₂ ，最后通过卡尔文循环将CO ₂ 以生物量的形式捕获。据统计，每生产1 g的微藻可以固定2.42 g的HCO ₃ ^- 。

此外，研究表明，微藻可以将渗滤液中70%~97%的有机碳转化为胞内的糖类、脂质、蛋白质等能源活性物质，避免了垃圾渗滤液中的微生物菌群将有机物代谢转化为CO ₂ （每去除1 g碳可以产生3.7 g的CO ₂ ），有效推动了减污降碳协同增效，可助力实现碳达峰、碳中和。

5. 未来技术设想：微藻全链条模式

针对垃圾渗滤液预处理，笔者所在团队提出了一种新型的方式，大胆设想仅利用微藻培养实现废水预处理。

虽然直接利用垃圾渗滤液培养微藻并不理想，但随着第1批直接培养的微藻的收获，垃圾渗滤液生化废水的浊度、氨氮、重金属含量都将大大降低，即第1批微藻培养仅用于实现预处理；

然后接种第2批新鲜的微藻到收获后的垃圾渗滤液中，微藻将会迎来生长的鼎盛时期；

收获后紧接着接种第3批、第4批，实现循环利用垃圾渗滤液培养微藻，建立“微藻全链条”新模式，实现微藻预处理—微藻培养—微藻能源积累的全链条响应机制，其示意见图2。

成本核算表明，该模式一方面可以降低微藻培养成本，另一方面还能大大节约淡水资源，是一种最具潜力的技术手段。

 

图2　“微藻全链条”模式示意

6. 结论与展望

（1）微藻培养前需对垃圾渗滤液进行预处理，笔者所在团队提出建立“微藻全链条”新模式的设想，可大大降低废水预处理成本，切实推动国家碳减排事业的发展。

（2）利用垃圾渗滤液培养微藻用于生物能源生产的研究主要聚焦于藻细胞内脂质、多糖、蛋白质、色素等化合物的合成上，其背后的合成机制研究很少涉及。如能探明微藻在垃圾渗滤液的复杂生境下的代谢调控机制，将对实现能源产出最大化提供重要的理论指导。

（3）在全国大力推动新旧动能转换和碳中和的大背景下，充分利用垃圾渗滤液废水资源化来生产绿色、环保、可再生的微藻生物质，用微藻生物柴油逐渐代替传统化石燃料，可切实推动传统工业向环境友好和可持续发展的新局面转化，为我国的生物能源和CO ₂ 减排事业拓宽道路，推动碳中和国家建设。