微藻污水處理技術研究

　　隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，污水排放量日益增加導致水污染問題日益嚴重，加劇了水資源的短缺。不同類型的污水性質(zhì)各異，處理不當易對環(huán)境造成嚴重污染。例如，食品廠廢水、生活污水以及沼液等污水中含有大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，處理不當易造成水體富營養(yǎng)化。印染廢水中含有的有毒染料，冶金廠、電鍍廠等廢水中含有的金屬離子以及制藥廢水中含有的有毒物質(zhì)都會對環(huán)境造成不同程度的污染。傳統(tǒng)的污水處理法主要有物理法、化學法和生物法。物理法和化學法雖然可以有效去除污水中的顆粒物，但是處理成本高，易引起二次污染，且對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果差。傳統(tǒng)的生物法可以有效降低污水的COD，但對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)去除效果差，且產(chǎn)生大量低價值的活性污泥。相對于傳統(tǒng)的污水處理方法，微藻可以有效去除多種污水中的氮、磷及金屬離子，并耐受一定的有毒物質(zhì)，可處理的污水范圍極為廣泛。對此，本文分析了微藻污水處理的關鍵環(huán)節(jié)和研究進展，包括微藻藻種的選擇、微藻污水處理體系、微藻對各類污水的處理能力及微藻回收等，總結(jié)了微藻污水處理技術的優(yōu)缺點，并對微藻污水處理的應用進行了展望。

　　1、藻種的選擇

　　與傳統(tǒng)陸地作物相比，微藻有著光合效率高、生長周期短以及對氨氮和金屬離子等污染物耐受力強等優(yōu)點，可用于多種類型污水的處理。微藻種類繁多，不同藻種的污水處理能力差別很大，例如：Shanab等發(fā)現(xiàn)，相較于S.quadricauda，Ph.ambiguum對Hg2+、Pb2+、Cd2+3種金屬離子的耐受性較差。Mata等在最適培養(yǎng)條件下使用微藻Scenedesmusobliquus對已滅菌的合成啤酒廠廢水進行處理，發(fā)現(xiàn)對COD和TN的最大去除率分別為57.5%和20.8%，處理效果并不理想，還需要與其他方法聯(lián)用。為此需要根據(jù)不同種類微藻的特性有針對性地對污水進行處理(表1)。用于污水處理微藻的選用方法一般有以下幾種：

　　1)從原污水中篩選藻種。從原污水中篩選到的微藻對污水的耐受能力較強，通常不經(jīng)馴化就對污水有較好的處理效果。程海翔從養(yǎng)豬廠廢水中分離得到的柵藻對適當稀釋、滅菌后的養(yǎng)豬場沼液中NH3-N、TP、COD的去除率分別可達到98.2%、80.4%和37.1%。Wen等使用從豬場沼液中分離到的一株小球藻(MBFJNU-1)對未稀釋的豬場沼液進行為期12d的處理，發(fā)現(xiàn)該藻可去除沼液中90.51%的TN和91.54%的TP。

　　2)使用小球藻和柵藻等耐受性強、污染物去除效果好的藻種。

　　3)誘變。韓松芳等對斜生柵藻和蛋白核小球藻進行離子誘變，發(fā)現(xiàn)誘變后的斜生柵藻和蛋白核小球藻對經(jīng)沉淀、過濾聯(lián)合預處理的城市污水有較好的處理效果，兩者對城市污水中COD、NH3-N、TN、TP的去除率分別為86.4%和81.8%、100%和100%、94.3%和94.9%、93.4%和94.2%。

　　2、微藻污水處理體系

　　2.1 單一藻株進行污水處理

　　為探究微藻污水處理的可行性，許多研究者使用單一藻株對污水進行處理并得到了較為理想的效果。姜紅鷹等使用小球藻處理6個不同濃度的模擬廢水，發(fā)現(xiàn)小球藻對模擬污水中NH3-N的去除率可達到80%，對PO3-4的最高去除率接近100%。簡恩光使用小球藻處理養(yǎng)豬沼液，發(fā)現(xiàn)沼液中COD、NH3-N和TP的去除率分別可達77.61%、94.76%和80.03%。He等使用小球藻對已滅菌的、不同濃度的城市污水進行為期14d的處理，發(fā)現(xiàn)小球藻可以將ρ(NH3-N)<148mg/L污水中的NH3-N完全去除，也可以完全去除污水中的P。使用單一藻株進行污水處理，雖然可以有效去除污水中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，但是對COD等污染物的去除并不理想，甚至會出現(xiàn)COD不降反升的情況。另外，自然條件下的微藻難以保持純種的培養(yǎng)狀態(tài)，需要浪費大量時間精力進行微藻的純化和保存。此外，使用單一藻株進行污水處理需要對污水進行消毒或滅菌，體系穩(wěn)定性差，微藻極易因外來物種污染而死亡，對培養(yǎng)設備要求較高，不利于實際應用。

　　2.2 多藻體系進行污水處理

　　相較于使用單一藻株進行污水處理，多藻體系可以通過微藻間的協(xié)同作用來彌補使用單一藻株的不足。例如，多藻體系可以提高對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率、增強對外界環(huán)境的抵抗力等。Matamoros等發(fā)現(xiàn)，使用Chlorellasp.和Scenedesmussp.2種微藻聯(lián)合培養(yǎng)可成功去除城市污水和合成污水中20%的卡馬西平。Hena等從奶牛場廢水中篩選出的微藻共生體可以去除奶牛場廢水中98%以上的營養(yǎng)物質(zhì)。但是多藻體系中微藻間可能也存在拮抗作用。B?rH等研究發(fā)現(xiàn)，在由C.vulgaris和P.subcapitata組成的微藻共生體中，C.vulgaris分泌的小球藻素會嚴重抑制P.subcapitata的生長。雖然多藻體系對污水中污染物去除率更高，對外界環(huán)境的抵抗力更強，但是需要進一步探究藻株間的相互關系才能構(gòu)建出高效的多藻體系。

　　2.3 使用菌藻共生體進行污水處理

　　菌藻共生體通常由微藻和細菌間的自絮凝作用形成。這個體系結(jié)合了微藻和共生菌兩者的優(yōu)點，可有效去除污水中的N、P和COD等污染物。BeltránRocha等選用的城市污水中的土著型菌藻共生體可以去除二級城市污水中64%～79%的TN和80%～94%的PO₄^3-。Usha等使用2種柵藻在高效藻類塘(HRAP)中對濃度為60%的造紙廠廢水進行處理，發(fā)現(xiàn)該體系對COD、NO₃^--N和PO₄^3--P的去除率分別可達到75%、65%和71.29%。細菌的種類和污染物的濃度對菌藻共生體的構(gòu)建有較大影響。王亞潔在用微擬球藻處理城市生活污水時發(fā)現(xiàn)變形菌門和厚壁菌門是優(yōu)勢菌。He等的研究表明，當污水中可溶性有機碳濃度>231mg/L時，細菌會抑制小球藻的生長等。此外，初始菌藻接種比對污水處理效果也有較大影響。蘇肖鈴發(fā)現(xiàn)，在短帶鞘藻和活性污泥構(gòu)建的共生體系中，菌藻初始接種比為1∶1時對污水中NH3-N和P的去除效果最好。Su等用從污水處理廠二次濾膜上篩選的微藻和活性污泥進行污水處理，發(fā)現(xiàn)當菌藻比為1∶5時污水中N和P去除率最高，當菌藻比為5∶1時沉降性最好。菌藻共生體是一種較為有應用前景的污水處理手段，相較于單藻和多藻處理體系，使用菌藻共生體處理污水對外界環(huán)境的耐受性更強，生物質(zhì)沉降性好，處理成本更低。但是目前對菌藻共生體的污水處理機制、群落結(jié)構(gòu)以及細菌在共生體中所發(fā)揮的作用并不明確，有待進一步研究。

　　3、微藻對不同類型污水的處理

　　3.1 城市污水

　　城市污水包括城市范圍內(nèi)的生活污水、工業(yè)污水和徑流污水，其成分復雜，除含有生活污水中大量的N、P等營養(yǎng)物外，還含有少量工業(yè)污水中的有毒有害物質(zhì)。目前，許多研究已經(jīng)嘗試用微藻處理城市污水。涂仁杰等用小球藻在跑道池中對城市污水進行處理，發(fā)現(xiàn)小球藻可以有效去除城市污水中的污染物，出水水質(zhì)較為穩(wěn)定且能達到國家排放標準。劉斌的實驗證明，實驗室條件下培養(yǎng)的優(yōu)勢微藻(主要是藍藻)可去除人工模擬城市污水處理廠二級出水及實際城市污水處理廠二級出水中約60%的TN和超過90%的TP。Shen等將微藻Chlorellavulgaris和細菌Pseudomonasputida一起固定化可去除城市污水中97%的COD和100%的NH3-N和TP。相較于其他類型的污水，城市污水毒性較小，COD等污染物含量較低，易采用微藻處理。

　　3.2 沼液

　　沼液是秸稈、畜禽糞便等有機質(zhì)經(jīng)發(fā)酵后形成的褐色明亮液體，其中以畜禽糞便發(fā)酵形成的沼液居多。近年來，隨著我國對畜禽產(chǎn)品的需求量不斷增長，沼液排放量不斷增多。雖然厭氧發(fā)酵可以去除養(yǎng)殖廢水中大部分有機物，但是出水沼液中COD及氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量仍然較高。為有效解決沼液污染問題，許多研究者嘗試用微藻進行沼液處理。王忠江等使用小球藻FACHB-5和FACHB-8對未滅菌的秸稈發(fā)酵沼液與BG-11培養(yǎng)基混合成的污水進行處理，發(fā)現(xiàn)當秸稈發(fā)酵沼液含量分別為20%、30%、40%時，2種小球藻均可去除污水中90%以上的COD、96%以上的TN和92%以上的TP。李巖等的研究證明，經(jīng)過7d的培養(yǎng)，小球藻可去除未經(jīng)稀釋的豬場沼液中85%的NH3-N和55%的COD。Wang等將Scenedesmusobliquus與真菌共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該體系對COD、TN和TP的去除率分別為85.82%，83.31%和84.26%。雖然微藻可以有效去除污水中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，但是由于沼液的可生化性差導致單純使用微藻對沼液COD的去除較差，因此需要與其他方法聯(lián)用才能達到較好的治理效果。

　　3.3 工業(yè)廢水

　　工業(yè)廢水是指工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水或廢液，種類繁多且成分復雜。例如，啤酒廠廢水、醬油廠廢水以及乳制品廢水中含有較多的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，電鍍廠、金屬冶煉廠等廢水中含有較多金屬離子，制藥廢水及印染廢水等污水中含有較多有毒物質(zhì)等。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水排放的種類和數(shù)量不斷增多，嚴重污染環(huán)境，威脅人類健康和安全，因此工業(yè)污水的治理顯得尤為重要。

　　3.3.1 食品工業(yè)廢水

　　在啤酒廠廢水、乳制品廢水等食品工業(yè)廢水中，有毒有害物質(zhì)較少，有機物和懸浮物含量較高，易腐敗，富含N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，極易引起水體富營養(yǎng)化。微藻可以吸收污水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，并通過光合作用將其合成氨基酸、蛋白質(zhì)、ATP及核酸等可用于自身生長代謝的化合物，從而實現(xiàn)對N、P的去除。目前，許多研究已經(jīng)證明微藻對食品工業(yè)廢水有較好的去除效果。Arora等將經(jīng)過濾、抽濾預處理的乳制品廢水用于ChlamydomonasdebaryanaIITRIND3的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該微藻可去除乳制品廢水中87.56%的COD、82.17%的N和78.57%的P。Subramaniyam等的研究證明，Chlorellasp.MM3可以將經(jīng)過沉淀、過濾預處理的啤酒廠廢水中的N、P及有機物完全用于自身生長。Maza-Márquez等使用的菌藻共生體可去除橄欖油廠廢水中85.86%的COD、94.84%的酚類物質(zhì)和99.12%的BOD等。但是某些食品工業(yè)廢水因色度、有機負荷較高而對微藻生長產(chǎn)生抑制，因此在用微藻處理這類污水時通常需要將其稀釋或與其他方法聯(lián)用。

　　3.3.2 含金屬離子的工業(yè)廢水

　　電鍍廠、冶金廠等廢水中含有大量的金屬離子，這些金屬離子的存在對環(huán)境有極大的威脅。已有許多研究者嘗試用微藻去除污水中的金屬離子。Sarwa等研究發(fā)現(xiàn)，Scenedesmussp.MCC26對仿真膠廠廢水中Zn2+有最好的吸收效果，對Zn2+的吸收量可達142.85mg/g。韓冉等的研究表明，微藻FZUL-321對污水中Pb2+有較好的去除效果，在pH為5、ρ(Pb2+)為100mg/L及去除時間為40min的條件下，Pb2+的去除量為423.2×10-3mg/g。他們進一步通過傅里葉紅外光譜證明，微藻表面帶負電的氨基、羧基等官能團在處理前期參與Pb2+的沉淀吸附，通過X射線衍射證明微藻可以通過一系列生化作用將離子態(tài)的Pb2+礦化為Pb5(PO4)3OH。Gao等使用小球藻形成的膜光合生物反應器對二級城市污水進行處理，發(fā)現(xiàn)該體系可以去除污水中64.7%的Cu2+、80.1%的Zn2+、93.2%的Al3+，并能完全去除Fe3+和Mn2+。微藻對污水中金屬離子有著較好的去除效果，其去除機制主要包括：

　　1)微藻的細胞壁主要由帶負電的多糖和碳水化合物組成，可以在微藻細胞表面吸附大多數(shù)帶正電的金屬離子。

　　2)生物富集。微藻可將金屬離子吸收或者儲存在液泡中，但這個過程只能在活的微藻細胞中進行。

　　3)活體微藻在細胞外將重金屬積累或沉淀等。微藻不僅可以有效去除污水中的金屬離子，還可以對金屬離子進行回收。但如果污水中金屬離子含量過高也會對微藻生長產(chǎn)生抑制，且不同種類微藻對金屬離子的耐受性也存在差異。

　　3.3.3 含有毒物質(zhì)的工業(yè)廢水

　　某些工業(yè)廢水中含有大量有毒物質(zhì)，例如，制藥廢水中含有大量非固醇類抗炎藥、布洛芬、氯芬酸、抗生素等藥物活性物質(zhì)，染料廢水中含有大量合成染料等。許多研究表明，雖然污水中較高濃度的有毒物質(zhì)會對微藻生長產(chǎn)生抑制，但是較低濃度的有毒物質(zhì)可以通過微藻有效去除。卡馬西平是微藻生物修復制藥廢水時研究較多的一種藥物。Xiong等使用Chlamydomonasmexicana和Scenedesmusobliquus2種藻對含卡馬西平的廢水進行生物修復，發(fā)現(xiàn)C.mexicana和S.obliquus2種藻對卡馬西平的最大生物降解率分別為35%和28%。除卡馬西平外，印染廢水中的染料也是污水中對環(huán)境污染較大的一類有毒物質(zhì)。相關研究表明，Chlorellasp.和Oscillatoriasp.可以降解30多種偶氮染料。Caulerpalentillifera可以通過生物吸收去除Astrazon?BlueFGRL(AB)、Astrazon?RedGTLN(AR)和methyleneblue(MB)3種基本染料。Spirulinaplatensis可以去除模擬紡織工業(yè)廢水中94.4%～99.0%的活性紅120染料等。目前，已知的微藻對污水中有毒物質(zhì)去除機理主要有以下2點：

　　1)微藻的比表面積大，吸附容量高，可以有效吸附污水中的染料等毒性物質(zhì)。

　　2)微藻細胞可以將污水中染料等有毒物質(zhì)進行生物轉(zhuǎn)化或者降解。但是當前，微藻對污水中有毒物質(zhì)去除的機制仍待進一步研究。

　　4、微藻的回收

　　微藻可以在有效處理多種污水的同時進行生物質(zhì)回收，且微藻若不經(jīng)回收直接排放到外界水體也可能會對環(huán)境造成嚴重污染，因此污水處理后有必要對微藻進行回收。微藻個體較小，難以收集，目前懸浮藻收集方法主要有化學絮凝、自絮凝和生物絮凝、重力沉降、離心、電絮凝、過濾、浮選等，但是這些方法的回收成本仍然較高。為減少微藻回收成本，使用微藻膜、固定化技術和菌藻共生體進行污水處理是較為有效的方法。微藻膜和固定化微藻在有效處理污水的同時可以對微藻進行富集。在菌藻共生體中，共生菌的存在可以促進微藻的絮凝，從而降低回收成本。相關研究表明，共生菌可以增加絮凝體的體積從而使小球藻沉降。在氮饑餓培養(yǎng)條件下，共生菌是微藻實現(xiàn)顆?；年P鍵因素。此外，Su等的實驗結(jié)果也表明，用于城市污水處理的菌藻共生體的沉降率可在20min內(nèi)達99%以上。

　　5、結(jié)論與展望

　　微藻對城市污水、養(yǎng)殖廢水及工業(yè)廢水等多種類型的污水均表現(xiàn)出較好的處理效果，是較有發(fā)展前景的污水處理手段。

　　微藻污水處理主要有以下優(yōu)點：

　　1)微藻處理污水類型廣泛，無論是城市生活污水、養(yǎng)殖廢水還是工業(yè)污水都可采用微藻進行處理。

　　2)當污染物濃度在微藻耐受范圍內(nèi)時，污水中N、P、金屬離子、有毒物質(zhì)等污染物可以得到有效去除。

　　但是當前使用微藻污水處理還存在一定的問題：

　　1)微藻對污水中COD的去除效果較差，即使是在大多菌藻共生體系中對COD的處理效果也不理想。

　　2)經(jīng)污水培養(yǎng)后的微藻回收成本較高，極大限制了該技術的應用。

　　3)對一些新興的微藻污水處理技術研究不夠透徹。例如，菌藻共生體的群落結(jié)構(gòu)和污染物去除機制、微藻固定化的條件等方面還不清楚。

　　(來源：中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東省新能源與可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，中國科學院大學)