全 文 ：·35·
0 引言
随着微藻产业， 尤其是能源微藻产业的快速
发展， 微藻收集环节在整个微藻能源产业链中的
重要性逐渐凸显。据估算，该环节可能占整个微藻
生物柴油生产成本的 20%～30%[1]。因此，对不同微
藻收集技术进行研究以及经济性评价， 有助于能
源微藻产业的顺利、快速发展。 目前，已知的微藻
收集方法有沉淀、离心、浮选、絮凝、过滤、超声和
电泳法[2]~[5]。尽管人们对上述微藻收集方法开展了
相关研究和应用，但由于上述方法均存在缺点，例
如，沉淀法耗时较长，离心、浮选、超声和电泳等方
法耗能较高，过滤法易堵塞。因此，到目前为止，仍
未开发出可在微藻产业中广泛使用的低成本高效
收集技术。 上世纪 80年代，絮凝法已经被用于微
藻收集 [6]，但在微藻规模培养产业中未见报道，且
到目前为止，用于微藻收集的絮凝剂研发还很少。
因此，开展絮凝收集微藻的研究，可对絮凝技术在
能源微藻产业的应用进行科学评价， 同时为开发
高效低成本絮凝剂提供理论依据。
目前，絮凝技术主要用于污水处理行业，广泛
使用的阳离子絮凝剂分为无机、 合成有机高分子
和天然生物高分子絮凝剂[7]，[8]。由于无机絮凝剂价
格相对较低，生产工艺过程较为成熟，因此使用相
对广泛。该类型絮凝剂主要包括铝铁聚合絮凝剂、
收稿日期： 2009-12-23。
基金项目： 中国科学院太阳能行动计划项目（KGCX2-YW-374-4、KGCX-YW-373-2）；中科院支持天津滨海新区建设科技行动计划项
目（TJZX2-YW-21）；山东省科技发展计划项目（2009-GG10005004）。
作者简介： 张亚杰（1977-），男，汉族，助理研究员，主要从事能源微藻的规模培养研究。 E-mail：zhangyj@qibebt.ac.cn
通讯作者： 郭荣波（1970-），男，汉族，研究员，博士生导师，主要从事生物制氢、能源微藻产业化研究。 E-mail：guorb@qibebt.ac.cn
阳离子絮凝剂对小球藻浓缩收集效果的研究
张亚杰， 罗生军， 蒋礼玲， 郭荣波
（中国科学院 青岛生物能源与过程研究所， 山东 青岛 266101）
摘 要： 研究了 3 种代表性阳离子絮凝剂：聚合氯化铝（PAC）、聚合硅酸硫酸铝（PASS）和聚二甲基二烯丙基氯
化铵（PDADMA）对小球藻（Chlorella vulgaris）的浓缩效果，并对其实际应用的经济性进行了评价。结果表明，3 种
絮凝剂均能高效浓缩小球藻，但浓缩成本相对较高，因此，亟需开展优化絮凝工艺过程和开发高效低成本的絮
凝剂研究，解决限制能源微藻产业快速发展的收集瓶颈问题。
关键词： 微藻； 阳离子絮凝剂； 经济性评价
中图分类号： Q949.2； S216.2 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2010）03-0035-04
Effect of cationic flocculants on microalgae harvesting
ZHANG Ya-jie， LUO Sheng-jun， JIANG Li-ling， GUO Rong-bo
（Qingdao Institute of BioEnergy and Bioprocess Technology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266101， China）
Abstract： Three kinds of typical cationic flocculants: aluminium polychloride （PAC）, polyalu-
minium silicate sulfate （PASS） and poly （diallyldimethylammonium chloride） （PDADMA） have
been studied for the recovery of Chlorella.vulgaris, and the economic evaluation for their utiliza-
tion in microalgae biomass harvesting was conducted. The results showed that the three kinds of
flocculants are able to recover C.vulgaris efficiently, but the cost is relatively high. Therefore, in
order to reduce the cost of microalgae harvesting by flocculation technology, it is urgent to optimize
the process of recovery and to develop cost-effective flocculants.
Key words： microalgae； cationic flocculant； economical evaluation
可再生能源
Renewable Energy Resources
第 28 卷 第 3 期
2010 年 6 月
Vol.28 No.3
Jun. 2010
DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2010.03.007
·36·
单阳离子聚合絮凝剂和多阳离子聚合絮凝剂。 合
成有机高分子絮凝剂具有毒性较小的优点， 在一
些特殊行业得到了广泛使用，但价格相对较高，约
为无机聚合絮凝剂的 10倍。天然生物高分子絮凝
剂几乎无任何毒性，但价格更加昂贵，因此，很少
使用。
本研究选择了 3种具有代表性的阳离子絮凝
剂，分别是无机絮凝剂聚合氯化铝（属铝铁聚合絮
凝剂）、聚合硅酸硫酸铝（属单阳离子聚合絮凝剂）
和有机絮凝剂聚二甲基二烯丙基氯化铵， 选择小
球藻（Chlorella vulgaris）作为收集藻种，对上述 3
种絮凝剂的絮凝效果以及经济性进行了综合评
价， 为絮凝技术在能源微藻规模培养产业中的应
用奠定了理论基础。
1 材料和方法
1.1 小球藻培养
本研究以普通小球藻 （Chlorella vulgaris）为
实验材料。 培养基营养盐组分（g/L）：尿素，0.3；
NH4HCO3，0.5；KH2PO4，0.05；MgSO4，0.03；FeSO4
（现配现用），0.008；NaCl，1.0。 培养容器为 5 L 圆
柱状光生物反应器（直径 12 cm，高度 50 cm），光
暗周期为 16 h∶8 h。 培养温度为室温，约 25℃。 光
生物反应器侧表面光照强度为 200 μmol/（m·s）。
光照期间以 0.1 L/min的流速补充 15% CO2。 每天
检测小球藻的生长状态， 在指数生长中后期进行
取样，用于絮凝实验。
1.2 絮凝剂浓缩浓度的测定
取处于指数生长中后期的藻液 200 ml， 向藻
液中添加不同浓度的絮凝剂， 在磁力搅拌器上先
以 120 r/min 的转速搅拌 5 min， 再以 20 r/min 转
速搅拌 10 min，然后静止沉降 15 min，测量上表层
培养液 OD750nm值，用于确认沉降效果。 在初始预
实验及相关文献报道的基础上， 本实验采用的 3
种絮凝剂的絮凝浓度 （mg/L）分别为 PAC：0（对
照），50，100，125，150，200，220；PASS：0 （对照），
100，150，213，215，220，222.5，225，250；PDADMA：
0（对照），20，25，35，45，55，65。
上述添加絮凝剂的藻液静置过夜沉降后，再
次测量微藻的沉降效果。 由于液面表面均呈澄清
状态 （OD750 nm<0.01）， 无法表明絮凝剂的实际效
果，因此，取液面下 2 cm 处（藻液总高度约为 4.5
cm）的藻液，测量 OD750nm吸收值。
根据预实验确定的小球藻密度和 OD750nm吸收
值的相关公式：Y=0.2647x+0.003（r2=0.9918，P<0.001）
计算 200 ml 藻液中小球藻沉降质量。 其中，x 为
OD750nm吸收值；Y为单位体积藻细胞干重，g/ L。
1.3 小球藻絮凝时间的测定
根据絮凝剂浓缩浓度的测定实验，选用在 15
min 浓缩时间内可使藻液 OD750 nm吸收值下降一
半所对应的絮凝剂浓度进行小球藻絮凝时间的测
定。取指数生长中后期藻液，分别添加 3种絮凝剂
至上述特定浓度，混合均匀，立即取 3 ml 藻液放
入 4.5 ml 比色皿中， 连续检测藻液 OD750 nm吸收
值，测定 3种絮凝剂的絮凝沉降时间。
1.4 残留絮凝剂对培养液循环利用过程中小球藻
生长的影响
对经过絮凝处理的藻液进行离心（3 000 xg、
离心 10 min），取上清液，然后使用 0.22 μm 微孔
滤膜对培养液过滤， 获得絮凝处理后的培养液。
于 200 ml 培养液中接种藻液 5 ml，静置培养。 培
养条件：光暗周期为 16 h∶8 h，培养温度为 25 ℃，
三角瓶表面光照强度为 200 μmol/（m·s）。通过测
量藻液 OD750 nm吸收值的变化检测小球藻生长状
态。
1.5 统计分析
本研究中所有实验数据均是 3～5个重复数据
的平均结果±SE。 统计分析软件为 Sigmaplot10.0。
2 结果
2.1 絮凝剂浓缩小球藻的效果
如图 1A 所示，3 种絮凝剂均能浓缩小球藻，
但 3种絮凝剂浓缩小球藻的浓度范围存在较大差
异。 藻液经过 15 min的浓缩沉降，结果发现，藻液
中 PAC 和 PASS 的浓度在 225 mg/L 时， 可浓缩
95%以上小球藻生物质，PDADMA 在 65 mg/L 时，
浓缩 80%左右的小球藻生物质。
0 60 120 180 240 300
絮凝剂浓度/mg·L-1
0
0.4
1.2
0.8
1.6
2.0
OD
75
0n
m
PAC
PASS
PDADMA
A
可再生能源 2010，28（3）
小球藻浓缩效果曲线（图 1A）表明，3 种絮凝
剂浓度变化均呈“S”型。 其中 PAC 浓度变化呈典
型的“S”型；PASS在较窄的浓度范围内，浓缩小球
藻的效果发生急剧变化。
过夜浓缩效果曲线（图 1B）表明，随着浓缩时
间的延长， 可以进一步地提高浓缩小球藻生物质
的效果。 与 PAC 和 PDADMA 随时间延长提高浓
缩小球藻生物质的效果相比，PASS过夜浓缩效果
最为明显。 213 mg/L 的 PASS 过夜沉降 ， 藻液
OD750 nm 吸收值从 1.387 下降至 0.292；50 mg/L 的
PAC 过夜沉降，藻液 OD750 nm吸收值从 1.164 下降
至 0.596，20 mg/L 的 PDAMDA 过夜沉降 ， 藻液
OD750nm吸收值从 1.303下降至 0.655。 3种絮凝剂
在上述浓度过夜沉降，OD750 nm吸收值分别下降了
78.9%，48%和 49.7%。
200 ml藻液中小球藻质量可由小球藻密度和
OD750nm吸收值的相关公式计算获得， 由对应使用
的絮凝剂浓度获得 200 ml 藻液中絮凝剂质量，
单位絮凝剂质量浓缩小球藻的质量由小球藻质量
除以絮凝剂质量获得。 本实验中使用的絮凝剂浓
度梯度为 7～9个， 取单位质量絮凝剂最大浓缩小
球藻质量作为絮凝剂浓缩效果指标（表 1）。 1 g
PAC约浓缩 1.44 g小球藻生物质，1 g PASS约浓缩
1.70 g 小球藻生物质，1 g PDADMA 约浓缩 5.62 g
小球藻生物质， 后者分别是前两者浓缩小球藻生
物质量的 3.3和 3.9倍。
2.2 小球藻浓缩效果随时间的变化规律
结果如图 2所示，随着絮凝时间延长，小球藻
浓缩量逐渐增加，且沉降时间曲线变化趋势相似。
当藻液 OD750 nm≤0.1 时 ，PAC，PASS 和 PDADMA
的沉降时间分别为 60，90和 300 min。
2.3 培养液中残留絮凝剂对小球藻生长的影响
为了研究絮凝剂浓缩小球藻之后的培养液循
环培养小球藻的效果， 利用絮凝剂浓缩小球藻后
的培养液重新培养小球藻，对藻液的 OD750 nm吸收
值连续监测 7 d，发现随培养时间延长，OD750 nm吸
收值逐渐由初始 0.045～ 0.05 降低至 0.02，甚至更
低。 通过镜检观察发现，小球藻在初始 2 d以聚集
体形式存在，3 d之后， 藻液中的藻体碎片数量增
加，活体细胞数量减少，表明小球藻逐渐死亡。 培
养至第 7 d，镜检几乎未观察到小球藻活体细胞。
2.4 经济性
根据目前 PAC，PASS 和 PDADMA 的市售价
格和 1 g絮凝剂浓缩小球藻生物质的质量（表 1），
计算得到的经济性指标表明， 浓缩 1 t 小球藻生
物质的成本差异较大 （表 2）。 PASS 成本相对最
低 ， 为 589 ～825 元/t，PAC 为 697 ～975 元/t，
PDADMA最高，为 1 957～ 2 579元/t。
表 1 3 种絮凝剂浓缩小球藻（Chlorella.vulgaris）
质量比较
Table 1 Comparison of qualities of C. vulgaris
concentrated by three different flocculants
絮凝剂种类 每克小球藻絮凝剂用量/g·g-1
聚合氯化铝（PAC） 1.435 6 ± 0.036 8
聚合硅酸硫酸铝（PASS） 1.696 4 ± 0.014 7
聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMA） 5.6213 ± 0.0127
·37·
张亚杰，等 阳离子絮凝剂对小球藻浓缩收集效果的研究
图 1 絮凝剂浓度与小球藻（Chlorella.vulgaris）浓缩效果
之间的关系
Fig.1 Relation of different flocculant concentrations and
effect of concentrating C. vulgaris
0 60 120 180 240 300
絮凝剂浓度/mg·L-1
0
0.2
0.6
0.4
0.8
OD
75
0n
m
PAC
PASS
PDADMA
B
表 2 3 种絮凝剂浓缩小球藻（Chlorella.vulgaris）的
成本比较
Table 2 Comparison of costs for concentrating C. vulgaris
絮凝剂种类 市售价格/元·t-1 浓缩小球藻价格/元·t-1
聚合氯化铝（PAC） 1 000~1 400 697~975
聚合硅酸硫酸铝（PASS） 1 000~1 400 589~825
聚二甲基二烯丙基氯化铵 11 000~14 500 1 957~2 579
（PDADMA）
生物燃料卷土重来 千年桐成希望之树
·38·
可再生能源 2010，28（3）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!

原料一直是限制国内生物燃料发展的瓶颈
病痛，千年桐或许能成为解决这一病痛的良药。
连续几月，西南五省旱情加重，千万居民用
水紧张。然而，在贵州的山林间，干裂的土地上却
时常出现惊人的一幕：当地的一些农民宁愿忍受
咽干口燥之苦，也要将难得的饮用水节省下来，
一勺一勺精心地浇灌那片承载着他们财富希望
的桐林。
这种名叫千年桐的植物一年前在湖南省开
始大规模种植成林，在湖南的芷江、会同等 16个
地区，它们的根须密集地纠缠在地下。去年年底，
千年桐被成片地种植在了贵州的蓝天之下。
这种植物被赋予了 500亿的财富梦想，与之
前风靡一时的麻风树相比，它被鉴定为目前最为
理想的生产生物替代柴油的原料。
（摘编自：中国新能源网）
3 讨论
由实验结果可知，3 种絮凝剂均可浓缩小球
藻， 为絮凝剂在微藻收集上的实际应用提供了理
论依据。但不同絮凝剂的絮凝机理可能存在差异，
如图 1A所示，3种絮凝剂有效浓缩小球藻的浓度
变化范围差异较大， 同时通过观察不同絮凝剂浓
缩小球藻实验过程之后的聚集体体积，发现 PAC
和 PASS 浓缩小球藻聚集体呈絮状， 且后者沉降
聚集体体积较小，而 PDADMA絮凝聚集体呈颗粒
状，沉降聚集体体积最小。 因此，进一步加强不同
絮凝剂浓缩小球藻的机理研究， 可为用于微藻收
集的絮凝剂研发提供理论依据。
浓缩时间直接影响能源微藻工业的生产周
期。小球藻絮凝时间结果表明，不同絮凝剂达到相
同浓缩效果，所需时间存在较大差异。虽然随絮凝
时间延长，浓缩效果有所提高，但不同絮凝剂随沉
降时间延长浓缩效果差异较大，因此，选择合适的
絮凝剂和优化浓缩沉降时间， 将有利于提高微藻
的浓缩效果。
实验结果同时表明， 提高 3种絮凝剂在藻液
中的浓度，均可有效提高浓缩效果，但随絮凝剂在
藻液中的浓度升高， 藻液中絮凝剂的残留量可能
增加，将会造成培养液循环利用的困难，培养液中
残留的絮凝剂会造成重新接种的小球藻聚集，影
响微藻正常生长。因此，综合考虑浓缩沉降时间和
絮凝剂浓度的双重效果， 应当采取合适的低浓度
絮凝剂、适当延长浓缩时间的方式进行微藻收集。
浓缩成本直接影响絮凝剂在微藻工业中的实
际应用。本研究中使用的 3种絮凝剂浓缩小球藻的
成本相对较高，最低约为 589元/t。以目前国际原油
价格每桶 80 美元计算 ，每吨原油的价格在
4 000元左右，以每吨微藻生产 0.3 t生物柴油计算，
则絮凝剂成本几乎占整个生产成本的 1/3。 絮凝剂
过夜沉降实验的结果表明， 通过延长絮凝时间，絮
凝效果可提高约 1倍， 从而可减少絮凝剂的用量，
大幅降低收集成本。 因此，延长絮凝时间和开发低
成本高效絮凝剂，可以有效降低收集环节的生产成
本，解决限制微藻工业发展的收集瓶颈问题。
参考文献：
[1] GRIMA ME, BELARBI EH, FERNANDEZ FGA, et al.
Recovery of microalgal biomass and metabolites: pro-
cess options and economics [J]. Biotechnology Ad-
vances, 2003，20（7-8）：491-515.
[2] SIM TS，GOB A，BECKER EW. Comparison of centrifu-
gation, dissolved air flotation and drum filtration tech-
niques for harvesting sewage-grown algae [J]. Biomass,
1988, 16（1）： 51-62.
[3] KNUCKEY RM, BROWN MR, ROBERT R, et al. Pro-
duction of microalgal concentrates by flocculation and
their assessment as aquaculture feeds [J]. Aquacultural
Engineering, 2006，35（3）：300-313.
[4] BOSMA R，VAN SPRONSEN WA， TRAMPER J，et al.
Ultrasound, a new separation technique to harvest mi-
croalgae [J]. Journal of Applied Phycology, 2003，15
（2-3）：143-153.
[5] 郭朋朋，耿金峰，张晋阳，等 .收集微藻的方法和装置
[P].中国专利：CN 101514324A，2009-09-26.
[6] SUKENIK A, BILANOVIC D & SHELEF G. Floccula-
tion of microalgae in brackish and sea waters [J].
Biomass, 1988, 15（3）：187-199.
[7] 靳侠侠，张伟才.絮凝剂的种类之浅谈[J].过滤与分离，
2009，19（4）：44-48.
[8] 许国威. 无机高分子絮凝剂技术简述 [J]. 科技资讯，
2009（12）：5.