分散式污水處理設(shè)備-微藻污水處理技術(shù)研究

　　隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污水排放量日益增加導(dǎo)致水污染問題日益嚴(yán)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(dāng)易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，處理不當(dāng)易造成水體富營(yíng)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(huì)對(duì)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(xué)法和生物法。物理法和化學(xué)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(duì)氮、磷等營(yíng)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(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果差，且產(chǎn)生大量低價(jià)值的活性污泥。相對(duì)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(duì)此，本文分析了微藻污水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和研究進(jìn)展，包括微藻藻種的選擇、微藻污水處理體系、微藻對(duì)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(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)微藻污水處理的應(yīng)用進(jìn)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(zhǎng)周期短以及對(duì)氨氮和金屬離子等污染物耐受力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(duì)已滅菌的合成啤酒廠廢水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)對(duì)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(duì)性地對(duì)污水進(jìn)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(duì)污水的耐受能力較強(qiáng)，通常不經(jīng)馴化就對(duì)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(duì)適當(dāng)稀釋、滅菌后的養(yǎng)豬場(chǎng)沼液中NH3-N、TP、COD的去除率分別可達(dá)到98.2%、80.4%和37.1%。Wen等使用從豬場(chǎng)沼液中分離到的一株小球藻(MBFJNU-1)對(duì)未稀釋的豬場(chǎng)沼液進(jìn)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(qiáng)、污染物去除效果好的藻種。

　　3)誘變。韓松芳等對(duì)斜生柵藻和蛋白核小球藻進(jìn)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(duì)經(jīng)沉淀、過濾聯(lián)合預(yù)處理的城市污水有較好的處理效果，兩者對(duì)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(jìn)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(duì)污水進(jìn)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(gè)不同濃度的模擬廢水，發(fā)現(xiàn)小球藻對(duì)模擬污水中NH3-N的去除率可達(dá)到80%，對(duì)PO3-4的最高去除率接近100%。簡(jiǎn)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(dá)77.61%、94.76%和80.03%。He等使用小球藻對(duì)已滅菌的、不同濃度的城市污水進(jìn)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(jìn)行污水處理，雖然可以有效去除污水中的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但是對(duì)COD等污染物的去除并不理想，甚至?xí)霈F(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(fèi)大量時(shí)間精力進(jìn)行微藻的純化和保存。此外，使用單一藻株進(jìn)行污水處理需要對(duì)污水進(jìn)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(duì)培養(yǎng)設(shè)備要求較高，不利于實(shí)際應(yīng)用。

　　2.2 多藻體系進(jìn)行污水處理

　　相較于使用單一藻株進(jìn)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(bǔ)使用單一藻株的不足。例如，多藻體系可以提高對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率、增強(qiáng)對(duì)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(chǎng)廢水中篩選出的微藻共生體可以去除奶牛場(chǎng)廢水中98%以上的營(yíng)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(huì)嚴(yán)重抑制P.subcapitata的生長(zhǎng)。雖然多藻體系對(duì)污水中污染物去除率更高，對(duì)外界環(huán)境的抵抗力更強(qiáng)，但是需要進(jìn)一步探究藻株間的相互關(guān)系才能構(gòu)建出高效的多藻體系。

　　2.3 使用菌藻共生體進(jìn)行污水處理

　　菌藻共生體通常由微藻和細(xì)菌間的自絮凝作用形成。這個(gè)體系結(jié)合了微藻和共生菌兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(jí)城市污水中64%～79%的TN和80%～94%的PO43-。Usha等使用2種柵藻在高效藻類塘(HRAP)中對(duì)濃度為60%的造紙廠廢水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)該體系對(duì)COD、NO3--N和PO43--P的去除率分別可達(dá)到75%、65%和71.29%。細(xì)菌的種類和污染物的濃度對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)變形菌門和厚壁菌門是優(yōu)勢(shì)菌。He等的研究表明，當(dāng)污水中可溶性有機(jī)碳濃度>231mg/L時(shí)，細(xì)菌會(huì)抑制小球藻的生長(zhǎng)等。此外，初始菌藻接種比對(duì)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(shí)對(duì)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(jìn)行污水處理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)菌藻比為1∶5時(shí)污水中N和P去除率最高，當(dāng)菌藻比為5∶1時(shí)沉降性最好。菌藻共生體是一種較為有應(yīng)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(duì)外界環(huán)境的耐受性更強(qiáng)，生物質(zhì)沉降性好，處理成本更低。但是目前對(duì)菌藻共生體的污水處理機(jī)制、群落結(jié)構(gòu)以及細(xì)菌在共生體中所發(fā)揮的作用并不明確，有待進(jìn)一步研究。

　　3、微藻對(duì)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(fù)雜，除含有生活污水中大量的N、P等營(yíng)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(duì)城市污水進(jìn)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(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。劉斌的實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)微藻(主要是藍(lán)藻)可去除人工模擬城市污水處理廠二級(jí)出水及實(shí)際城市污水處理廠二級(jí)出水中約60%的TN和超過90%的TP。Shen等將微藻Chlorellavulgaris和細(xì)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(jī)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(guó)對(duì)畜禽產(chǎn)品的需求量不斷增長(zhǎng)，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(jī)物，但是出水沼液中COD及氮、磷等營(yíng)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(jìn)行沼液處理。王忠江等使用小球藻FACHB-5和FACHB-8對(duì)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(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)秸稈發(fā)酵沼液含量分別為20%、30%、40%時(shí)，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(chǎng)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(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但是由于沼液的可生化性差導(dǎo)致單純使用微藻對(duì)沼液COD的去除較差，因此需要與其他方法聯(lián)用才能達(dá)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(fù)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(yíng)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(yán)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(jī)物和懸浮物含量較高，易腐敗，富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，極易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。微藻可以吸收污水中N、P等營(yíng)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(zhǎng)代謝的化合物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)N、P的去除。目前，許多研究已經(jīng)證明微藻對(duì)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(yù)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(yù)處理的啤酒廠廢水中的N、P及有機(jī)物完全用于自身生長(zhǎng)。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(jī)負(fù)荷較高而對(duì)微藻生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，因此在用微藻處理這類污水時(shí)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(duì)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(duì)仿真膠廠廢水中Zn2+有最好的吸收效果，對(duì)Zn2+的吸收量可達(dá)142.85mg/g。韓冉等的研究表明，微藻FZUL-321對(duì)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(shí)間為40min的條件下，Pb2+的去除量為423.2×10-3mg/g。他們進(jìn)一步通過傅里葉紅外光譜證明，微藻表面帶負(fù)電的氨基、羧基等官能團(tuán)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(yīng)器對(duì)二級(jí)城市污水進(jìn)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(duì)污水中金屬離子有著較好的去除效果，其去除機(jī)制主要包括：

　　1)微藻的細(xì)胞壁主要由帶負(fù)電的多糖和碳水化合物組成，可以在微藻細(xì)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(chǔ)存在液泡中，但這個(gè)過程只能在活的微藻細(xì)胞中進(jìn)行。

　　3)活體微藻在細(xì)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(duì)金屬離子進(jìn)行回收。但如果污水中金屬離子含量過高也會(huì)對(duì)微藻生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，且不同種類微藻對(duì)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(huì)對(duì)微藻生長(zhǎng)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(fù)制藥廢水時(shí)研究較多的一種藥物。Xiong等使用Chlamydomonasmexicana和Scenedesmusobliquus2種藻對(duì)含卡馬西平的廢水進(jìn)行生物修復(fù)，發(fā)現(xiàn)C.mexicana和S.obliquus2種藻對(duì)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(duì)環(huán)境污染較大的一類有毒物質(zhì)。相關(guān)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(duì)污水中有毒物質(zhì)去除機(jī)理主要有以下2點(diǎn)：

　　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(xì)胞可以將污水中染料等有毒物質(zhì)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化或者降解。但是當(dāng)前，微藻對(duì)污水中有毒物質(zhì)去除的機(jī)制仍待進(jìn)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(shí)進(jìn)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(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此污水處理后有必要對(duì)微藻進(jìn)行回收。微藻個(gè)體較小，難以收集，目前懸浮藻收集方法主要有化學(xué)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(shù)和菌藻共生體進(jìn)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(shí)可以對(duì)微藻進(jìn)行富集。在菌藻共生體中，共生菌的存在可以促進(jìn)微藻的絮凝，從而降低回收成本。相關(guān)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(shí)現(xiàn)顆粒化的關(guān)鍵因素。此外，Su等的實(shí)驗(yàn)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(dá)99%以上。

　　5、結(jié)論與展望

　　微藻對(duì)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(diǎn)：

　　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(jìn)行處理。

　　2)當(dāng)污染物濃度在微藻耐受范圍內(nèi)時(shí)，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(dāng)前使用微藻污水處理還存在一定的問題：

　　1)微藻對(duì)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(duì)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(shù)的應(yīng)用。

　　3)對(duì)一些新興的微藻污水處理技術(shù)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(jī)制、微藻固定化的條件等方面還不清楚。

　　(來源：中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省新能源與可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué))