微藻凈化污水研究進(jìn)展

郭丹，王丁

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，污水排放量也在不斷的增加，將污水進(jìn)行合理處理是現(xiàn)在的難點(diǎn)和重點(diǎn)。而工業(yè)污水無(wú)法利用傳統(tǒng)的處理辦法進(jìn)行處理，缺少相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備條件。工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水屬于工業(yè)污水，若將其不達(dá)標(biāo)排放將會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，甚至直接威脅人類的生命安全[1]。

自20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)污染已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境污染的主要源頭，占總污染的70%。近年來，我國(guó)頒發(fā)了許多環(huán)境保護(hù)法控制環(huán)境的惡化，在一定程度上取得了進(jìn)步，但是我國(guó)仍處于工業(yè)發(fā)展階段，工廠排放污染物的總量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境壓力仍日趨嚴(yán)重[2]。尤其是石化行業(yè)，采出廢水中的成分復(fù)雜，且采出廢水量大。采用物理或者化學(xué)的處理辦法對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行處理不經(jīng)濟(jì)，有學(xué)者利用生物法對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)生物法在工業(yè)污水防治方面具有較大的潛力。本文將主要闡述微藻對(duì)污水的處理機(jī)理，論述利用微藻對(duì)工業(yè)廢水的處理研究進(jìn)展。

1 微藻處理污水

1.1 工業(yè)污水的處理現(xiàn)狀

隨著世界人口數(shù)量的飛速增長(zhǎng)，工業(yè)化程度的增加導(dǎo)致水資源在全球范圍內(nèi)越來越匱乏。早在20世紀(jì)70年代美國(guó)花費(fèi)近千億元建立18 000多個(gè)廢水處理廠，隨后其他歐美國(guó)家斥巨資相繼建立7 000多個(gè)污水處理廠。由于我國(guó)的工業(yè)化水平相對(duì)歐美國(guó)家較低，其對(duì)于污水處理的意識(shí)相對(duì)單薄，對(duì)于污水處理的研究比歐美國(guó)家晚了將近20年[3]。近些年我國(guó)工業(yè)污水排放量已經(jīng)超過了一些歐美國(guó)家的污水排放量。近幾年我國(guó)工業(yè)污水的排放情況如圖1所示。

圖1 2015—2019年我國(guó)工業(yè)污水的排放情況

目前，常采用污水處理的方法可分為物理法、化學(xué)法和生物法。相比于物理法和化學(xué)法，利用生物法處理工業(yè)污水有處理效率高、成本低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此成為近幾年研究的熱點(diǎn)。

1.2 微藻處理污水的優(yōu)勢(shì)

微藻是單細(xì)胞生物，早在遠(yuǎn)古時(shí)期已經(jīng)有它的存在，微藻屬于自養(yǎng)型生物，它可以利用光合作用產(chǎn)生O2，降解水中的氮磷，還可以利用細(xì)胞表面物質(zhì)吸收重金屬離子，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[4-5]。

微藻在對(duì)水質(zhì)凈化的過程中，還可以產(chǎn)生生物量，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。目前已經(jīng)探索到的藻類有10多種，加上其衍生物可達(dá)到上百種[6]。微藻憑借其快速的生長(zhǎng)繁殖速度以及能夠異氧生存的優(yōu)勢(shì)成為污水處理的首選微生物。

微藻的生長(zhǎng)離不開C、N、P等元素，Stumm和Morgan于1981年提出微藻分子式，式（1）是微藻分子式的形成關(guān)系式[6]。

其中，C106H263O110N16P是微藻分子式，因此微藻可以通過吸收污水中 C、P、N等元素為自身的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。微藻對(duì)于碳元素的吸收主要是CO2和HCO3-，對(duì)于 HCO3-的吸收主要是通過微藻細(xì)胞直接或者間接地將 HCO3-轉(zhuǎn)化為 CO2[7]，在葉綠體的作用下成為O2。污水中的P元素分為無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷，一般情況下，微藻會(huì)優(yōu)先吸收 H2PO4-和HPO4-，利用呼吸作用和線粒體傳遞系統(tǒng)或者光合作用產(chǎn)生的光能合成有機(jī)物，PO43-易與污水中其他離子形成不溶性沉淀導(dǎo)致磷元素?zé)o法被吸收，磷元素的缺失使得微藻細(xì)胞不能正常成長(zhǎng)。由微藻細(xì)胞的分子式可知，N元素是微藻細(xì)胞生長(zhǎng)不可少的元素，主要存在形式 NH4+、NO3-、尿素等，由于NH4+需要的能量少最先被微藻細(xì)胞同化吸收。氨氮的不足會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)多糖和不飽和脂肪酸等有機(jī)物的積累，影響藻細(xì)胞生長(zhǎng)；而過多的氨氮含量會(huì)對(duì)微藻產(chǎn)生毒害作用。

微藻還可以吸附污水中的金屬，微藻通過物理吸附、化學(xué)吸附，可將金屬元素吸附在本身的細(xì)胞壁上或者存在于細(xì)胞裂隙中[8]，通過化學(xué)吸收，金屬離子以蛋白作為載體進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，儲(chǔ)存在細(xì)胞質(zhì)或者細(xì)胞器中[9]。微藻細(xì)胞對(duì)污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化如圖2所示。

圖2 微藻細(xì)胞對(duì)污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

2 藻類處理污水的新技術(shù)

2.1 固化小球藻對(duì)污水的研究

由于在光自養(yǎng)生長(zhǎng)條件下的生物量濃度通常較低，收獲和處理剩余的藻類細(xì)胞的成本較高。而大多數(shù)微藻細(xì)胞體積小，水分含量高，進(jìn)一步加劇了處理成本。因此，微藻固定化解決了微藻在處理過程中的兩個(gè)問題：廢水成分的代謝轉(zhuǎn)化和低成本收獲生物量。

固定化技術(shù)最早是在1959年HATTORI等利用大腸桿菌進(jìn)行固定化處理。從此以后，固定化技術(shù)迅速發(fā)展，并且形成了相對(duì)完善的理論和方法。一般來說微生物的固定化技術(shù)主要利用物理的或者化學(xué)的方法，將微生物固定在一定的區(qū)域范圍使其保持生物活性，從而具有更高的適應(yīng)性。

當(dāng)前生物固定化技術(shù)常采用的方法是包埋法和侵入吸附法。侵入吸附法主要取決于藻類的特征，必須找到適合固定的藻類，一般來說纖絲狀藻類是最適合進(jìn)行固定化的微生物，纖絲藻類的表面適合固定基質(zhì)，與基質(zhì)緊密連接，不脫落。由于吸附法本身的缺點(diǎn)，一般不太使用吸附法進(jìn)行生物固定，被固定的藻類還容易脫落[10]。包埋法[11]利用高分子載體將游離的小球藻載留在高分子網(wǎng)格中，網(wǎng)格之間的間隙比較小會(huì)防止細(xì)胞外流，但同時(shí)網(wǎng)格可以保證營(yíng)養(yǎng)液的正常流入，為細(xì)胞提供代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。利用固定法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行固定操作相對(duì)簡(jiǎn)單，大多數(shù)的微生物都可利用固定化方法進(jìn)行固定，因此固定法是現(xiàn)在固定化技術(shù)中最常用到的方法。工業(yè)上尤其是在石油工業(yè)上，隨著人們對(duì)石油的需求不斷的增加，石油開采已經(jīng)到達(dá)了后期，為了提高產(chǎn)量注水開采成為了一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是注水開采隨之而來的是大量的采出廢水，如何處理采出廢水成為了石油工業(yè)上的一大難題[12]。有學(xué)者利用固定化小球藻對(duì)廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明固定化小球藻對(duì)污水的處理能力明顯大于懸浮藻類。

固定化技術(shù)的處理效果雖好，但是其費(fèi)用高，尤其在固定化材料的選擇上，藻菌固定化的材料要求較高，好的材料成本自然也高。因此需要開發(fā)出適合進(jìn)行大量處理污水所需的固定化材料，提高固定化處理污水的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 活性污泥對(duì)污水的處理研究

活性污泥常用于處理工業(yè)廢水和生活污水，目前最常見的活性污泥處理方法有氧化溝法、間歇式活性污泥法和A2/O法等[13]。活性污泥處理廢水的原理是通過降解污水中的有機(jī)物質(zhì)使其成為 CO2和H2O，并且吸附懸浮的顆粒。

傳統(tǒng)活性污泥對(duì)于污水處理存在一些問題，例如活性污泥的需氧量、pH以及耐受性等問題都會(huì)影響活性污泥的處理能力，對(duì)于此類問題譚淞文[14]等培養(yǎng)新型活性污泥對(duì)污水進(jìn)行處理，他們?yōu)榱颂岣呋钚晕勰嗟哪望}性，將活性污泥放進(jìn)海水中進(jìn)行培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于鹽度小于 6%的廢水來說，經(jīng)過12 h的處理后COD降解率達(dá)到70%以上，氨氮的降解率也達(dá)到30%以上。冬季利用生物法對(duì)污水進(jìn)行處理的效率比較低，需要培養(yǎng)耐低溫的活性污泥來處理污水，SCULLYC[15]等通過研究低溫厭氧顆粒污泥處理苯酚廢水，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降至9.5 ℃，苯酚的去除率有所降低，其中比苯酚降解率與比甲烷產(chǎn)率分別為 68 mg·g-1·d-1和 12～20 mL·g-1·d-1，耐低溫活性污泥具有處理低溫有毒的苯酚廢水的能力[16]。

好氧菌（活性污泥）在處理廢水的過程中需要大量的氧氣，其中曝氣可占污水廠耗電的50%~70%，進(jìn)而增加了整個(gè)污水處理過程的能耗，因此單靠好氧菌來處理污水其經(jīng)濟(jì)性能較差。

2.3 藻菌共培養(yǎng)基對(duì)污水的處理研究

有學(xué)者研究表明，藻菌共培養(yǎng)系統(tǒng)可以提高生物對(duì)污水的處理效率，由于藻類是自養(yǎng)生物可以利用光合作用產(chǎn)生氧氣，來消耗污水中的N、P等物質(zhì)[17]。藻類一方面產(chǎn)生氧氣可以提供給菌類生物，這樣減少了菌類在反應(yīng)過程中所需要的能量；另一方面，微藻產(chǎn)生藻毒素抑制菌[18]的生長(zhǎng)。而菌也會(huì)產(chǎn)生細(xì)菌毒素抑制微藻的生長(zhǎng)，從而防止因?yàn)檠鯕膺^量而造成水體富營(yíng)養(yǎng)化形成的水華現(xiàn)象。對(duì)于藻菌共生的生物處理系統(tǒng)來說，微藻在污水處理的過程中扮演著兩個(gè)角色[19]：微藻可直接吸收或者轉(zhuǎn)化污水中的污染物；在藻菌共生系統(tǒng)中，藻類會(huì)通過光合作用提供足夠的氧氣供給菌類，大大減少了單菌凈化系統(tǒng)中氧氣的供應(yīng)，降低了成本，而菌可以吸收微藻產(chǎn)生的多余的氧氣，促進(jìn)微藻的生長(zhǎng)，藻菌共生系統(tǒng)提高了污水的凈化性能，達(dá)到了1+1大于2的效果。

陳志華[20]利用藻菌共培養(yǎng)基處理生活污水，經(jīng)過6 d的培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，污水中TP、TN、COD出水處理效率分別為77.11%、87.82%、76.9%。魏斌[21]等利用固定化藻菌進(jìn)行污水去污研究發(fā)現(xiàn)，藻菌固定化系統(tǒng)在最佳的處理?xiàng)l件DO濃度為5 mg·L-1、光照為2 000 lx時(shí)污水中的COD濃度從150 mg·L-1降到 15 mg·L-1，氨氮從 20~30 mg·L-1降到 0.5 mg·L-1，總磷從 2~3 mg·L-1降到 0.5 mg·L-1。

藻菌共生生物系統(tǒng)在處理廢水的過程中具有巨大的潛力，共生系統(tǒng)中兩類微生物依靠?jī)烧咧g的相互轉(zhuǎn)換，提高了污水的處理效率[22]。

3 總結(jié)與展望

利用微藻處理污水為污水處理提供了一條環(huán)境友好型道路，對(duì)于養(yǎng)殖污水、工業(yè)污水和市政污水的處理表現(xiàn)出很好的處理效果。生物處理污水有著易操作、成本低、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，成為污水處理的熱點(diǎn)，但由于污水的成分復(fù)雜往往一種生物是不能滿足污水處理的要求，并且在生物的培養(yǎng)過程中的條件比較難控制，生物容易受到溫度、pH、光照條件等的影響。未來在污水資源化的處理下要注重如何培養(yǎng)耐受性較好的生物，提高生物的耐受性，并且從提高藻類光的利用率以及進(jìn)行生物的綜合利用等方面入手提高微生物的處理能力。