菌藻共生生物膜污水處理研究進(jìn)展

廖懷玉 孫麗 李濟(jì)斌 何頔

摘 要：傳統(tǒng)生物污水處理技術(shù)以活性污泥法及其衍生工藝為主，雖工藝成熟、操作簡單，但仍存在運(yùn)行能耗高、微生物對有毒物質(zhì)耐受性差等缺陷。菌藻共生生物膜污水處理技術(shù)具有低耗高效、抗沖擊負(fù)荷及環(huán)境毒性耐受能力強(qiáng)等優(yōu)勢，日益受到廣泛關(guān)注。從菌藻共生生物膜形成過程及凈水機(jī)理出發(fā)，介紹菌藻生物膜形成的影響因素以及凈水優(yōu)勢，綜述菌藻生物膜體系在污水處理中的推廣應(yīng)用，并針對現(xiàn)有研究的不足，對未來菌藻共生生物膜的研究趨勢進(jìn)行展望，以期為菌藻共生生物膜污水處理技術(shù)的進(jìn)一步工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：菌藻共生;生物膜;凈水原理;污水處理

中圖分類號：X703.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：2096-6717（2020）04-0141-13

收稿日期：2021-01-13

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金（2020M672540）

作者簡介：廖懷玉（1997- ），女，主要從事菌藻共生污水處理技術(shù)研究，E-mail：m18329967274@163.com。

孫麗（通信作者），女，博士，副研究員，E-mail：sunli@gdut.edu.cn。

Received：2021-01-13

Foundation item：Postdoctoral Science Foundation of China （No. 2020M672540）

Author brief：LIAO Huaiyu （1997- ）， main research interest： bacterial-algal symbiosis wastewater treating technology， E-mail： m18329967274@163.com.

SUN Li （corresponding author）， PhD， associate research fellow， E-mail： sunli@gdut.edu.cn.

Bacterial-algal symbiosis biofilm for wastewater treatment：A review

LIAO Huaiyu， SUN Li， LI Jibin， HE Di

（Institute of Environmental and Ecological Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， P.R. China; Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Guangzhou）， Guangzhou 511458， P. R. China）

Abstract： Conventional activated sludge process and its derivative process have been regarded as a representative and valuable process for biological water treatment because of their simple operation and mature technology. Nevertheless， several drawbacks hinder their wider applicability， in which the high operating energy costs and poor microbial tolerance for toxic substances. Bacterial-algal symbiosis biofilm technology has been given increasing attentions since their high nutrients removal under the condition of less aeration and the excellent suffertibility of load and toxicity. The motivation of this study， therefore， to discuss the formation process of bacterial-algal biofilm and the mechanism of pollutants removal， to introduce the influence factors for the biofilm formation and advantage of the engineering application. We also summarize the insufficient and analysis the further prospects of the bacteria-algal biofilm to provide technical support for the popularization of bacterial-algal symbiotic biofilm.

Keywords：bacterial-algal symbiosis; biofilm; mechanism of wastewater treatment; sewage treatment

隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢水日益增多。水體中富含氮磷等營養(yǎng)元素，其中，工業(yè)廢水中更含有難降解有機(jī)物、致病菌等有毒有害物質(zhì)，此類廢水若未經(jīng)有效治理而直接排放至天然水體，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境及人類健康[1]。目前，污水處理技術(shù)以活性污泥法及其衍生工藝為主，這些傳統(tǒng)工藝雖然技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定，但存在運(yùn)行能耗高、泥水分離效果差、難降解有機(jī)物處理處置效果不佳、微生物對環(huán)境毒性以及鹽度等耐受力差等一系列問題。菌藻共生污水處理技術(shù)的興起有助于緩解污水處理壓力，利用細(xì)菌與微藻協(xié)同作用機(jī)制、藻體強(qiáng)耐受能力及生物質(zhì)高效資源化，可同步實(shí)現(xiàn)水中污染物的有效去除與微藻生物量收獲，具有運(yùn)行成本低、能耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，能有效克服傳統(tǒng)污水處理工藝存在的弊端。因此，菌藻共生污水處理技術(shù)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

自20世紀(jì)50年代Oswald等第一次利用菌藻協(xié)同凈化污水以來，以菌藻共生為基礎(chǔ)的污水處理技術(shù)在水質(zhì)凈化機(jī)理、藻種篩選、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、工藝條件控制及藻細(xì)胞加工利用等方面取得了積極的進(jìn)展。目前，菌藻共生體系主要以懸浮、固定化以及菌藻共生生物膜的形式存在。在懸浮態(tài)菌藻系統(tǒng)中，因微藻自身尺寸小且密度接近于水，在水中多以懸浮態(tài)存在，易隨出水流出，造成藻細(xì)胞流失，影響污水處理效果[3];固定化能夠有效克服懸浮態(tài)菌藻存在的弊端，但因存在包埋基質(zhì)價(jià)格昂貴、無毒無害基質(zhì)難尋、操作繁瑣復(fù)雜等問題[4]，沒有得到廣泛應(yīng)用。為突破上述兩種菌藻共生體的技術(shù)瓶頸，菌藻共生生物膜系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛發(fā)展。將惰性載體引入污水處理體系，利用菌藻定向吸附特性，在載體表面形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的菌藻共生生物膜，最終強(qiáng)化污水處理效果[5]。筆者以分析菌藻共生生物膜污水處理技術(shù)的關(guān)鍵原理為出發(fā)點(diǎn)，綜述目前菌藻共生生物膜污水處理的研究進(jìn)展，主要內(nèi)容包括：菌藻共生生物膜的形成過程和污水凈化原理;菌藻共生生物膜形成的主要影響因素;菌藻共生生物膜應(yīng)用于污水處理的優(yōu)勢;菌藻共生生物膜污水處理的應(yīng)用。并對菌藻共生生物膜污水處理應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行分析總結(jié)，從而對菌藻共生生物膜污水處理未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 菌藻生物膜凈化污水優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)活性污泥法和懸浮菌藻共生法污水處理技術(shù)，菌藻生物膜體系具有獨(dú)特優(yōu)勢，主要包括：系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，污染物去除效果好，節(jié)能降耗。

1.1 系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)

細(xì)菌分泌的胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）能促進(jìn)微藻與細(xì)菌在載體表面附著，并為菌藻共生體提供一層保護(hù)屏障，抵抗極端環(huán)境（如干燥、極端的pH值和溫度）及緩沖有毒物質(zhì)侵害[6-7]，同時(shí)，增強(qiáng)生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，菌藻生物膜系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)豐富[8-9]，可同時(shí)存在自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物，有利于維持菌藻生物膜的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。自養(yǎng)微生物主要包括光能自養(yǎng)菌（如藍(lán)細(xì)菌、綠彎菌等）、化能自養(yǎng)菌（如硝化細(xì)菌等）、藻類（硅藻、綠藻等）;異養(yǎng)微生物主要包括異養(yǎng)細(xì)菌、真菌及原生動(dòng)物[10-11]。自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物間能基于代謝產(chǎn)物交換形成互利共生關(guān)系，更好地適應(yīng)寡營養(yǎng)環(huán)境。Wen等將微藻分泌的胞外有機(jī)物（Extracellular organic matter，EOM）作為WGX-9的碳源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在C/N為5的環(huán)境下，仍具有較好的脫氮效果。

1.2 污染物去除效果好

菌藻間通過代謝產(chǎn)物交換維持良好的互利共生關(guān)系，使菌藻生物膜保持較高的生長代謝活性，同時(shí)，微藻對氮磷無機(jī)鹽具有高效的同化作用，有利于實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。Tang等[12]在研究菌藻生物膜SBR系統(tǒng)與對照組不含藻類的SBR系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組菌藻生物活性較對照組有所提升;此外，對照組TN、TP的去除效果分別為47.11%±4.79%、31.86%±2.25%，而試驗(yàn)組TN、TP的去除效果分別為65.8%±6.86%、89.3%±4.49%，證實(shí)菌藻生物膜體系具有更優(yōu)異的營養(yǎng)鹽去除效果。

1.3 節(jié)能降耗

一方面，微藻光合作用產(chǎn)氧可降低系統(tǒng)曝氣強(qiáng)度，節(jié)約能耗。Babu等[13]研究發(fā)現(xiàn)，菌藻生物膜在光照強(qiáng)度為85～95 μE/（m2·s）時(shí)，其溶解氧（Dissolved oxygen，DO）濃度可達(dá)3.2～4.1 mg/L，硝化速率1.1～1.6 g N/（m2·d）;Yang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在沒有額外曝氣且持續(xù)光照的條件下，菌藻生物膜反應(yīng)器對模擬生活廢水中的COD和氨氮去除效果均可達(dá)90%以上。另一方面，附著生長體系回收生物質(zhì)時(shí)需輸入的能量更低。由于微藻細(xì)胞自身的特性，藻水分離難，不僅影響出水水質(zhì)，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)難以維持高濃度生物量[3]。在菌藻生物膜系統(tǒng)中，微生物通過自身的粘附性相互聚集并附著生長在載體表面，且從載體表面刮取的生物質(zhì)含水率較低[15]，降低了后續(xù)生物質(zhì)回收時(shí)的能量輸入。

2 菌藻共生生物膜形成過程及凈水原理

2.1 菌藻共生生物膜形成過程

菌藻共生生物膜的形成過程可分為3個(gè)步驟，即遷移運(yùn)輸、附著及生長過程[3-4，16]（具體如圖1所示）。1）遷移運(yùn)輸過程：菌藻生物膜形成初期，懸浮細(xì)菌和微藻在定向吸附、重力作用、水力動(dòng)力以及藻類趨光性等共同作用下，向固體介質(zhì)表面運(yùn)輸、移動(dòng)。2）附著過程：遷移至載體表面的微藻、細(xì)菌細(xì)胞與載體發(fā)生相互作用，依次進(jìn)行可逆附著和不可逆附著。其中，可逆附著主要包括微生物利用鞭毛、纖毛等外部細(xì)胞器以及外層膜蛋白在載體表面發(fā)生物理性附著，由于該過程的粘附性較弱，易受外力的影響，發(fā)生脫落;不可逆附著是指初步附著的藻體和細(xì)菌通過分泌EPS，使其緊密粘附在載體表面，形成初級生物膜，不易受外界環(huán)境影響而脫落。3）生長過程：根據(jù)微生物的群落結(jié)構(gòu)特征將生物膜生長過程分為細(xì)菌增殖階段、微藻增殖階段以及成熟階段。細(xì)菌生長繁殖速度高于微藻，故生物膜生長初期優(yōu)勢種群以細(xì)菌為主，在細(xì)菌增殖階段，細(xì)菌快速生長的同時(shí)分泌大量EPS;在微藻增殖階段，綠藻、絲狀藻以及其他藻類附著在EPS表面，同時(shí)，利用周圍環(huán)境的營養(yǎng)物質(zhì)增殖;在成熟階段，生物膜中藻類和細(xì)菌的比例達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，并形成良好的互利共生關(guān)系。最終，附著在載體表面的細(xì)菌和藻類形成一個(gè)成熟穩(wěn)定、由EPS膠連，且具有三維結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀菌藻共生體。

2.2 菌藻群落結(jié)構(gòu)及相互作用關(guān)系

成熟的菌藻生物膜具有豐富的微生物群落結(jié)構(gòu)，其中，細(xì)菌多以α變形菌、β變形菌、γ變形菌以及鞘脂桿菌為主[17-18]，藻類多以絲狀綠藻、綠球藻為主[17]。其來源主要包括自然生長、原始接種液投加及后期物種進(jìn)化演替。與自然生長相比，針對不同廢水及工程所需，選擇特定的微藻及細(xì)菌投加到系統(tǒng)中能夠強(qiáng)化污染物去除效果。如無色桿菌（Achromobacteria）、產(chǎn)堿菌（Alcaligenes）、芽孢桿菌（Bacillus）、噬氫菌（Hydrogenophaga）和假單胞菌（Pseudomonas）可以進(jìn)行異養(yǎng)硝化和好氧反硝化，脫氮效率高[19]。一些聚磷菌如假單胞桿菌（Pseudomonas）和Accumulibacter能超量吸磷并將其轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)聚合磷化合物[20]。人工接種可強(qiáng)化所選物種的豐度，提高微生物生長速率，從而實(shí)現(xiàn)快速高效的污染物去除效果。當(dāng)原始微生物形成初級生物膜后，生物膜中物種發(fā)生演替，這種演替主要受環(huán)境因素影響，進(jìn)而影響菌藻間相互作用關(guān)系，主要包括協(xié)作共生及競爭關(guān)系。微藻與細(xì)菌的生物協(xié)同作用在微生物代謝和生長、污染物去除能力和生態(tài)功能中起著至關(guān)重要的作用。細(xì)菌及藻類間不僅發(fā)生CO2和O2的交換，同時(shí)，彼此釋放促生長因子及微量元素，促進(jìn)對方生長發(fā)育，增強(qiáng)菌藻共生體生物活性，Roeselers等[21]研究發(fā)現(xiàn)，Betaproteobacteria釋放的一種微量物質(zhì)能夠促進(jìn)Microcoleus vaginatus的生長及粘附作用;同樣，Park等[22]研究發(fā)現(xiàn)，將Brevundimonas sp.添加至Chlorella ellipsoidea中能夠延長其對數(shù)增長時(shí)間，生物量增加50倍。菌藻間競爭關(guān)系多出現(xiàn)于營養(yǎng)物質(zhì)匱乏以及特定菌藻間的敵對作用，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有些微藻的代謝物具有殺菌作用，如小球藻素對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有殺菌作用[23]，而一些藻類產(chǎn)生的代謝物能夠抑制細(xì)菌的群體感應(yīng)，不易于生物膜形成[24]。同樣，一些細(xì)菌也會(huì)分泌鏈霉素等有毒活性物質(zhì)，影響藻類光合作用相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，阻礙微藻電子傳遞，進(jìn)而抑制藻類生長繁殖[25]。總的來說，微藻細(xì)菌之間的協(xié)作共生或競爭作用是調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)和對外界條件的響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)而影響菌藻共生生物膜的形成及水質(zhì)處理效果。

細(xì)菌間、菌藻間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，而物種的選擇是建立一個(gè)菌藻穩(wěn)定共生、污染物高效去除的菌藻共生生物膜體系至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，目前所研究的附著菌群大多是通過自然培養(yǎng)形成，這可能會(huì)在系統(tǒng)效能方面達(dá)不到預(yù)期效果。隨著遺傳學(xué)和代謝組學(xué)的迅猛發(fā)展，菌種的基因改良為實(shí)現(xiàn)特定難降解有機(jī)污染物的高效去除提供了可能，通過針對性的基因改良，新物種的添加強(qiáng)化了某種生物功能，改善了菌種間相互作用關(guān)系，但新物種的添加在提高污染物去除效果的同時(shí)，對生態(tài)安全具有潛在風(fēng)險(xiǎn)[26]。因此，從生態(tài)工程角度出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先選擇和改進(jìn)生物膜中土著微生物物種，以形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。所以，合理利用現(xiàn)代基因工程和生態(tài)工程手段對菌藻生物膜進(jìn)行生物強(qiáng)化具有一定的實(shí)際意義。

2.3 菌藻共生生物膜凈化污水原理

2.3.1 碳的去除

菌藻生物膜中含碳污染物的去除主要通過異養(yǎng)細(xì)菌、兼養(yǎng)藻類的氧化分解作用以及自養(yǎng)藻類的光合作用。異養(yǎng)細(xì)菌以有機(jī)碳源污染物為電子供體，O2為電子受體，通過礦化作用將含碳有機(jī)物氧化分解為CO2，其中一部分CO2逸散至環(huán)境中，另一部分被藻細(xì)胞吸收利用，吸收進(jìn)藻細(xì)胞的CO2在核酮糖二磷酸羧化酶（Rubisco）的作用下，經(jīng)過暗反應(yīng)的卡爾文循環(huán)轉(zhuǎn)化為葡萄糖等有機(jī)物固定在微藻細(xì)胞內(nèi);同時(shí)，微藻光合作用產(chǎn)生的O2為異養(yǎng)細(xì)菌提供了充足的電子受體，強(qiáng)化了細(xì)菌對含碳有機(jī)物的氧化分解過程。當(dāng)水環(huán)境偏堿性時(shí)，水體中的無機(jī)碳主要以HCO3-的形式存在，微藻可利用胞外碳酸酐酶將HCO3-通過主動(dòng)運(yùn)輸吸收至細(xì)胞內(nèi)，轉(zhuǎn)化為CO2，再進(jìn)行利用，從而實(shí)現(xiàn)污水中無機(jī)碳的去除[27]。此外，生物膜中兼性營養(yǎng)型的微藻可以CO2及有機(jī)碳為碳源，同時(shí)進(jìn)行光合作用和呼吸作用，完成污水中含碳物質(zhì)的去除[28]。

2.3.2 氮、磷的去除

菌藻共生生物膜去除含氮磷元素污染物主要包括生物及化學(xué)兩種途徑：其中，生物途徑主要為細(xì)菌及微藻的同化、異化作用，化學(xué)途徑則是共生環(huán)境中pH值的變化引起相應(yīng)的氮磷去除。當(dāng)含氮有機(jī)化合物進(jìn)入水體后，生物膜好氧區(qū)域中的細(xì)菌利用藻類光合作用釋放的O2，經(jīng)過氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)等將有機(jī)氮化合物分解轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮等無機(jī)氮化合物，生成的硝酸鹽氮在生物膜的厭氧區(qū)域內(nèi)經(jīng)反硝化作用，還原成氣態(tài)氮，完成細(xì)菌生物脫氮的過程;同時(shí)，經(jīng)細(xì)菌氧化分解產(chǎn)生的無機(jī)氮化合物通過同化作用吸收轉(zhuǎn)化為細(xì)菌（主要吸收氨氮）及微藻胞內(nèi)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自身生長發(fā)育[8]。值得注意的是，微藻對無機(jī)氮磷的吸收具有一定順序，當(dāng)NH4—N、NO3—N和NO2—N在水體中共存時(shí)，微藻優(yōu)先吸收NH4—N，并入碳骨架合成胞內(nèi)物質(zhì)，當(dāng)NH4—N被消耗盡時(shí)，NO3—N和NO2—N作為N源被微藻吸收利用，并在硝酸鹽還原酶以及亞硝酸鹽還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為NH4—N，再被微藻同化為胞內(nèi)物質(zhì)[4， 28]。針對菌藻生物膜生物除磷途徑，其主要為聚磷菌及微藻的過量吸磷作用，Schmidt等[29]曾報(bào)道，小球藻（Chlorella vulgaris）和萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）具有超級吸磷作用，其吸磷能力強(qiáng)于同質(zhì)量下的聚磷菌?；瘜W(xué)脫氮除磷主要是由于藻類光合作用消耗了水中大量酸性CO2，使得水體pH值升高，呈堿性狀態(tài)，氮元素則在堿性條件下部分以NH3形態(tài)溢出水體得以去除[30]，磷在堿性條件下易與共存的鈣鎂離子形成難溶性磷酸鹽沉淀，實(shí)現(xiàn)去除;此外，有研究者在研究菌藻生物膜EPS時(shí)發(fā)現(xiàn)，菌藻生物膜中的EPS含有蛋白質(zhì)和多聚糖等成分，具有豐富的含氧官能團(tuán)，能夠與有機(jī)磷發(fā)生配位作用，使有機(jī)磷與菌藻生物膜表面的EPS結(jié)合，通過吸附作用去除[31]。菌藻共生生物膜去除污水中的C、N、P污染物原理如圖2所示。

2.3.3 重金屬的去除

菌藻生物膜對重金屬的去除原理主要包括吸附作用、生物富集以及由水體pH值變化引起的沉淀作用[5]。菌藻生物膜對重金屬的吸附作用主要包括靜電吸附和絡(luò)合作用。其分泌的EPS中含有含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、氨基和膦酰基，具有兩方面的作用，即：使EPS表面帶負(fù)電，通過靜電作用力吸附重金屬離子;提供有效結(jié)合位點(diǎn)，使重金屬與氧、氮、磷等原子通過配位作用生成配位鍵，形成絡(luò)合物[32]。除EPS的吸附作用，菌藻生物膜還可通過細(xì)胞生物膜和細(xì)胞壁的吸附作用去除重金屬，這是由于微藻和細(xì)菌的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜成分中包含蛋白質(zhì)、多聚糖等成分，其表面的配位基團(tuán)包含的陰離子基團(tuán)和酸性官能團(tuán)，如氨基、羧基、羥基以及硫化物等，具有與EPS類似的吸附作用，通過靜電吸附和絡(luò)合作用將重金屬離子吸附至微生物細(xì)胞表面。發(fā)生在活細(xì)胞體內(nèi)的生物富集作用也是重金屬去除的途徑之一，微生物通過主動(dòng)運(yùn)輸和胞吞作用使重金屬進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并與細(xì)胞器相結(jié)合，使重金屬在細(xì)菌和微藻體內(nèi)發(fā)生生物富集[5，33]。除此之外，由于微藻光合作用引起水體環(huán)境pH值升高，可使重金屬在堿性環(huán)境下通過沉淀作用去除。

3 菌藻共生生物膜形成的影響因素

菌藻共生生物膜的生長狀況、附著狀態(tài)均能影響污水處理效果。菌藻生物膜同細(xì)菌類生物膜類似，當(dāng)其生長到一定階段時(shí)，將發(fā)生脫落，引起菌藻生物膜脫落的原因主要包括：水體中的底物被逐漸消耗，使得微生物生長進(jìn)入穩(wěn)定期和衰老期;由于環(huán)境擾動(dòng)，水體剪切力大于菌藻生物膜與固體介質(zhì)之間的吸附力，使生物膜發(fā)生機(jī)械性脫落;隨著生物膜厚度增加，內(nèi)層微生物的傳質(zhì)阻力增加，以及光能利用降低，使得內(nèi)層細(xì)菌活性和微藻的光合作用效率下降，導(dǎo)致生物膜粘附性減弱而發(fā)生脫落。因此，通過認(rèn)識(shí)菌藻生物膜形成的影響因素，設(shè)置合理的工藝參數(shù)，對提升生物膜穩(wěn)定性、防止或降低脫落頻次，對保證工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。影響菌藻生物膜形成的因素主要包括環(huán)境因素、生物因素、載體類型等。

3.1 環(huán)境因素

光照、CO2濃度、溫度、水質(zhì)特征及水流速度等環(huán)境因素均會(huì)影響菌藻生物膜污水處理效果。光照是藻類生長過程中關(guān)鍵性限制因素之一，主要通過光照強(qiáng)度及周期影響藻類生長。在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，微藻的光合作用速率隨著光照強(qiáng)度遞增而增加，當(dāng)達(dá)到光飽和點(diǎn)時(shí)，增加的光照強(qiáng)度會(huì)抑制藻細(xì)胞內(nèi)色素吸收光和光能轉(zhuǎn)化的效率，從而影響微藻自身的合成代謝，減緩菌藻生物膜的形成[34-36]。光照強(qiáng)度對菌藻共生生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)具有一定的影響。由于生物膜具有一定厚度，光照強(qiáng)度從生物膜表層至內(nèi)層呈指數(shù)衰減，導(dǎo)致微藻光合作用活性隨生物膜厚度降低，從而引起氧濃度在生物膜上呈梯度分布[37]，因此，生物膜上分布著不同氧含量需求的菌種。此外，光照強(qiáng)度對細(xì)菌活性也有一定影響。大量研究表明，強(qiáng)光輻射的環(huán)境條件下，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性都將受到一定程度的抑制。Meng等[38]研究表明，當(dāng)光照強(qiáng)度高于8 000 lx時(shí)，菌藻共生體系中亞硝酸鹽氧化菌活性受抑制，造成水體中亞硝酸鹽的累積;Hooper等[39]研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光主要通過誘導(dǎo)高氧化活性物質(zhì)的形成，損壞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并通過抑制氨單加氧酶和細(xì)胞色素C（一種與電子傳遞鏈有關(guān)的蛋白）的活性來降低氨氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性。除光照強(qiáng)度外，光照周期對藻類細(xì)胞生長繁殖也具有重要作用，微藻光合作用主要包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段，其中，光反應(yīng)階段在光照、光合色素以及酶的作用下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi);暗反應(yīng)階段則利用光反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能以及酶的作用將CO2還原為糖類，轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)物質(zhì)，所以，適宜的光暗交替有利于光、暗反應(yīng)相結(jié)合，是菌藻共生生物膜微藻細(xì)胞增殖及代謝正常運(yùn)行的重要保障[40]。

CO2是藻類生長過程中的另一限制性因素。Blanken等[41]研究表明，當(dāng)水體中通入的CO2含量由0.63%增加到1.25%時(shí)，微藻生物量顯著提高，隨后，當(dāng)CO2含量由4%增加至10%時(shí)，微藻生長并沒有明顯變化，可見，微藻對CO2的吸收利用存在飽和點(diǎn)，濃度過高或過低均不利于生物膜中微藻的生長繁殖。此外，CO2供氣方式對生物膜穩(wěn)定性具有一定影響，研究表明，半浸沒式載體（即部分裸露于空氣中）可直接吸收空氣中的CO2，氣體傳遞至生物膜表面只需穿過一層較薄的液膜，因此，傳質(zhì)阻力小、傳輸效率高;而浸沒式培養(yǎng)體系通常采取在系統(tǒng)底部曝氣的方式提供CO2，該方式傳質(zhì)阻力較大、傳質(zhì)效率較低，同時(shí)，曝氣形成的上升氣流對生物膜表面具有剪切擾動(dòng)作用，不利于微生物附著，降低了生物膜的穩(wěn)定性，因此，需設(shè)置合理的CO2供氣方式及強(qiáng)度[42]。

溫度主要通過影響微生物群落結(jié)構(gòu)、微生物活性以及營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率來影響菌藻共生生物膜形成。在適宜溫度范圍內(nèi)，溫度升高能增加微生物酶活性，促進(jìn)微藻同化無機(jī)鹽以及細(xì)菌分解有機(jī)物的速率，從而提高菌藻共生生物膜的生長繁殖速率[43]及污染物去除效果。高于或者低于適宜溫度，微生物活性均發(fā)生不同程度降低，甚至造成細(xì)胞死亡，有學(xué)者提出，高溫對微生物的危害是化學(xué)性的，低溫是機(jī)械性的，因此，微生物對低溫環(huán)境的承受程度大于高溫環(huán)境[44]。由于不同微生物適宜生長的溫度范圍存在差異，因此，溫度的改變將影響生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)。Boelee等[45]研究發(fā)現(xiàn)，大部分微藻的最優(yōu)生長溫度范圍為20～25 ℃。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微藻具有較快的生長速率以及較高的污染物去除潛力，并且水環(huán)境中存在細(xì)菌也多為噬溫菌，因此，將溫度控制在中溫范圍內(nèi)有利于促進(jìn)菌藻生物膜形成以及促進(jìn)污染物去除效果。此外，溫度通過影響營養(yǎng)物質(zhì)的生物有效性來影響微藻的生長代謝，如溫度過高降低了水體中NH+4及CO2的溶解度，對微藻的生長代謝過程具有阻礙作用。

污水水質(zhì)，如水體透明度、C/N、DO等均對菌藻生物膜活性和群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要影響。在菌藻共生體系中，水體透光度對藻類光合作用影響非常大，水體透光度與水中懸浮顆粒含量及色度有關(guān)，其中，懸浮顆粒對光具有很強(qiáng)的散射作用，而水體色度影響光的透射距離，進(jìn)而影響藻類對光的吸收利用[46]。水體透光性還受污泥/藻含量比值影響，Sun等[47]研究了泥/藻比對藻類生長的影響，發(fā)現(xiàn)隨著污泥含量增加，水體顏色由綠色轉(zhuǎn)為黃褐色，遮光效應(yīng)增強(qiáng)，抑制了微藻光合作用活性和增殖速率。除水體透明度外，C/N、DO也通過影響共生菌的生長繁殖進(jìn)而影響菌藻共生生物膜的形成，研究者們發(fā)現(xiàn)，高C/N比能夠促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌大量繁殖，自養(yǎng)菌種群密度和活性逐漸下降[10， 48]。生物膜中DO梯度影響氨氧化、硝化和反硝化有關(guān)的細(xì)菌的分布情況[49]，進(jìn)而間接影響自養(yǎng)異養(yǎng)菌的空間分布，而藻類在DO含量較高的條件下光呼吸作用增強(qiáng)，導(dǎo)致內(nèi)源物質(zhì)消耗而光合作用受抑制[50]，所以，有效控制C/N和DO濃度是維持菌藻平衡的一個(gè)重要因素。

水體流速是菌藻共生生物膜的形成、掛膜以及穩(wěn)定性的重要影響因素。水體流速對菌藻生物膜形成的影響主要表現(xiàn)為：一方面，流速增加促進(jìn)底物傳質(zhì)，有利于生物膜中底層微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)，提高生長繁殖速率;另一方面，老化的生物膜可以在水體剪切力的作用下發(fā)生脫落，實(shí)現(xiàn)菌藻生物膜更新，從而增強(qiáng)生物膜中微生物活性[8]。然而，水體湍動(dòng)程度過大將產(chǎn)生較大的剪切力，不利于生物膜在載體表面附著，抑制菌藻生物膜的形成及穩(wěn)定，過小則易形成較厚的生物膜，增加了敝光效應(yīng)和傳質(zhì)阻力，不利于內(nèi)層生物膜對光能的利用以及生物膜與液相主體之間的底物、代謝產(chǎn)物以及氣體交換。因此，水體流速需同時(shí)滿足生物膜附著生長的穩(wěn)定性及底物傳質(zhì)的低阻力，并根據(jù)生物膜形成的不同時(shí)期設(shè)定。在生物膜形成初期，較低的流速可以促進(jìn)微生物附著而有利于生物膜的形成，而在后續(xù)階段，應(yīng)適當(dāng)增加流速，以促進(jìn)底物、氣體傳質(zhì)和生物膜自動(dòng)更新。

3.2 生物因素

菌藻共生生物膜的形成過程中，其所釋放的EPS起關(guān)鍵作用。在生物膜生長繁殖階段，EPS具有聚集、連接菌藻細(xì)胞以及作為暫存和傳遞營養(yǎng)物質(zhì)媒介的作用，構(gòu)成了菌藻共生生物膜的骨架[37]。EPS是由蛋白質(zhì)、多糖、磷脂和核酸等組成的高分子聚合物，根據(jù)其與細(xì)胞結(jié)合的緊密程度，又分為溶解態(tài)EPS（Soluble EPS， S-EPS）和結(jié)合態(tài)EPS（Bound EPS， B-EPS）。EPS官能團(tuán)同時(shí)包含多個(gè)親水/疏水、正電/負(fù)電結(jié)合位點(diǎn)，故在菌藻共生生物膜形成過程中，EPS會(huì)對細(xì)胞表面理化性質(zhì)（如帶電性、親疏水性、粗糙度等）產(chǎn)生重要影響[51-55]。Li等[56]研究發(fā)現(xiàn)，生物膜生長速率與B-EPS的蛋白質(zhì)和多糖比值、親疏水性、含量及表面zeta電位密切相關(guān)。其中，EPS中帶正電的基團(tuán)，如-NH2，能增加細(xì)胞表面zeta電位，從而促進(jìn)生物膜的穩(wěn)定性。此外，生物膜的形成與EPS表面能正相關(guān)，而EPS表面能又與EPS表面親水性呈正相關(guān)，與疏水性呈負(fù)相關(guān)。而Chen等[57]還發(fā)現(xiàn)，EPS在載體表面呈非均勻分布，增加了載體表面粗糙度，為生物膜形成創(chuàng)造了有利條件。

另一方面，細(xì)菌的生理活動(dòng)以及其與微藻的相互作用對菌藻共生生物膜的形成也具有關(guān)鍵作用。細(xì)菌增殖速度高于微藻，細(xì)菌在快速增殖階段分泌大量的EPS，粘附在載體表面，形成細(xì)菌生物膜，隨著細(xì)菌豐度和多樣性的提高，微藻可利用的碳源和氮磷無機(jī)鹽增多，促使更多的微藻細(xì)胞附著在載體表面，形成菌藻共生生物膜并促進(jìn)微藻生長[58]。Hodoki[59]研究證實(shí)，在培養(yǎng)藻類生物膜的過程中，引入一定量的細(xì)菌能顯著提高生物膜中葉綠素含量，并增強(qiáng)微藻細(xì)胞的附著性;Holmes[60]研究發(fā)現(xiàn)，與無菌的藻生物膜培養(yǎng)體系相比，添加細(xì)菌的培養(yǎng)體系里，生物膜中的葉綠素含量增加了1～2個(gè)數(shù)量級;Irving等[61]研究表明，與無菌培養(yǎng)液相比，在未殺菌的經(jīng)過二級處理的廢水中生長的藻類生物膜厚度增加了9倍。

3.3 載體類型

載體是細(xì)菌和微藻形成生物膜的關(guān)鍵性場所，其表面性質(zhì)對菌藻生物膜的形成、代謝活性具有重要影響。按照材料性質(zhì)，通常可將載體分為無機(jī)載體和有機(jī)載體。目前研究的無機(jī)載體包括陶瓷顆粒、玻璃、不銹鋼板、石灰石等。有機(jī)載體分為天然高分子載體和合成高分子載體，其中，天然有機(jī)高分子載體包括海藻酸鈣、瓊脂、棉、木質(zhì)載體等;合成高分子材料包括聚四氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、尼龍、紙、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、醋酸纖維（CA）、硝化纖維（CN）等。在選擇載體時(shí)，不僅需要綜合考慮載體的表面特性、來源、成本以及耐用性，還應(yīng)根據(jù)載體安裝方向?qū)ξ⑸锔街缘挠绊憗磉x擇不同的載體，如對于水平安裝的載體應(yīng)選擇表面相對光滑的材質(zhì)，諸如PVC、玻璃材料等，便于后續(xù)刮取生物質(zhì)進(jìn)行回收，而垂直安裝的載體應(yīng)選擇表面粗糙度較大的，如棉材質(zhì)載體，使微生物細(xì)胞能夠克服重力作用緊密地粘附在載體表面[62]。

微生物和載體表面最初的相互作用力為靜電作用力。細(xì)菌和微藻細(xì)胞表面通常帶負(fù)電，易于粘附在帶正電的載體表面，而在帶負(fù)電的載體上附著需要克服靜電斥力，所以，通常選取帶正電的載體作為菌藻生物膜附著場所[16]。載體的親/疏水性也影響微生物附著效果。親水性載體表面容易吸附微生物粒子，但吸附作用較弱，為可逆吸附;疏水性載體表面吸附力較強(qiáng)，但吸附不可逆。適宜的載體應(yīng)既能滿足微生物生理活動(dòng)需求，又具有較強(qiáng)的吸附力，因此，選擇的載體應(yīng)達(dá)到一定親/疏水平衡值[63]。Gross等[64]、Sekar等[65]分別研究了微藻細(xì)胞在不同載體表面的附著性能，結(jié)果表明，微藻更容易在疏水性載體表面附著并形成初始生物層。除上述提及的載體表面性質(zhì)外，載體的生物毒性以及可生物降解性對菌藻生物膜形成也具有一定影響，例如，銅板對微藻和細(xì)菌具有毒害作用，不適合作為菌藻生物膜的載體，而紙材質(zhì)的載體雖然對微生物無毒害作用，但因其可被微生物降解，縮短了載體的使用壽命，同樣不適合長期作為菌藻生物膜載體，所以，應(yīng)選擇對菌藻細(xì)胞無毒害作用、使用壽命長且易于微生物附著的材質(zhì)作為載體，如棉質(zhì)、PVC、PE等材質(zhì)。

4 菌藻生物膜在污水處理中的應(yīng)用

基于菌藻生物膜污水處理體系的獨(dú)特優(yōu)勢，近年來，不同類型的菌藻生物膜反應(yīng)器被開發(fā)用于廢水處理。由于菌藻生物膜反應(yīng)器在供氣方式、載體類型等方面具有廣泛的選擇，因此，反應(yīng)器設(shè)計(jì)較靈活，文獻(xiàn)中報(bào)道了多種構(gòu)型的菌藻生物膜反應(yīng)器，根據(jù)反應(yīng)體系是否直接與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，可將反應(yīng)器分為開放式反應(yīng)器和封閉式反應(yīng)器，其中，開放式反應(yīng)器為開放容器，可直接與外界環(huán)境進(jìn)行CO2/O2等交換;封閉式反應(yīng)器為密閉容器，不能與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換。常見的開放式光生物反應(yīng)器構(gòu)型為水力藻類床（Algal Turf Scrubber，ATS）、菌藻生物膜轉(zhuǎn)盤等，封閉式生物反應(yīng)器主要包括封閉管狀/平板狀菌藻生物膜反應(yīng)器。筆者主要介紹菌藻生物膜系統(tǒng)應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水以及養(yǎng)殖廢水處理的研究進(jìn)展。

4.1 城鎮(zhèn)生活污水

城鎮(zhèn)生活污水是菌藻生物膜污水處理技術(shù)研究最廣泛的廢水類型，20世紀(jì)80年代，Adey等[66]就利用ATS處理城市生活污水，并獲得了較好的氮磷去除效果。此后，關(guān)于菌藻生物膜城鎮(zhèn)生活污水凈水體系的研究廣泛展開。Posadas等[67]對比了封閉管式生物膜反應(yīng)器和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的ATS體系對模擬生活污水的處理效果，發(fā)現(xiàn)開放式菌藻生物膜反應(yīng)器對TN、TP的去除效果分別可達(dá)92%±5%和96%±2%，而封閉管式生物膜反應(yīng)器對TN、TP的去除率分別為80%±6%和68%±18%。應(yīng)用較廣泛的載體為二維平面構(gòu)型，此類載體結(jié)構(gòu)簡單且容易被菌藻附著，但其比表面積較小，掛膜量較少，不適用于污染物濃度高的廢水處理。針對這一弊端，研究者選取了比表面積更大的三維填料作為載體，如唐聰聰[68]將具有多孔結(jié)構(gòu)的球形陶瓷填料（比表面積為90 m2/m3）和菌藻共生體引入SBR中，構(gòu)建了序批式菌藻共生泥膜反應(yīng)器（A-SBBR），根據(jù)填料固定、不固定將反應(yīng)器分為I型A-SBBR和Ⅱ型A-SBBR，并應(yīng)用于模擬生活污水處理，研究結(jié)果表明，I型TN、TP去除效果分別為65.8%、89.3%;Ⅱ型TN、TP去除效果分別為69.91%、94.78%。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，Zhang等[10]構(gòu)建了一種膜曝氣菌藻生物膜反應(yīng)器，其改變了傳統(tǒng)菌藻生物膜體系的供氣方式，利用透氣膜組件向反應(yīng)體系提供O2，成功地在膜片表面培養(yǎng)出菌藻共生生物膜，其對TN、TP的去除率分別為80.56%、62.54%。

4.2 工業(yè)廢水

廢水中的有毒有害物質(zhì)對微生物生長繁殖以及生物活性具有強(qiáng)烈的抑制作用，極易影響廢水處理效果。相較于傳統(tǒng)生物處理技術(shù)，菌藻共生生物膜工藝不僅可以有效去除多種污水中的氮磷等營養(yǎng)元素，同時(shí)，藻類具有較強(qiáng)的毒害物質(zhì)耐受性，對有毒污染物，如重金屬、石油烴類等也具有較好的處理效果，因此，也有學(xué)者利用菌藻生物膜處理含毒性物質(zhì)廢水。

重金屬污染物是工業(yè)廢水中常見的難處理污染物，前人廣泛開展了微藻對As、Cd、Cr、Pb、Hg等重金屬廢水處理的研究（如表1所示），證實(shí)微藻在耐受重金屬毒性并修復(fù)重金屬污染水體方面具有較大潛力，所以，結(jié)合菌藻共生生物膜在污水處理中的優(yōu)勢，利用菌藻生物膜法去除水體中的重金屬成為一項(xiàng)新興污水處理技術(shù)。菌藻生物膜法處理重金屬污染廢水主要依靠吸附作用，大量研究表明，微生物分泌的EPS因含有豐富的含氧官能團(tuán)，易與金屬離子通過絡(luò)合作用進(jìn)行吸附。張道勇等[70]研究了絲藻（Ulothrix sp.）細(xì)菌生物膜去除Cd，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中Cd的去除效率與絲藻分泌的EPS相關(guān)性良好，此外還發(fā)現(xiàn)，絲藻所分泌的EPS為菌藻共生體提供了一個(gè)緩沖Cd毒性的微環(huán)境，這使得菌藻生物膜能在不利的環(huán)境中保持較高的活性并能持續(xù)有效地去除水體中的Cd。高敏等[71]也探究了菌藻生物膜對重金屬Cd的去除效能，研究發(fā)現(xiàn)，Cd的去除效果受溫度、pH值以及離子強(qiáng)度影響較大，其中，Cd離子濃度變化范圍為2～10 mg/L時(shí)，去除率由97.8%增至98.42%，超過10 mg/L時(shí)，去除率下降。出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是低濃度Cd離子刺激了生物膜分泌EPS，增加了對Cd的吸附，高濃度Cd離子抑制了微生物的活性，降低了EPS的分泌，且存在競爭官能團(tuán)以及結(jié)合位點(diǎn)的現(xiàn)象，故抑制了Cd離子被菌藻生物膜吸附。梁麗華[72]探究了光照氧化塘菌藻共生生物膜系統(tǒng)去除煤礦區(qū)廢水中的Cr（Ⅵ）的潛力，研究結(jié)果表明，當(dāng)Cr（Ⅵ）低于3 mg/L時(shí)，去除率大于90%，經(jīng)過長時(shí)間的馴化，在Cr（Ⅵ）進(jìn)水濃度為20 mg/L的條件下，去除率可穩(wěn)定在88.2%，證實(shí)了菌藻生物膜對Cr（Ⅵ）具有良好的去除效果。

含毒性物質(zhì)廢水中除含有重金屬外，還含有難降解有機(jī)污染物，有機(jī)污染物被微生物礦化降解需要消耗大量O2，傳統(tǒng)生物處理工藝需設(shè)置曝氣裝置供氧，不僅能耗高，更易造成有毒物質(zhì)如酚類污染物、有毒有機(jī)溶劑的揮發(fā)，產(chǎn)生二次污染，此外，難降解有機(jī)污染物易對微生物活性產(chǎn)生抑制效果，降低污水處理效能。近年來，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，菌藻生物膜對工業(yè)廢水中難降解有機(jī)物具有較大去除潛能，并且無須額外供氧，避免二次污染。微藻對細(xì)菌降解石油烴類污染物具有促進(jìn)作用，主要體現(xiàn)在微藻可分泌表面活性劑，以有效提高有機(jī)污染物的可生化性，同時(shí)，微藻細(xì)胞分泌的胞外物質(zhì)不僅促進(jìn)了石油烴共代謝，還能為共生菌提供營養(yǎng)物質(zhì)及較穩(wěn)定著生環(huán)境，增強(qiáng)石油烴降解效率[73]。Mukherji等[74]利用生物轉(zhuǎn)盤培養(yǎng)的菌藻生物膜處理含石油烴廢水，研究發(fā)現(xiàn)，在高有機(jī)負(fù)荷條件下（總石油烴，23.9～47.8 g/m3/d），油滴被吸附在生物膜表面且大部分烷烴被微生物礦化，當(dāng)HRT大于18 h時(shí)，石油烴的去除率大于97%。Chavan等[75]研究了苯酚對菌藻生物膜轉(zhuǎn)盤修復(fù)石油污染水體的影響，結(jié)果表明，在HRT為21 h，有機(jī)污染物負(fù)荷為27.33 g/（m3·d）的條件下，當(dāng)進(jìn)水中苯酚含量由0.11 g/（m3·d）增加至0.69 g/（m3·d）時(shí)，石油烴去除率由99%降低至94%，證實(shí)苯酚對微生物活性有一定的抑制作用，但菌藻生物膜對苯酚仍具有一定的耐受性，因此，污染物降解活性仍然較高，并對苯酚具有一定的去除效果（18.8%～38%）。Muoz等[76]探究了小球藻sorokiniana和菌種Ralstonia basilensis構(gòu)建的菌藻共生生物膜系統(tǒng)對水中的水楊酸（可抑制細(xì)菌活性的有機(jī)物）的去除效果，結(jié)果表明，在ATS反應(yīng)器中HRT為1.3 d條件下水楊酸去除率可達(dá)100%。

4.3 養(yǎng)殖廢水

隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖廢水排放量隨之增加。養(yǎng)殖廢水主要由動(dòng)物排泄物以及養(yǎng)殖場地清潔廢水組成，具有污染物濃度高、有毒有害物質(zhì)種類多等特點(diǎn)[77]，傳統(tǒng)生物法處理養(yǎng)殖廢水時(shí)，耐受負(fù)荷沖擊能力差、脫氮除磷效率低，且微生物易受毒害作用影響，而菌藻生物膜的抗負(fù)荷能力及耐毒性強(qiáng)的特點(diǎn)，使其在處理養(yǎng)殖廢水方面具有一定的優(yōu)勢。González等[78]、Godos等[79]在封閉管式反應(yīng)器中培養(yǎng)了由小球藻（Chlorella sorokiniana）活性污泥形成的菌藻共生生物膜，并研究其對豬場廢水的處理效能，結(jié)果表明，該反應(yīng)器對TN、TP的去除效果分別可達(dá)94%以上及70%～90%。張正紅等[80]利用一種由活性污泥、光合細(xì)菌和小球藻組成的菌藻共生序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）處理具有高濃度污染物的養(yǎng)豬場沼液，該廢水中COD濃度為（1.828±0.2）g/L，氮濃度為（705±80）mg/L，研究發(fā)現(xiàn)，在HRT為2 d，光照強(qiáng)度為5 000 lx的條件下，COD、NH+4—N、TN和TP的去除率分別可達(dá)92.16%±0.82%、97.98%±0.53%、87.95%±0.55%和84.25%±0.45%，去除效果良好。

5 結(jié)論與展望

菌藻生物膜既廣泛存在于天然水體中的固體介質(zhì)表面，也可以通過人工強(qiáng)化手段在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)形成，其中，環(huán)境因素、微生物活性以及載體類型是影響菌藻生物膜形成和脫落的重要條件。相較于傳統(tǒng)污水處理工藝，菌藻生物膜不僅在一定程度上維持高濃度生物量，減少占地面積，同時(shí)在污染物去除、節(jié)能降耗以及對環(huán)境毒性的耐受性等方面也表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。因此，近年來，將菌藻共生生物膜污水處理技術(shù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水以及養(yǎng)殖廢水的研究方興未艾。雖然，菌藻生物膜污水處理體系具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但在實(shí)際工程中的應(yīng)用仍任重而道遠(yuǎn)。其中，菌藻共生生物膜快速形成及高效穩(wěn)定控制、污染物降解機(jī)制及針對特定廢水處理的細(xì)菌和微藻的富集培養(yǎng)等方面仍有待進(jìn)一步研究，具體包括：

1）菌藻生物膜快速形成及穩(wěn)定高效是完成污水處理的前提和基礎(chǔ)，在生物膜形成過程中，細(xì)菌及藻類間信號傳遞，特別是群體感應(yīng)是影響生物膜形成時(shí)效及微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素，而有關(guān)如何調(diào)控菌藻間群感效應(yīng)的研究鮮有報(bào)道;另一方面，由于水力剪切力、遮光效應(yīng)、傳質(zhì)阻力等所導(dǎo)致的菌藻生物膜非自然脫落，藻細(xì)胞生長受限等問題仍未解決。因此，可通過反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化等增強(qiáng)藻體光捕捉能力，降低或延緩生物膜脫落頻次;同時(shí)，將宏觀調(diào)控與微觀的細(xì)菌及微藻間信號分子相結(jié)合，進(jìn)一步研究菌藻共生生物膜快速形成及穩(wěn)定控制機(jī)制。

2）當(dāng)前有關(guān)菌藻生物膜對毒性物質(zhì)的耐受機(jī)制的理解尚停留在宏觀層面，需合理利用基因組學(xué)、代謝組學(xué)等研究手段，從微觀角度剖析菌藻生物膜在極端環(huán)境下的耐受機(jī)制和去除機(jī)理。

3）目前，有關(guān)菌藻共生生物膜處理普通生活污水的研究報(bào)道較多，并有一定的工程應(yīng)用，而菌藻生物膜在特種廢水中毒害物質(zhì)的去除方面也展現(xiàn)出巨大潛力，但多處于實(shí)驗(yàn)室研究狀態(tài)。因此，可通過菌種篩選及馴化、微生物富集培養(yǎng)等方式，針對性地投加細(xì)菌及藻類來提高菌藻生物膜在特種廢水處理方面的適應(yīng)能力，并根據(jù)微生物及廢水特征，合理開發(fā)相適應(yīng)的反應(yīng)器構(gòu)型，從而進(jìn)一步推廣菌藻共生生物膜在特種廢水中的工程應(yīng)用。此外，針對工業(yè)廢水濁度所造成的藻類太陽能利用率低等問題，可通過結(jié)合物化等前處理手段降低進(jìn)水濁度、色度等，以期減緩水體遮光效應(yīng)。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 王秀玲）