本文发表于 Bioresource Technology 期刊第 222 卷（2016 年），作者包括 Yue Wang、Shih-Hsin Ho、Chieh-Lun Cheng、Wan-Qian Guo、Dillirani Nagarajan、Nan-Qi Ren、Duu-Jong Lee 和通讯作者 Jo-Shu Chang。通讯作者 Chang 隶属于台湾成功大学化学工程系，其他作者分别来自哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室、台湾成功大学化学工程系、台湾大学化学工程系以及成功大学能源技术与策略研究中心。本文是一篇综述性论文（review），系统性地探讨了利用微藻进行工业废水处理的可行性，重点涵盖了微藻-细菌联合体系（microalgae-bacteria consortium）的作用机制、不同工业废水的处理策略、光生物反应器（photobioreactor）的设计以及经济可行性评估。

本文的学术背景建立在微藻作为生物燃料生产原料的巨大潜力之上。尽管微藻的光合效率比陆地植物高出约 20%，能够将二氧化碳和太阳能转化为生物柴油、生物乙醇和生物丁醇等多种生物能源，但全球微藻生物质年产量仅为约 9000 吨，且生产成本高达每公斤 20 至 200 美元，严重制约了其商业化应用。为了降低成本，将微藻培养与废水处理相结合被认为是可行的解决方案，因为微藻能够有效去除废水中的氮、磷、有机碳、挥发性脂肪酸（VFAs）、药物化合物、纺织染料化合物以及重金属等多种污染物。本文旨在批判性地讨论微藻基废水处理的可行性，包括藻种选择策略、废水类型的影响、光生物反应器设计、经济可行性评估以及其他影响处理性能的关键因素，同时重点讨论微藻-细菌联合体系处理工业废水的潜力。

本文的第一个主要观点是微藻-细菌联合体系在废水处理中具有显著优势，但也面临诸多挑战。文章指出，微藻在废水处理中常因藻类有机物（algal organic matters, AOM）的分泌而导致出水中化学需氧量（COD）升高，同时微藻对高 COD 负荷的耐受性较低，通常只能在 COD 低于 5000 mg/L 的废水中良好生长。此外，大多数微藻只能在 25–35 ℃ 的温度范围内正常生长，这限制了其在极端环境条件下的应用。为克服这些障碍，发展藻-细菌联合体系被认为是一种理想策略。在该体系中，传统活性污泥中的细菌能够有效去除有机碳源并产生二氧化碳，而藻类通过光合作用将二氧化碳转化为生物质并释放氧气以支持细菌生长。这种共生关系不仅避免了外部供氧需求，还能促进营养物质同化进入生物质并减少二氧化碳排放。文章还详细描述了微藻-细菌联合体形成的四个阶段：微藻吸附到絮凝污泥表面、新生细菌附着到微藻表面、微藻与细菌在颗粒中均匀分布、以及成熟联合体的形成。然而，该体系也面临藻类与细菌之间复杂的三方相互作用以及浮游植物-细菌关系从共生到寄生的不确定性等挑战。

本文的第二个主要观点涉及微藻藻种的选择。文章指出，用于废水处理和生物燃料生产的微藻应具备高生长速率、高脂质含量和生产力、对废水中金属离子和有毒化合物的高耐受性、高氨氮耐受性、高氧气生成速率以及强二氧化碳固定能力。常见的应用藻种包括小球藻属（Chlorella sp.）、栅藻属（Scenedesmus sp.）、链带藻属（Desmodesmus sp.）和一些蓝藻（cyanobacteria）。例如，Chlorella sp. 因其在去除氮、磷和 COD 方面的优异能力而被广泛应用于废水处理；Scenedesmus sp. 则能够在高盐度养猪废水中生长。此外，Botryococcus braunii 因其能够合成并储存大量脂质而被用于地毯工业废水的营养源培养，获得了较高的生物质和脂质生产力。文章还列举了多种微藻在不同工业废水处理中的应用实例，并强调了根据不同废水来源选择不同微藻机制的重要性，包括生物吸附（bio-adsorption）、生物累积（bio-accumulation）、生物混凝（bio-coagulation）和生物转化（bio-conversion）四种主要机制。

本文的第三个主要观点集中于制药废水的微藻处理。药物活性化合物（pharmaceutically active compounds, PhACs）在水生环境中的广泛存在已成为对野生动物和人类的严重风险。文章以卡马西平（carbamazepine, CBZ）为例，指出 Chlamydomonas mexicana 和 Scenedesmus obliquus 对 CBZ 的生物降解率分别可达 35% 和 28%。在 CBZ 胁迫下，微藻细胞内的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和过氧化氢酶（catalase, CAT）等抗氧化防御酶活性会发生变化，以应对活性氧（reactive oxygen species, ROS）的毒性。研究还发现，微藻联合体在去除咖啡因和布洛芬等新兴污染物方面表现出较高的效率，但不同化合物和不同培养条件下的去除率差异显著。微藻生物降解能够避免有毒中间产物的形成，这被认为是微藻处理制药废水的重要优势。

本文的第四个主要观点是关于含染料废水的处理。纺织工业每年产生超过 70 万吨染料，其废水具有高色度、高盐度、高温、pH 变化大和高 COD 等特点。微藻通过生物吸附或还原机制去除染料，其中 Chlorella vulgaris 对偶氮染料具有较高的耐受性，甚至能在 400 mg/L 的 Tectilon Yellow 2G 存在下生长，并能将染料转化为苯胺。多种藻类如 *Caulerpa lentillifera*、Synechocystis sp. 和 Phormidium sp. 等也被用于染料去除，去除效率因藻种和染料分子结构而异。吸附等温线模型如 Langmuir 和 Freundlich 模型被用于描述微藻生物吸附过程，结果表明染料在藻细胞壁上的吸附可能为单层覆盖或非均质表面吸附。此外，藻-细菌生物膜体系在染料废水处理中也显示出较高的潜力。

本文的第五个主要观点涉及含金属废水的处理。藻类和蓝藻细胞壁富含带负电荷的官能团（如羟基、氨基、羧基或巯基），能够与带正电荷的金属离子紧密结合，从而实现金属去除。除表面吸附外，金属去除机制还包括生物累积、螯合物形成以及细胞内或表面沉淀。研究表明，藻-细菌联合体对铜和镉的去除效率分别可达 80% 和 100%，且联合体的金属去除能力优于单一微生物，体现出协同效应。然而，重金属也会通过取代或阻断光合作用相关酶活性位点中的金属原子而抑制光合作用。未来研究需要进一步阐明藻-细菌联合体去除重金属的机制及其协同效应。

本文的第六个主要观点讨论了农业工业废水的处理。这类废水通常含有高浓度氨氮，与富营养化密切相关。许多微藻能够在营养丰富的环境中快速生长，并将废水中的氨氮等营养物质转化为生物质。然而，部分农业工业废水的 COD 高达 20,180 mg/L，因此通常需要对原废水进行适当稀释或采用厌氧消化作为预处理。在最佳条件下，微藻对氨氮的去除效率可达 90% 以上。蓝藻如 Oscillatoria sp.、Anabaena sp. 和 Spirulina sp. 还能通过固氮作用将元素氮还原为铵态氮，且它们对氮源的利用顺序为铵态氮 > 硝态氮 > 元素氮。高浓度氨氮会抑制硝酸盐的吸收，而高温有利于游离氨的形成，但嗜碱物种如 Spirulina platensis 对游离氨的毒性具有较高的耐受性。

本文的最后一个主要观点涉及光生物反应器的设计。微藻光生物反应器可分为开放系统和封闭系统，以及悬浮培养和固定化培养。开放式池塘系统运行成本低、操作简单，但易受污染且依赖自然环境；封闭式光生物反应器则具有更高的细胞生长效率和更低的污染风险，但资本和运行成本较高。近年来，生物膜反应器（biofilm reactor）因其能够提高藻类培养密度、减少水资源和土地占用而受到越来越多的关注。例如，旋转藻类生物膜反应器（rotating algal biofilm reactor, RABR）的生物质生产力可达 31 g/m²/d，远高于悬浮系统的 7.4 g/m²/d。此外，光序批式反应器（photo-sequencing batch reactor, PSBR）能够在无曝气条件下实现高效的氮磷去除。藻类膜生物反应器（algae membrane bioreactor, A-MBR）在连续培养模式下可获得 73.4% 的总氮去除率和 91.3% 的总磷去除率。载体材料的固定化培养也被用于提高营养物去除效率，但载体需具备低成本、无毒、结构稳定和传质效率高等特点。

本文的结论指出，微藻及微藻-细菌联合体能够通过生物吸附或生物转化途径成功用于富营养废水的处理，包括农业工业废水、市政废水、制药废水和纺织染料废水。藻-细菌联合体系具有多种优势，且废水处理过程中获得的微藻生物质可用于生物燃料生产或其他应用，从而实现废物减排与生物能源生产的双重目标。然而，微藻基废水处理中涉及的污染物去除和生物转化机制仍不完全清楚，需要进一步深入研究。作为一篇综述，本文系统整理了微藻废水处理领域的关键进展与挑战，为后续研究者和工程实践者提供了重要的参考框架。