應用藻處理印染污水的研究進展

吳茜冉，黃 青

(1. 安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院， 合肥 230022； 2. 中國科學院合肥物質科學研究院 技術生物與農業(yè)工程研究所， 合肥 230031； 3. 中國科學技術大學 科學島分院， 合肥 361021)

隨著工業(yè)化進程的不斷加快，水污染問題越來越嚴重?，F(xiàn)在，像紡織、皮革、造紙以及塑料等行業(yè)使用的染料有上萬種，每年有超過7×105t染料廢水排入水中[1]。合成染料的種類很多，如偶氮、蒽醌、硫、三苯甲基和酞菁衍生物等類，這些不同種類的染料在工業(yè)生產中被廣泛使用[2]。大部分合成染料具有毒性和致癌性，不適當處理會擾亂生態(tài)系統(tǒng)，造成潛在的環(huán)境問題[1]。

由于染料具有一定的化學穩(wěn)定性，所以處理染料廢水需要一定的技術。目前技術研究主要集中于對含有染料的廢水進行脫色處理，根據(jù)處理方法不同，大致可分為物理法和化學法，前者包括吸附法、膜分離技術等；后者包括電化學法、光催化氧化、芬頓(Fenton)及類芬頓氧化等。目前，吸附法是處理含染料廢水較為有效的方法?；钚蕴渴翘幚砣玖蠌U水最常用的吸附劑，但是使用成本較高。因此，研究人員也在不斷尋求低成本吸附劑材料來取代常規(guī)水處理中使用的高成本活性炭。使用生物材料作為處理廢水的吸附劑是人們正在探索和追求的一種有效方法。此外，人們還嘗試利用微生物降解法對染料廢水進行處理。與一般的物理法和化學法比較，微生物降解法具有高效、能耗低、投資少、環(huán)境友好的特點，可將染料降解成無色、低毒或無毒的物質。因此，考慮微生物包括一些藻類用于處理工業(yè)染料廢水也是一種有效可取的思路[3-4]。

實際上，藻類是地球上最原始的生物之一，具有分布廣泛，數(shù)量巨大等特點，在污水處理中已有較長的技術發(fā)展歷史[5]。由于其數(shù)量大，種類豐富(淡水和海水)和成本低，藻類生物質的應用受到越來越多的關注。已有研究報道，使用廢水作為藻類的低成本營養(yǎng)源，可以減少90%的用水量，且可顯著降低生物質生產成本[6]。因為藻類具有相對大的表面積和很高的親和力，所以藻類對許多污染物有較高的去除率[5]。另外，盡管一些染料對水中的微生物有毒害作用，但染料并不會顯著抑制藻的生長[7]。所以，藻可以用于染料廢水的處理，已有許多學者開展這方面的研究[7-10]。在實際生活中，也常見藻與染料互作的現(xiàn)象和事件。例如，鹽城市紡織染整產業(yè)園曾在2015年被曝出將未達標的印染廢水直接排放至河流的事件，而被污染的河流中充滿藻類生物，這說明藻在印染廢水中仍可生長，藻對染料有一定的處理作用[11]。在實用方面，現(xiàn)有報道研究人員應用藻類生物處理印染廢水，說明其處理印染廢水中的有機物有較好的實用效果[12]。和傳統(tǒng)的水處理工藝相比(包括吸附、膜分離技術、電化學法、光催化氧化和芬頓及類芬頓氧化等方法[13])，使用藻去除水中染料具有高效、環(huán)境友好和節(jié)能的優(yōu)點，顯示了較好的應用前景。

1 藻去除染料的方式與機理

藻與染料可發(fā)生相互作用，因為藻可以吸附染料[14]、吸收染料并降解染料[15]。藻的細胞壁含有雜多糖和脂質，這些成分中含有不同的官能團，包括氨基、羧基、羥基、磷酸酯和其他帶電基團，使得染料和細胞壁之間產生強的吸引力，從而發(fā)生靜電吸引和絡合反應[16]。藻類的細胞壁除了由纖維素組成的內層和果膠質組成的外層之外，還有細胞分泌物。細胞外聚合物由表面官能團組成，在染料去除過程中增強染料分子在聚合物(絮凝物)表面上的吸附[17]，分泌的代謝中間體(長鏈生物聚合物)使得殘留在水中的染料更易于吸附在聚合物的表面上并進行沉降(生物凝固)[17]。另一方面，活藻可以降解染料，而降解染料的作用過程一般分為兩個階段:第一階段染料分子可能通過絡合、離子交換、物理吸附及微沉淀等作用中的一種或幾種方式附著在細胞表面。在這一過程中，染料與藻類吸附速度較快，但相互之間結合不強；第二階段則是藻類的代謝反應，在這一階段中，藻類利用體內的酶對染料進行分解，最終將其轉化為可以利用的小分子結構物質或者二氧化碳[16]。所以，本文對兩種去除染料的主要機制及研究進展分別加以詳述。

1.1 通過降解去除染料

以往人們關注于染料對藻類的毒性作用、藻類的生理學性質及其耐性機制[1]。后來發(fā)現(xiàn)一些藻類對于染料有去除作用，可以用來修復水體，去除水中的染料。研究人員培養(yǎng)藻類時在培養(yǎng)基中不添加碳源和氮源，或者只放一部分的碳源和氮源，同時在里面加入一定濃度的染料來研究藻類去除染料的效果。Acuner等[15]研究了普通小球藻(Chlorellavulgaris) 對單一偶氮染料泰克龍黃2G(Tectilon Yellow 2G)的降解作用。研究過程中使用了未馴化和馴化的普通小球藻來降解水中的染料，實驗結果發(fā)現(xiàn)未馴化的小球藻對染料的脫色機理是生物轉化，而馴化后的脫色機理是生物降解。

圖1 偶氮染料降解機理[15]

不僅染料的結構和分子量對藻類脫色產生影響，不同類型的藻去除染料的效率也不同。在使用藻去除染料的過程中，主要使用的藻分為微型藻和大型藻。El-sheekh 等[7]研究了Chlorellavulgaris、Lyngbyalagerlerimi、Nostoclincki、Oscillatoriarubescens、Elkatothrixviridis和Volvoxaureus對甲基紅、橙II、G-Red(FN-3G)、堿性陽離子和堿性品紅的去除效果。這些藻類對不同的染料有不同的脫色效率，其去除率在4%至95%之間變化。Dellamatrice等[18]研究使用藍藻Anabaenaflos-aquaeUTCC64,PhormidiumautumnaleUTEX1580和Synechococcussp.PCC7942來去除水中的靛藍, 艷藍R(Remazol Brilliant Blue R)和硫化黑染料，實驗結果表明3種藍藻都可以在不同程度上去除水中的染料，且藍藻P.autumnaleUTEX1580是唯一完全降解靛藍染料的藻類。表1列舉出了不同藻類對不同染料的去除性能。

表1 活藻處理及去除特性

如果加入適當?shù)奶砑觿?，可以促進藻類對于水中染料的降解。Meng等[8]發(fā)現(xiàn)不同的有機物對藻類去除酸性紅染料效率的影響不同。Shewanellaalgae在蒽醌-2,6-二磺酸鹽和蒽醌-2-磺酸的存在下，對酸性紅27染料去除有增強作用，而其他一些醌類如蒽醌-2-羧酸鹽、5-羥基-1,4-萘醌、2-羥基-1,4-萘醌和5,8-二羥基-1,4-萘醌的存在對Shewanellaalgae去除酸性紅27表現(xiàn)為促進效果較差甚至是抑制作用。在腐殖酸的存在下，對Shewanellaalgae去除酸性紅27有一定的促進作用。另外，在添加NADPH或NADH后去除效果也顯著增強。這也證明了在藻還原過程中，NADPH或NADH可以提供電子來裂解N=N，從而使得染料脫色。這樣同時也說明，添加NADPH或NADH可以促進反應進行[7]。El-sheekh等[7]實驗發(fā)現(xiàn)，藻類對于偶氮染料的去除主要依賴于偶氮還原酶的活性，酶活性越強，去除效果越好。對偶氮還原酶活性起主要引導作用的是對氨基偶氮苯，它可以作為偶氮還原酶的電子供體來分解偶氮鍵。所以為了增強偶氮還原酶的分解效果，提高脫色率，可以往其中加入對氨基偶氮苯。

1.2 通過吸附去除染料

實際應用中，可以直接使用活藻作為吸附材料。藻的顆粒較小，在水中較為分散，固液分離困難，應用受到一定限制。通過固定化技術制備藻生物質凝膠微球，可有效解決這些問題。固定化生物質具有許多優(yōu)點，它有很好的可重復使用性，高生物量負載且在連續(xù)流動系統(tǒng)中堵塞程度最小。較為常用的固定化介質有羧甲基纖維素、藻酸鈣、聚砜和聚乙烯醇等。與其他方法相比，藻酸鹽珠的制備更容易，更便宜且更容易獲得[14]。在固定期間，藻類細胞繼續(xù)保持其呼吸和光合作用活性。固定化藻類在黑暗低溫(4 ℃)的條件下儲存，可在超過12個月的固定后恢復正常生長[21]。Ergene等[14]使用海藻酸鈣作為天然聚合物基質，并通過包埋將綠藻Scenedesmusquadricauda固定在藻酸鈣珠中去研究影響固定化藻吸附的各種參數(shù)，發(fā)現(xiàn)固定化藻對艷藍R的吸附屬于物理吸附過程，其動力學過程符合擬二階動力學過程，說明影響這一過程的因素包括投加固定化藻的量和染料濃度，且去除染料效果較好。但是直接使用活藻去除水中染料的限制較多，且操作過程中還遇到一些問題。活體藻固定化技術雖然提高了細胞對染料分子的耐受能力，有較高的脫色率，但處理過程中藻容易死亡。所以，很多情況下使用死藻來處理水中的染料，特別是染料濃度較大的情況下。利用死藻吸附染料，藻材料來源更廣、使用更為靈活，并可應對多種不同的情況。下面對死藻的利用加以詳細說明。

1.2.1 直接利用的吸附性能與調控

與活藻相比，直接使用死藻去除水中的染料更加方便且去除率更高。圖2所示的是使用Sargassumswartzii吸附孔雀石綠前和吸附之后的藻的掃描電鏡圖[22]。掃描電子顯微照片顯示生物在吸附前后表面的變化。對比吸附前后的兩張掃描電鏡圖可以看出，Sargassumswartzii吸附前后表面明顯不同，說明孔雀石綠被有效吸附在Sargassumswartzii上。表2列出了不同方法處理的死藻對不同染料的吸附特性及其效果。但直接使用死藻去除染料的影響因素很多，如預處理方式、溶液的pH值和染料的初始濃度等，這些因素對有效利用和提高死藻吸附性能有關鍵作用，以下對它們一一說明。

表2 死藻處理及吸附特性

注：- 代表文中未提及或未找到

(a)吸附孔雀石綠前；(b)吸附孔雀石綠后

圖2Sargassumswartzii的掃描電鏡像[22]

Figure 2 Scanning electron microscopy images ofSargassumswartzii[22]

不同的預處理方式對不同藻類有不同的影響，處理藻的方法主要分為兩類：物理處理和化學處理。物理法是通過使用物理的手段來改變藻類的結構，常使用的方法包括研磨和高壓滅菌。研磨篩選主要影響的是藻的粒徑，然而粒徑對于藻類吸附有一定的影響。Punjongharn等[29]將藻類烘干處理后分成大中小3個尺寸，實驗結果表明在3種吸附劑尺寸中，小尺寸具有最高的吸附容量，其次是中和大尺寸。這是因為吸附劑尺寸的減小增加了傳質的比表面積，并且還增加了總孔體積，從而提供了更多的活性吸附位點。因此，生物吸附劑顆粒尺寸的變化可以改變其表面上存在的反應性基團的可及性和可用性，從而導致藻類生物質的效率改變。高壓滅菌處理后的藻類吸附性能明顯增強。Khalaf[30]使用高壓滅菌方法處理Aspergillusniger和Spirogyrasp.后發(fā)現(xiàn)，高壓滅菌后的真菌和藻類生物質吸附染料效果顯著增強。通過高壓滅菌破壞真菌和藻類生物質可導致表面積和單層體積的增加和顆?？紫堵实脑黾?，從而暴露潛在位點，增加染料吸附。相對于物理法，化學法則使用不同的試劑對藻類進行處理，不同性質的試劑處理藻類結果截然不同。使用酸對藻進行處理后，藻類吸附染料的性能顯著下降。Daneshvar等[31]使用鹽酸、磷酸、硝酸和硼酸對紅藻、褐藻和綠藻進行處理，實驗結果表明，鹽酸、磷酸和硝酸處理后的藻類吸附染料性能明顯下降，但硼酸處理后的藻類吸附性能有明顯提高。鹽酸、磷酸和硝酸處理后的藻類吸附染料性能明顯下降，這可能是由于藻類表面的電負性降低造成的。另外，用鹽酸等強無機酸預處理，藻類生物質中的氨基被質子化[31]，藻類細胞壁中殘留的H+離子可與陽離子染料競爭生物吸附劑的表面活性位點。

在藻吸附過程中，pH值是一個非常重要的影響因素，溶液的pH值對吸附過程有很大影響，因為pH值與官能團的分解。染料的電離程度和生物質的活性位點都有關[32]。pH值影響著藻的等電位點，從而導致藻的脫色效果有所不同。一般而言，藻類的等電位點都是在pH 3～4左右[33]。所以，在酸性溶液中，藻類表面帶正電荷，在堿性溶液中，藻類表面帶負電荷，根據(jù)所要去除染料的種類，調節(jié)pH值，可以使染料去除率大大增強。Khataee等[33]利用Charasp.來去除水中的孔雀石綠?？兹甘G是一種陽離子染料，因此，當pH值調節(jié)至呈堿性時，去除效果更好。Celekli等[28]使用Spirogyramajuscula來去除水中的陰離子染料活性紅發(fā)現(xiàn)，當溶液的pH值越低時，Spirogyramajuscula去除水中染料效果越好，當pH 3時吸附劑的吸附容量最高。另一方面，當水溶液的pH值較低時，水中有大量的H+存在，H+可能會與陽離子染料產生競爭作用。Jerold等[22]發(fā)現(xiàn)，當pH值較低時，孔雀石綠的去除率較低，隨著pH值的增加，去除率不斷增加，這可能是因為在酸性pH值下存在過量的H+離子與染料陽離子競爭吸附位點，從而導致可利用位點減少，去除效率降低。

染料的初始濃度也對實驗結果產生很大影響。吸附劑對污染物的吸附主要分為3個過程：表面液膜擴散、顆粒內擴散以及吸附質與吸附位點結合的漸進過程，前兩個過程是吸附反應的限速步驟[34]。Dogar等[25]使用Ulothrixsp.來模擬去除水中的亞甲基藍的過程，研究結果發(fā)現(xiàn)：在初始階段吸附迅速發(fā)生，通?？刂撇襟E是從整體到表面的擴散過程，后期吸附可能是附件控制的過程，因為可以利用的吸附位點數(shù)較少。由于平衡到達時間不依賴于初始染料濃度，因此吸附不受膜從整體擴散到表面的控制。初始濃度越高，越有利于克服固相和液相之間的傳質阻力，這在一定程度上有利于藻類對染料的吸附[32]。Hernandez-Zamora等人[35]發(fā)現(xiàn)，隨著染料濃度的增加，生物吸附效率也隨之降低，這可能是因為低濃度溶液中存在的染料分子更容易與生物吸附劑結合位點相互作用，從而促進生物吸附。但是，所有吸附劑都有一定數(shù)量的結合位點，并在特定濃度下達到飽和。因此，在高染料濃度下，由于結合位點的飽和，未吸附的剛果紅染料分子的量增加。這種現(xiàn)象導致去除率降低，并因此導致殘留染料濃度的增加。

1.2.2 間接利用藻渣制備活性吸附劑

與直接使用藻類作為吸附劑相比，將藻類制備成活性炭，所適用染料范圍更廣，且制備出來的活性炭相比于同體積藻來說，比表面積更大，有更好的吸附性能[36]。把生物質熱解制備活性炭材料一般有干熱解和濕熱解兩種處理方法。圖3所示是我們課題組將藻渣用酸活化后干熱解法制備的活性炭吸附材料，圖3-a中的藻渣仍具有藻的細胞形態(tài)，在碳化過程和化學活化過程中被破壞，導致材料吸附劑具有多孔性。圖3-b顯示了活性炭的表面紋理，由直徑為10 nm的納米顆粒和微米級的大顆粒組成。在小顆?；虼箢w粒之間，存在具有明顯間隙[36]。

藻青蛋白是從藍綠色藻類提取出的一種深藍色色素，是自然界中少見的、營養(yǎng)豐富的色素蛋白之一。我們將藻青蛋白提取出來之后，將剩余的殘渣經過濕熱解法(也稱為水熱法：hydrothermal method或水熱碳化HTC：hydrothermal carbonization)處理產生高效活性炭，發(fā)現(xiàn)這樣制備的藻渣能夠從水中高效去除孔雀石綠，且去除效率較高，最大吸附量可達89.05 mg/g，而將藻渣直接制備成活性炭去除水中的孔雀石綠的最大吸附量僅為43.11 mg/g，證明這是一種更加經濟和環(huán)保的可行方法[37]。圖4是未提取藻藍蛋白的藻渣制備的活性炭和提取藻藍蛋白后的藻渣制備成活性炭的掃描電鏡圖，可以看出在制備成活性炭之后，藻類細胞失去了其固有的表面形態(tài)，并且大部分被轉化為不均勻的微米或納米級顆粒；與未提取藻藍蛋白的藻渣制備的活性炭相比，提取藻藍蛋白后制備的活性炭有更高的孔隙度，可以更有效地將染料分子捕獲和吸附[37]。

(a) (b)

(a)藻渣;(b)藻類活性炭

圖3藻殘渣制備的藻類活性炭和未處理藻的掃描電鏡圖[36]

Figure 3 Scanning electron micrographs of the surfaces of algae bloom residue and algal activated carbon prepared from algae bloom residue[36]

現(xiàn)在，使用生物燃料是一種新的趨勢，而藻也是生產生物燃料的原料之一。熱裂解制油是一種制備生物柴油的方法，藻熱裂解后的殘渣還可以制備成生物活性炭來去除水中的染料。Nautiyal等[38]使用生產生物柴油后留下的藻類殘余物制備成活性炭，這種活性炭對染料也具有很高的吸附量，其吸附量與商業(yè)活性炭大致相同，且成本較低。藻類含有豐富的脂質，因此可以將其中的脂質提取出來，再對藻渣加以利用。Fontoura等[39]將藻中的脂質分離作為燃料利用，剩余的藻類殘渣制備成活性炭。實驗結果證明，這種生物活性炭可以有效地去除水中的酸性藍161。

(a)未提取藻藍蛋白；(b)提取藻藍蛋白

圖4未提取藻藍蛋白的藻渣制備的活性炭和提取藻藍蛋白后的藻渣直接制備成活性炭的掃描電鏡圖[37]

Figure 4 Scanning electron micrographs of the surfaces of hydrochars deviated from algal bloom residues and phycocyanin-extracted algal bloom residues by hydrothermal carbonization[37]

2 總結與展望

由于工業(yè)染料廢水污染問題在許多發(fā)展中國家日益嚴重，而藻類是自然水體中廣泛存在的生物，所以，采用藻類物質對染料廢水進行處理，這也是近年來國內外研究比較關注的課題。從活藻和死藻使用范圍和程度相比，因活藻受本身的性質影響，活藻可能更適用于處理受污染程度小的染料廢水。但是，活藻降解不同染料的機理較為復雜，值得在學術上進一步探究。相比而言，死藻應用的范圍更為廣泛，其去除染料的機理也較為簡單(主要是吸附作用)，對死藻進行簡單的烘干粉碎處理有時就會有較好的處理效果。此外，利用藻類提取物或藻渣可進一步擴大應用范圍，例如，可以使用藻類生產生物柴油、營養(yǎng)物質、色素等，而之后剩下的廢棄物殘渣再用來制備活性炭。不過，對死藻處理還需要進一步發(fā)展工藝水平，需要進行多種條件的優(yōu)化。

目前，研究人員也正在考慮發(fā)展一些新的應用藻類去除水中污染物包括染料的技術，研究內容包括如下幾個方面：1)進一步推廣藻類在印染廢水脫色中的應用，從藻體對印染廢水耐受性和富集能力這兩個方面來進行技術研發(fā)。這方面需要研究不同藻類的耐性機制，并利用基因工程手段，了解和強化藻的基因中調控降解染料的酶基因；2)針對不同性質和濃度的染料廢水，混合使用不同比例的活藻和死藻(現(xiàn)有水中的藻類都是死藻和活藻同時存在的)，從而提高去除染料效率，降低成本，降低染料對活藻的毒害；3)對于處理印染廢水之后的藻的處理，一方面可以研究是否能繼續(xù)循環(huán)利用，另一方面也可以考慮制備成藻渣材料以進行二次利用；4)對于藻渣處理耗能較大的問題，可以將藻類生產加工產生生物燃料，然后利用這部分燃料來處理剩余的藻類殘渣，這樣既產生了新的能源，又將殘渣制備成活性炭；5)另外，還可以結合使用其他多種技術進行綜合處理，包括添加其他功能性材料、實施等離子體處理技術等[40-41]。