藍(lán)藻控制與資源化

柳后起 朱勇坤 王帆

（1. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院，江蘇 蘇州 215123；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)－香港城市大學(xué)聯(lián)合高等研究中心，江蘇 蘇州 215123）

1 引言

大量含有氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的污水流入水體，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化日益加劇，造成水質(zhì)惡化與水華爆發(fā)，這不僅破壞了生態(tài)系統(tǒng)，且對(duì)水生生物、飲用水安全和人體健康造成嚴(yán)重威脅［1］。隨著人們對(duì)高品質(zhì)生態(tài)環(huán)境的需求和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，以及藻類存在較高的應(yīng)用價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)對(duì)藍(lán)藻的有效控制以及對(duì)其進(jìn)行資源化和無(wú)害化處理，成為藍(lán)藻治理及緩解資源短缺問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。

江蘇省水利廳自2008 年開(kāi)始牽頭打撈太湖藍(lán)藻，2008—2019 年期間全湖共打撈藍(lán)藻1 400 萬(wàn)t。藍(lán)藻干燥粉具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其中總氮、總磷和總鉀含量分別達(dá)到8.51%，0.49%，0.70%，蛋白質(zhì)含量為44.82%～57.81%［2］。藍(lán)藻可以發(fā)酵制成有機(jī)肥，但目前仍缺乏成熟、經(jīng)濟(jì)的合成技術(shù)。藍(lán)藻也可以用來(lái)制備活性炭，但當(dāng)前技術(shù)水平下的生產(chǎn)成本相對(duì)較高，且產(chǎn)品性能與商業(yè)級(jí)活性炭還存在較大差距。

目前藍(lán)藻控制的首要問(wèn)題是捕撈與脫水問(wèn)題，需要進(jìn)一步研發(fā)能耗低、分離效率高的藻水分離脫水技術(shù)和設(shè)備，以更好地服務(wù)于后續(xù)的資源利用。另外，藍(lán)藻毒素的去除還缺少完善的技術(shù)［3］，這也是限制其資源化利用的一大阻礙因素。因此，今后藍(lán)藻資源化利用需要在藻體脫水技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)、藻毒素的去除、無(wú)害化處理、新型資源化利用方式等方面展開(kāi)研究，從而解決藍(lán)藻的控制與科學(xué)合理的資源化利用問(wèn)題，為做好藍(lán)藻無(wú)害化處置和資源化利用提供理論指導(dǎo)。

2 藍(lán)藻機(jī)械控制

藍(lán)藻清除方法主要包括物理化學(xué)法、生物法和生化法。物理除藻方法包括人工和機(jī)械打撈、微濾、氣浮和磁分離控藻等。其中打撈法是我國(guó)目前減輕藍(lán)藻生態(tài)災(zāi)害和降低其再次爆發(fā)強(qiáng)度，保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境最直接、最安全、最有效的應(yīng)急與治理措施。通過(guò)收獲藍(lán)藻，既能有效減輕湖泊的氮磷污染水平，又能對(duì)藍(lán)藻加以資源化利用。

磁分離技術(shù)主要利用磁性接種技術(shù)使水中非磁性或弱磁性的顆粒帶上磁性，再借助外力磁場(chǎng)的作用，將具有磁性的懸浮顆粒分離出來(lái)。磁分離技術(shù)對(duì)微生物和藻類等都有較好的去除效果。相比于其他物理法控藻手段，磁分離控制藻華具有效率高、工藝時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)流程僅需2 min 左右，凈化效率可達(dá)90%以上。設(shè)備占地面積小，整套工藝只有一般沉淀池的1/20 左右；處理后藻泥含水率低；磁分離工藝設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、維護(hù)方便［4-7］。

（1）水上移動(dòng)式打撈設(shè)備。水上移動(dòng)式打撈藍(lán)藻是采用水上移動(dòng)平臺(tái)作為載體，利用磁分離裝置對(duì)經(jīng)磁絮凝富藻水經(jīng)過(guò)一體式凈化設(shè)備處理，主要過(guò)程包括進(jìn)水、絮凝、分離、出水、磁種回收、藻渣脫水等。這種方式靈活機(jī)動(dòng)，運(yùn)行效率高效，適合于大面積湖庫(kù)藍(lán)藻水華的應(yīng)急防控。該方式的代表技術(shù)之一為藻水在線分離磁捕技術(shù)，它具有節(jié)能和高效的優(yōu)點(diǎn)，是藻華水體凈化的有效方法之一［8-10］。另有一體化高效藍(lán)藻濃縮脫水收聚船技術(shù)，該技術(shù)適用于在大規(guī)模藍(lán)藻爆發(fā)的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊湖面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)減容。

（2）岸基固定式打撈藍(lán)藻。目前，在水上藍(lán)藻應(yīng)急打撈船的基礎(chǔ)上，已開(kāi)發(fā)出近岸藻水磁分離平臺(tái)，根據(jù)風(fēng)向和藍(lán)藻流向，在下風(fēng)口/下游設(shè)置藍(lán)藻水華自動(dòng)收集站，驅(qū)動(dòng)自流系統(tǒng)，高效聚集藍(lán)藻，再通過(guò)抽吸藻水進(jìn)入岸基固定式平臺(tái)進(jìn)行處理，處理后清水還湖，在岸上進(jìn)行磁種回收與藻渣脫水等工作［11-12］。

3 藍(lán)藻處置及資源化利用

一般陸生植物僅能利用0.5%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，而藻類利用太陽(yáng)能的效率可達(dá)10%。目前藻類處置方式及用途主要包括衛(wèi)生填埋、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電、制生物肥料、生物柴油、焚燒發(fā)電、制生物塑料、提取藻蛋白、制生物炭等［13-14］。

3.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋一般選擇與城市垃圾一起填埋，通過(guò)藍(lán)藻自然降解過(guò)程達(dá)到無(wú)害化的處理。污泥填埋操作相對(duì)簡(jiǎn)單，所需費(fèi)用相對(duì)較低，但填埋場(chǎng)占用較多的土地資源，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境影響較大，若防滲措施不當(dāng)還會(huì)造成潛在的土壤和地下水污染，因此填埋方式日益受到限制，未來(lái)將被新處理措施替代。

3.2 制有機(jī)肥原料

藻泥中含有較高的氮、磷元素，它是較為理想的植物肥料，但由于藻泥中可能含有未被完全降解的藻毒素，因此，由藻泥制成的有機(jī)肥料產(chǎn)品無(wú)法用于蔬菜、水果等食用型農(nóng)作物，但可用于花卉、苗木等綠化植物。

3.3 厭氧發(fā)酵原料

利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣和生產(chǎn)肥料處理藍(lán)藻曾經(jīng)被認(rèn)為是解決藍(lán)藻資源化處置的理想方法。但是，由于藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣和制生物肥料在工藝經(jīng)濟(jì)性、高效性等方面還存在明顯不足［15］，另外，藻泥沼氣發(fā)電及藻水漚肥還田難以滿足當(dāng)前環(huán)保要求，導(dǎo)致該技術(shù)的推廣應(yīng)用受到阻礙，多個(gè)藻泥沼氣發(fā)電項(xiàng)目已于近年關(guān)停。藍(lán)藻作為厭氧發(fā)酵原料生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）具有一定的可行性，當(dāng)pH 為9時(shí)VFAs 具有較高的產(chǎn)率［16］。

3.4 提取藻蛋白

藻蛋白應(yīng)用研究始于發(fā)現(xiàn)這種蛋白可用于醫(yī)療、食品加工以及化妝品生產(chǎn)等行業(yè)［17］。藍(lán)藻中富含植物蛋白、氨基酸、細(xì)胞多糖和色素等營(yíng)養(yǎng)成分，可作為天然食用色素改善食品色澤［18］。藻蛋白由別藻藍(lán)蛋白、藻藍(lán)蛋白和藻紅蛋白3 類組成，具有較高的應(yīng)用價(jià)值［19］。近年來(lái)對(duì)藍(lán)藻生物活性成分的利用已成為生物學(xué)和食品學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)［20］。藻體中含有大量高蛋白物質(zhì)和不飽和脂肪酸，不含膽固醇，可作為漁業(yè)飼料，具有巨大的利用價(jià)值。因藻蛋白具有靈敏的光譜吸收性質(zhì)，可用在光電材料中完成可見(jiàn)光范圍內(nèi)的信息轉(zhuǎn)換［21］。藻藍(lán)蛋白和藻紅蛋白具有特征性的熒光光譜吸收與發(fā)射峰，可通過(guò)熒光特征的分析應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中［22］。藻毒素是目前藻類資源利用的一大障礙，但藻毒素作為一類天然毒素，在生物制藥方面具有重要用途和開(kāi)發(fā)利用價(jià)值［23］。

3.5 提煉生物柴油

藻類可成為持續(xù)利用的能源，如利用微藻作為生物柴油原料，在產(chǎn)油量和所需土地面積等方面具有一定優(yōu)勢(shì)［24］，微藻含油質(zhì)分?jǐn)?shù)高達(dá)干重的80%［25］。高產(chǎn)油型藍(lán)藻與生物柴油的其他原料相比，具有較顯著的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)［26-27］。盡管目前藍(lán)藻進(jìn)行生產(chǎn)柴油的提煉技術(shù)還不完善，如提取分離難度大、油品品質(zhì)有待提高等問(wèn)題，但藍(lán)藻液化制取生物油有良好的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用潛力［28-29］。

3.6 制備活性炭

藍(lán)藻活性炭強(qiáng)度高、吸附速度快、容量高，可用于廢氣凈化、污水處理、脫硫等凈化處理工藝，以藍(lán)藻為原料制備活性炭的制備周期短，這為藍(lán)藻資源化利用提供了新思路［30］。利用藍(lán)藻制備的活性炭對(duì)CO2的吸附量達(dá)3.85 mmol/g［31］。直接活化法制備藍(lán)藻基活性炭，比表面積高達(dá)1 951 m2/g［32］。藍(lán)藻生物炭作為過(guò)硫酸鹽活化劑，對(duì)橙黃G 的去除率可達(dá)99.9%，優(yōu)于水稻秸稈生物炭基材料［33］。藻類通常含有豐富的纖維素和雜原子，它們是雜原子摻雜碳的合適前體，有望大規(guī)模生產(chǎn)多孔碳。制備出的多孔碳具有發(fā)達(dá)的孔隙、可調(diào)節(jié)的微結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的化學(xué)成分，在能量?jī)?chǔ)存和環(huán)境污染控制方面具有重要應(yīng)用價(jià)值［34］。

3.7 制造生物塑料及黏合劑

藻泥的主要成分是藻細(xì)胞，藻蛋白在干物質(zhì)中含量高達(dá)30%以上，它是制造生物塑料和黏合劑的理想原料之一［35］。相應(yīng)的黏合劑產(chǎn)品為天然物質(zhì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的醛類黏合劑更加環(huán)保安全。藻泥制作黏合劑的研究已經(jīng)具備中試規(guī)模，未來(lái)可作為一種常規(guī)的藻泥資源化利用途徑加以推廣。2015 年1月，首批藻粉出口至美國(guó)用作生物塑料制造企業(yè)的原料，可以制作包括塑料托盤、塑料薄膜、可再生垃圾袋、3D 打印耗材等產(chǎn)品，這為藻泥資源化利用提供了一條新途徑［30］。

3.8 焚燒及氣化發(fā)電

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效利用，又能減輕各類低熱值有機(jī)廢棄物的環(huán)境污染，如利用藻泥作為焚燒發(fā)電的原料，尤其適用于藻毒素含量較高的藻泥。經(jīng)焚燒后，有機(jī)質(zhì)以氣體形式散發(fā)，殘?jiān)鼮闊o(wú)機(jī)灰燼，最終實(shí)現(xiàn)安全處置。氣化發(fā)電是一種較為先進(jìn)的藻泥資源化利用技術(shù)，目前尚處于試驗(yàn)性和初試應(yīng)用階段，其產(chǎn)業(yè)化需要大量的生物質(zhì)供應(yīng)，未來(lái)可作為藻泥處置的有效方式之一。

4 存在問(wèn)題與控制利用建議

藍(lán)藻打撈處置尚存在較多問(wèn)題，主要包括：藍(lán)藻打撈和濃縮難，藍(lán)藻資源化利用或處置時(shí)運(yùn)輸成本和前處理費(fèi)用較高；藍(lán)藻脫毒是資源化利用的最大障礙，目前缺少完善的降解技術(shù)；資源化利用率低；藍(lán)藻無(wú)害化處置、藍(lán)藻資源化利用項(xiàng)目投資大，運(yùn)行成本較高，且藻泥產(chǎn)量波動(dòng)較大，容易造成生產(chǎn)設(shè)備閑置。

藻類資源化利用雖能解決藻泥問(wèn)題，同時(shí)又能將藻類轉(zhuǎn)化為人類可利用的資源或能源，理論上具有良好的應(yīng)用前景，但目前國(guó)內(nèi)外的藍(lán)藻資源化利用技術(shù)尚不成熟，總體利用水平較低，需要綜合考慮藻類資源化利用的經(jīng)濟(jì)可行性、安全性和技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，并需要加強(qiáng)與其他污水處理技術(shù)工藝的有效結(jié)合，以加強(qiáng)藍(lán)藻資源化利用及更好地應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。