微藻在廢水處理中的應(yīng)用研究

李攀榮，鄒長(zhǎng)偉，萬(wàn)金保，黃學(xué)平，2

（1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330047；2.南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江西省水利土木特種加固技術(shù)與安全監(jiān)控工程中心，江西南昌330099）

Li Panrong1，Zou Changwei1，Wan Jinbao1，Huang Xueping1，2（1.College of Resource，Environment and Chemical Engineering of Nanchang University，Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization，Ministry of Education，Nanchang 330047，China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Institute of Technology，Jiangxi Provincial Engineering Research Center of the Special Reinforcement and Safety Monitoring Technology in Hydraulic＆Civil Engineering，Nanchang 330099，China）

微藻在廢水處理中的應(yīng)用研究

李攀榮1，鄒長(zhǎng)偉1，萬(wàn)金保1，黃學(xué)平1，2

（1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330047；2.南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江西省水利土木特種加固技術(shù)與安全監(jiān)控工程中心，江西南昌330099）

微藻在廢水處理方面有著極大的優(yōu)勢(shì)，在去除氮磷、降解有機(jī)物質(zhì)、吸附和富集重金屬的同時(shí)，還能提煉油脂和作為養(yǎng)殖業(yè)的飼料。文章主要介紹了微藻去除廢水中氮磷，降解有機(jī)物以及吸附和富集重金屬機(jī)理和近年來(lái)微藻廢水處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

微藻；廢水處理；脫氮；除磷

Li Panrong1，Zou Changwei1，Wan Jinbao1，Huang Xueping1，2
（1.College of Resource，Environment and Chemical Engineering of Nanchang University，Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization，Ministry of Education，Nanchang 330047，China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Institute of Technology，Jiangxi Provincial Engineering Research Center of the Special Reinforcement and Safety Monitoring Technology in Hydraulic＆Civil Engineering，Nanchang 330099，China）

隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，人類社會(huì)不斷謀求生活中精神與物質(zhì)生活品質(zhì)的提升。但與此同時(shí)，生存環(huán)境也在不斷惡化，大量工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水以及生活污水未能得到有效處理便直接排入自然環(huán)境，且廢水中富含氮、磷、重金屬以及有機(jī)物等，如果得不到有效處理而直接排放將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅。目前傳統(tǒng)處理廢水的技術(shù)主要有自然處理法、物理化學(xué)處理法、生化處理法以及物化與生化相結(jié)合處理法〔1〕。但是這些傳統(tǒng)的處理工藝往往處理效率偏低、工程造價(jià)昂貴、運(yùn)行費(fèi)用偏高，造成各種廢水處理設(shè)施普及率偏低。早在上世紀(jì)40年代，日本、美國(guó)、以色列以及德國(guó)等就率先進(jìn)行了微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的科學(xué)研究。近年來(lái)，微藻的異養(yǎng)技術(shù)，尤其是高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)的研究表明微藻既能光能自養(yǎng)，也能異養(yǎng)培養(yǎng)〔2〕。微藻處理廢水方法與傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以避免二次污染，而且還可以進(jìn)行微藻的培養(yǎng)，獲得微藻培養(yǎng)和廢水處理的雙重效果〔3〕。有文獻(xiàn)研究表明微藻不僅對(duì)高濃度氮磷具有很好的去除效果〔4-5〕，還可以通過(guò)異養(yǎng)代謝作用來(lái)降低廢水中的COD和BOD〔6〕等物質(zhì)，并且對(duì)部分有毒物質(zhì)如有機(jī)氯農(nóng)藥〔7-8〕以及重金屬也具有超負(fù)荷吸收和富集作用〔9-12〕。下面將主要介紹微藻處理廢水的機(jī)理以及微藻廢水處理新技術(shù)研究現(xiàn)狀，為后續(xù)研究提供參考意見。

1　微藻處理廢水的機(jī)理

根據(jù)藻類的光合色素種類、個(gè)體形態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生殖方式以及生活史等特征可以將藻類分為藍(lán)藻門、綠藻門、裸藻門、輪藻門、金藻門、黃藻門、硅藻門、甲藻門、紅藻門及褐藻門等10個(gè)門類。其中常見的應(yīng)用于廢水中的微藻主要有綠藻門的柵藻（Scenedesmus）、小球藻（Chlorella）、鹽藻（Dunaliellu）、葡萄藻（Botryococcus）、衣藻（Chlamydomonas）、根支藻（Rhizoclonium）和藍(lán)藻門的螺旋藻（Spirulina）、顫藻（Oscillatoria）等，其中小球藻和柵藻被認(rèn)定為去除氮、磷效果最佳，進(jìn)行的研究較多〔13〕。

微藻去除廢水中氮、磷的機(jī)理包括直接吸收轉(zhuǎn)化作用和間接作用〔14〕。微藻細(xì)胞可以利用廢水中的有機(jī)氮化合物和多種無(wú)機(jī)氮化合物作為氮源，二氧化碳和碳酸鹽等物質(zhì)作為碳源，進(jìn)行光能自養(yǎng)生長(zhǎng)。藻細(xì)胞可以吸收銨鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽等物質(zhì)用于自身所需氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成；廢水中的磷被藻細(xì)胞吸收經(jīng)過(guò)多種磷酸化途徑轉(zhuǎn)化成ATP、磷脂等有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)通過(guò)藻細(xì)胞中葉綠素光合作用促使水體的pH上升，促進(jìn)正磷酸鹽沉淀和NH3揮發(fā)，從而間接去除氮磷。如張自杰〔15〕在《排水工程》中引用Stumm和Morgan提出微藻的化學(xué)分子式可近似為C106H263O110N16P，微藻進(jìn)行光合作用時(shí)，以空氣中的CO2為碳源，同時(shí)吸收污水中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)微藻細(xì)胞中葉綠素的作用合成自身細(xì)胞物質(zhì)并完成自身細(xì)胞增殖以及向空氣中釋放氧氣。具體化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

研究表明藻類的細(xì)胞壁可以分為內(nèi)外兩層，其中細(xì)胞壁內(nèi)層主要成分是纖維素，細(xì)胞壁外層為主要由纖維素、藻酸銨巖藻多糖、果膠質(zhì)以及聚半乳糖硫酸酯等多層微纖絲構(gòu)成的多孔類結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外壁富含有藻類細(xì)胞釋放的以多肽、多糖類物質(zhì)為主的胞外產(chǎn)物。這些高分子物質(zhì)為藻類提供了大量可以與金屬離子相結(jié)合的—NH2、—COOH、—OH、—CHO、—SH、—CO—、—PO3H2等官能團(tuán)，細(xì)胞壁表面多為褶皺結(jié)構(gòu)，故而比表面積較大，且這些官能團(tuán)能夠在藻類細(xì)胞壁上合理布局，與金屬離子充分接觸〔16〕。常見的微藻吸附重金屬機(jī)理主要有絡(luò)合機(jī)理和離子交換機(jī)理。陽(yáng)離子可與分子或帶有自由電子對(duì)的陰離子（堿基對(duì)）起螯合或絡(luò)合反應(yīng)。絡(luò)合物則是由廢水中的金屬陽(yáng)離子與細(xì)胞里的蛋白質(zhì)、脂類和多糖中帶負(fù)電荷的官能團(tuán)絡(luò)合而形成的，如—NH2、—CONH2、—COOH、R—SH、硫醚、咪唑、硫酸鹽和磷酸鹽等。離子交換作用主要是廢水中的金屬陽(yáng)離子置換出藻類細(xì)胞壁上的質(zhì)子，而另一些金屬離子則靠離子間靜電引力作用或者靠配位鍵吸附在細(xì)胞壁的表面上。有研究表明離子交換機(jī)理是最能反應(yīng)藻類細(xì)胞生物吸附重金屬離子的實(shí)際過(guò)程，多糖中的藻酸鹽與硫酸鹽也被發(fā)現(xiàn)具有較為顯著的離子交換能力〔17〕。藻類吸附Cr（Ⅵ）的機(jī)理如圖1所示〔18〕。

圖1　藻類吸附Cr（Ⅵ）的機(jī)理

常見微藻吸附重金屬的官能團(tuán)如表1所示。

表1　常見微藻吸附重金屬的官能團(tuán)

2　常見微藻廢水處理體系

自從微藻被應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者不斷拓展其在污廢水處理領(lǐng)域的技術(shù)革新，微藻不再單單以懸浮態(tài)形式的高效生物塘處理廢水，經(jīng)過(guò)幾十年的艱辛發(fā)展，微藻廢水處理體系已經(jīng)技術(shù)種類繁多，目前常見的應(yīng)用微藻處理廢水技術(shù)主要有微藻體系、藻菌共生體系、微藻固定化體系以及藻菌共固定化體系等，下面將分別進(jìn)行介紹。

2.1微藻體系

微藻體系通常是懸浮態(tài)微藻通過(guò)在一定容器中與廢水充分接觸，從而去除廢水中的污染物質(zhì)。劉林林等〔31〕在實(shí)驗(yàn)室條件下研究15種微藻對(duì)養(yǎng)豬廢水中氮、磷的去除效果，結(jié)果表明15株微藻均可有效去除豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水中的氮磷，但不同類微藻對(duì)不同形態(tài)氮的去除效果有明顯差異。各種微藻對(duì)污水中總磷的去除率均很高，可達(dá)91.0%以上。具體情況如表2所示。

表2　15種微藻對(duì)養(yǎng)豬廢水中氮、磷的去除效果

程海翔〔13〕利用柵藻處理養(yǎng)豬廢水的初試研究結(jié)果表明柵藻在經(jīng)過(guò)適度滅菌后于養(yǎng)豬廢水中存活并生長(zhǎng)，培養(yǎng)12 d后，對(duì)NH4+-N、TP、COD、Cu、Zn的去除率分別達(dá)到98.2%、80.4%、37.1%、50.1%、30.1%。田丹等〔32〕通過(guò)設(shè)定吸附時(shí)間、藻細(xì)胞密度和金屬離子濃度等參數(shù)條件，研究蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）對(duì)海水中Pb2+、Cd2+和Hg2+的吸附，結(jié)果表明當(dāng)藻細(xì)胞密度為1×106mL-1時(shí)，其對(duì)海水中的Pb2+、Cd2+和Hg2+的最大吸附量分別為4.84、37.7 mg/L和5.61 μg/L，吸附能力順序?yàn)镃d2+＞Pb2+＞Hg2+。

2.2藻菌共生體系

藻菌共生體系是利用藻類和細(xì)菌兩者之間在功能上的協(xié)同作用來(lái)處理污水的一種全新生態(tài)系統(tǒng)。藻菌共生系統(tǒng)處理污水機(jī)理是：污水中的有機(jī)污染物，由好氧細(xì)菌進(jìn)行氧化分解，產(chǎn)生NH4+、PO43-以及釋放CO2等；而微藻則在光照的條件下，利用NH4+、PO43-和CO2等為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)葉綠素進(jìn)行光合作用，合成微藻自身細(xì)胞所需物質(zhì)，并釋放出O2供細(xì)菌繼續(xù)氧化分解有機(jī)物。具體藻菌共生機(jī)理示意〔33〕如圖2所示。

圖2　藻菌共生機(jī)理

馬莉等〔34〕以不同濃度的畜禽養(yǎng)殖廢水為研究對(duì)象，研究藻菌體系對(duì)廢水中的NH4+-N、TP和COD的去除效果。結(jié)果表明，當(dāng)廢水中NH4+-N、TP、COD分別小于44.4、6.4、500 mg/L時(shí)，藻菌微生物的生物量大、生長(zhǎng)速度快，對(duì)廢水處理效果好；當(dāng)處理時(shí)間為6 d時(shí)，NH4+-N、TP和COD的去除率分別達(dá)到90%、84%和80%以上。

2.3微藻固定化體系

微藻固定化技術(shù)起源于細(xì)胞固定化技術(shù)，通過(guò)化學(xué)或物理手段將游離態(tài)的藻類細(xì)胞固定于限定的空間區(qū)域，使其成為一種既能保持藻類細(xì)胞自身的代謝活性，又可以在持續(xù)反應(yīng)后進(jìn)行回收和反復(fù)利用的生物體系〔35〕。藻類固定化目前常見有吸附、包埋、交聯(lián)以及三者之間復(fù)合處理的方法。王愛(ài)麗等〔36〕將銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）進(jìn)行固定化，分別對(duì)人工合成污水和實(shí)際污水進(jìn)行處理。結(jié)果表明，固定化銅綠微囊藻對(duì)合成污水經(jīng)過(guò)5 d的反應(yīng)之后，對(duì)其中NH3-N和PO43--P去除率分別達(dá)到92.92%和69.19%。而實(shí)際污水經(jīng)過(guò)6 d的反應(yīng)之后，對(duì)其中NH3-N和PO43--P的去除率都達(dá)到了100%；孫紅文等〔37〕通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了培養(yǎng)2 d后，固定在海藻酸鈣（Calcium alginate，CA）中的斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）和懸浮態(tài)藻類對(duì)DBNM的脫色效率，在向其中通入CO2的條件下，前者的脫色效率要高得多。培養(yǎng)4 d后用聚氨基甲酸乙酯固定化的斜生柵藻對(duì)廢水中TPT和PCP的去除率分別達(dá)到75.3%、56.5%，而未經(jīng)固定化的斜生柵藻對(duì)廢水中TPT和PCP的去除率分別為31.3%、32.2%；N.Akhtar等〔38〕研究提出固定化小球藻可以有效地去除廢水中的Cr3+，并且其吸附效率高達(dá)98%。

2.4藻菌共固定化體系

藻菌共固定化技術(shù)是在藻類固定化技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的新技術(shù)，不同于單獨(dú)的微藻固定化技術(shù)，是將微藻與菌類、活性污泥等共同固定于載體中的一種技術(shù)。嚴(yán)清等〔39〕將普通小球藻與活性污泥共同固定于海藻酸鈉（Sodium alginate，SA）載體中，以廣州市獵德污水處理廠沉沙池出水為實(shí)驗(yàn)用原水，發(fā)現(xiàn)該固定化菌藻系統(tǒng)對(duì)污水中NH4+-N和PO43--P的去除率分別達(dá)到97.09%和88.69%；王亞飛等〔40〕研究小球藻與活性污泥共固定化系統(tǒng)對(duì)含鋅廢水中Zn2+的去除效率，研究表明當(dāng)廢水中Zn2+初始質(zhì)量濃度小于100 mg/L時(shí)，固定化藻菌系統(tǒng)對(duì)廢水中Zn2+的去除率達(dá)到90.5%。固定化藻菌系統(tǒng)去除廢水中Zn2+的最佳條件是pH=7，Zn2+初始質(zhì)量濃度為80 mg/L，菌藻體積比為1∶2，固定化小球投加量為80mL。

3　結(jié)語(yǔ)

微藻應(yīng)用于廢水處理技術(shù)近年來(lái)得到了極大的發(fā)展，各種新技術(shù)層出不窮，為污廢水處理提供了一條嶄新的途徑。特別是微藻在處理廢水的同時(shí)，本身也可以作為養(yǎng)殖業(yè)的飼料，還可以提煉生物質(zhì)油。但是微藻應(yīng)用于廢水處理的技術(shù)還不是十分成熟，應(yīng)用實(shí)例也不多，而且微藻在處理廢水之后很難將微藻與處理之后的廢水分離，分離技術(shù)不夠成熟，且占地面積大、停留時(shí)間短，希望未來(lái)將這一難題解決，為廢水的處理和微藻的采收帶來(lái)福音。

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Research of micro algae processing wastewater

Micro algae has a great advantage in the aspect of wastewater treatment.It can not only remove nitrogen and phosphorus，degrade organic substances，adsorb and enrich heavy metals，but also refine oil and be used as feed for livestock breeding.The mechanisms of removing nitrogen and phosphorus，degrading organic substances，adsorbing and enriching heavy metals，and the development current status of treatment techniques using micro algae in recent years are mainly introduced in this paper.

micro algae；wastewater treatment；denitrification；phosphorous removals

X703

A

1005-829X（2016）05-0005-05

江西省教育廳科技落地計(jì)劃項(xiàng)目（GJJ12001326）；“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2007BAB23C02）；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目（20121BBF60052）；江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20132BAB203024）；南昌大學(xué)鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助（13005875）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51568048）

李攀榮（1990—），碩士。E-mail：9722646748@163. com。通訊聯(lián)系人：萬(wàn)金保，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：jbwan@ncu.edu.cn。

2016-02-05（修改稿）