当前世界环境

介绍

水是地球上最重要的物质之一。所有的动植物都必须有水才能生存。如果没有水，地球上就不会有生命。¹它覆盖了地球表面的71%，对所有已知的生命形式都至关重要。但是地球上只有2.5%的水是淡水。快速的城市化和工业化释放出大量的废水，这些废水日益被用作城市和城郊农业灌溉的宝贵资源。它推动了重大的经济活动，支持了无数人的生计，尤其是贫困农民的生计，并极大地改变了自然水体的水质。²由于工业化和城市化，污染越来越严重，在大多数发展中国家，这种被污染的水的消耗及其卫生问题的风险日益增加。这一日益严重的水资源短缺问题对全世界的经济发展、人类生计和环境质量产生了重大的负面影响。^3.因此，它已成为当今环境保护水的吞噬需求，从而保护水免受污染或发展其经济效益的保护方法。

传统的污水处理方法自古以来就有^{4、5、6、7、8、9、10}但是它们非常昂贵而且不经济。因此，新的绿色技术方法正在被引入，以克服传统的污水处理方法。^{12、13、14、15}本研究涉及的绿色技术新方法，证明了它们优于传统方法;其中，利用微藻进行低成本废水处理是一种有潜力的方法。通过文献调查，了解微藻废水处理的新方法及其发展现状，以及微藻在自然水资源管理中的应用。

背景

利用微藻处理废水的概念最早是由Oswald在1950年提出的^16、17并且该概念后来扩大，提出了通过收获和利用藻类生物量的能量产生来利用该系统。¹⁸Shirai F等在1998年对酱油废水的处理进行了研究，其中包括四种微藻¹⁹他们将这种方法应用于从收获微藻获得的生物质中发酵乙醇。在那之后，许多科学家将他们的研究工作转向使用不同类型的微藻来处理各种工业和城市废水。^{20日,21日,22日,23日,24日,25日,26日}

利用微藻处理废水的绿色方面

使用微藻的废水处理显示其潜力朝着绿化环境的潜力及其在绿色技术方法中应用它的适用能力。它遵循Paul T. Anastas提供的绿色化学的大部分基本原则。²⁷下面列出了该技术的绿色应用。

1. 去除营养污染物和重金属
2. 成本效益
3. 低能量需求
4. 有用生物量的生产
5. 减少污泥形成
6. 藻类的生物量中含有超过50%的石油
7. 它们提供更高产量的生物质和燃料
8. 是同类能源作物的10-100倍
9. 它们可以在不适合常规作物生产的条件下生长。

微藻的营养去除能力

废水处理的一个主要要求是在排放和再利用之前将营养物质和有毒金属去除到可接受的限度。²⁸藻类是自触发，即它们可以将有机分子本身从无机营养素合成。平均藻类细胞中最常见的元素的化学计量公式是C106H181O45N16P，并且元件SSH将在这些比例中存在于培养基中以获得最佳生长。²⁹微藻已经被证明可以有效地去除各种废水中的氮、磷和有毒金属。^30、31、32藻类在城市中的生长有广泛的研究^33、34农业^35、36和工业废水。^37、38在这些研究中获得了大量的养分去除和藻类生物量生产。因此，控制微藻培养是一种有潜力的废水生物处理方法。

这种综合废水处理和生物燃料生产系统可以使社区和环境受益。^39.

氮去除

氮是所有生物生长所必需的一种关键养分。有机氮存在于多种生物物质中，如多肽、蛋白质、酶、叶绿素、能量转移分子(ADP、ATP)和遗传物质(RNA、DNA)[40]。有机氮来源于无机来源，包括硝酸盐(NO3_)、亚硝酸盐(NO2_)、硝酸(HNO3)、铵(NH4þ)、氨(NH3)和氮气(N2)。微藻在将无机氮转化为有机氮的过程中起着关键作用，这一过程被称为同化。此外，蓝藻还能通过固定作用将大气中的氮转化为氨。

磷去除

磷也是藻类能量代谢的关键因素，存在于核酸、脂类、蛋白质和碳水化合物代谢的中间体中。无机磷酸盐在藻类细胞的生长和代谢中起着重要的作用。磷酸盐通过有能量的运输通过藻细胞的质膜进行转运。微藻不仅利用无机形式的磷，而且一些种类的藻类能够利用在有机酯中发现的磷来生长。^41.

其他营养物质

虽然氮和磷是富营养化的两种主要营养素，是大多数生长情景中的限制因素，^42.其他微量元素，包括硅和铁，可以影响浮游植物群落的丰度。^43.然而，许多微量营养素在高浓度时对大多数藻类是有毒的。其中一些还与其他基本元素形成沉淀，减少了它们的可用性。然而，一些藻类菌株对重金属有特别的耐受性，它们吸收金属的潜力已经被证明。^44.

低能量需求

传统的污水处理工艺需要机械曝气为好氧细菌提供氧以消耗废水中的有机物，而在藻类废水处理中，藻类为好氧细菌提供氧。曝气是一个能源密集型的过程，占废水处理厂总能源成本的45 - 75%。藻类提供了一种有效的途径来消耗营养物质，并通过光合作用为需氧细菌提供所需的氧气。在活性污泥处理过程中去除大约1公斤的BOD需要曝气1千瓦时的电力，发电产生1公斤的化石二氧化碳(Oswald, 2003)。相比之下，通过光合作用氧化去除1千克的BOD不需要能量输入，并且产生足够的藻类生物来产生甲烷，可以产生1千瓦时的电力(Oswald, 2003)。

成本效益

与活性污泥法和其他二次处理工艺相比，它是一种更经济有效的去除生化需氧量、病原体、磷和氮的方法(Green et al.， 1996)。^45.

生产有用的藻类生物质

得到的藻类生物量是有用产品如生物柴油的源。Previous research in the early 1990’s by the National Renewable Energy Laboratory (NREL) showed that under controlled conditions algae are capable of producing 40 times the amount of oil for biodiesel per unit area of land, compared to terrestrial oilseed crops such as soy and canola (Sheehan et al., 1998).^46.然而，它们的结果还表明，当时的能源产量的大规模藻类培养是不经济的，并建议将来的废物流集成研究（Sheehan等，1998）。希望通过将生物柴油原料生产与农业或市政废水处理和CO2固定结合，最终将改善经济学。

污泥形成的减少

在传统的废水处理系统中，主要目的是尽量减少或消除污泥。工业废水通常使用各种有害化学物质进行处理，以纠正pH值，去除污泥，去除颜色和气味。在污水处理中广泛使用化学品会产生大量的污泥，这些污泥形成工业产生的所谓有害固体废物，并最终通过填埋场进行处置。在藻类废水处理设施中，藻类生物质产生的污泥具有丰富的能量，可以进一步处理以制造生物燃料或其他有价值的产品，如肥料。藻类技术避免了化学品的使用，整个废水处理过程简化了。污泥的形成大大减少。¹⁵

GHG减排

碳，以二氧化碳的形式，可以通过自养微藻的光合作用从大气和工业废气中固定下来。碳也可以以可溶性碳酸盐的形式用于细胞生长，通过碳酸酐酶活性直接吸收或将碳酸盐转化为游离二氧化碳。利用藻类来减少烟道气体中的二氧化碳是另一个研究重点，如果有效的话，对环境和生物燃料生产都有好处。²⁸美国环境保护署(EPA)明确指出，传统废水处理厂是温室气体的主要贡献者。^48.藻类废水处理也会释放二氧化碳，但藻类在生长过程中消耗的二氧化碳比植物释放的二氧化碳要多，这使得整个系统都是负碳的。

其他 应用程序

藻类可以用来制造生物乙醇和生物丁醇，据估计，与出于同样目的而种植的陆生作物相比，藻类可以产生大量的植物油。藻类可以用来生产氢气。1942年，一位名叫汉斯·加夫隆(Hans Gaffron)的德国研究人员在芝加哥大学工作时发现，他所研究的莱茵衣藻(一种绿藻)有时会从生产氧气转变为生产氢气。^47.可以生长藻类以产生生物质，这可以燃烧以产生热量和电力。

结果

微藻具有天然的污水处理特性。它具有自洁能力，可提取约90%的硝酸盐、80%的硫酸盐和70%的磷酸盐用于生长发育。在它们的生长过程中，它们吸收阳光和CO₂从环境中进行光合作用同时回顾文献我们发现,废水处理利用微藻的积极应用传统的方法,因为它是有用的在废水处理,二氧化碳封存,成本有效,卫生和生产生物柴油等可再生能源,生物燃料,甘油,沼气、氢气、生物肥料等。

结论

综上所述，微藻处理城市污水的绿色技术方法应在所有发展中国家和发达国家推广应用，以保护工业和生活污水对环境造成的污染。

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