微藻凈化污水研究進展

郭丹，王丁

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

隨著世界經濟的飛速發展，污水排放量也在不斷的增加，將污水進行合理處理是現在的難點和重點。而工業污水無法利用傳統的處理辦法進行處理，缺少相應的技術和設備條件。工業生產過程中產生的廢水屬于工業污水，若將其不達標排放將會對生態系統產生危害，甚至直接威脅人類的生命安全[1]。

自20世紀80年代以來，工業污染已經成為我國環境污染的主要源頭，占總污染的70%。近年來，我國頒發了許多環境保護法控制環境的惡化，在一定程度上取得了進步，但是我國仍處于工業發展階段，工廠排放污染物的總量呈增長趨勢，生態環境壓力仍日趨嚴重[2]。尤其是石化行業，采出廢水中的成分復雜，且采出廢水量大。采用物理或者化學的處理辦法對工業廢水進行處理不經濟，有學者利用生物法對工業廢水進行處理，研究發現生物法在工業污水防治方面具有較大的潛力。本文將主要闡述微藻對污水的處理機理，論述利用微藻對工業廢水的處理研究進展。

1 微藻處理污水

1.1 工業污水的處理現狀

隨著世界人口數量的飛速增長，工業化程度的增加導致水資源在全球范圍內越來越匱乏。早在20世紀70年代美國花費近千億元建立18 000多個廢水處理廠，隨后其他歐美國家斥巨資相繼建立7 000多個污水處理廠。由于我國的工業化水平相對歐美國家較低，其對于污水處理的意識相對單薄，對于污水處理的研究比歐美國家晚了將近20年[3]。近些年我國工業污水排放量已經超過了一些歐美國家的污水排放量。近幾年我國工業污水的排放情況如圖1所示。

圖1 2015—2019年我國工業污水的排放情況

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

1.2 微藻處理污水的優勢

微藻是單細胞生物，早在遠古時期已經有它的存在，微藻屬于自養型生物，它可以利用光合作用產生O2，降解水中的氮磷，還可以利用細胞表面物質吸收重金屬離子，從而達到凈化水質的目的[4-5]。

微藻在對水質凈化的過程中，還可以產生生物量，實現資源的最大化利用。目前已經探索到的藻類有10多種，加上其衍生物可達到上百種[6]。微藻憑借其快速的生長繁殖速度以及能夠異氧生存的優勢成為污水處理的首選微生物。

微藻的生長離不開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提供養分。微藻對于碳元素的吸收主要是CO2和HCO3-，對于 HCO3-的吸收主要是通過微藻細胞直接或者間接地將 HCO3-轉化為 CO2[7]，在葉綠體的作用下成為O2。污水中的P元素分為無機磷和有機磷，一般情況下，微藻會優先吸收 H2PO4-和HPO4-，利用呼吸作用和線粒體傳遞系統或者光合作用產生的光能合成有機物，PO43-易與污水中其他離子形成不溶性沉淀導致磷元素無法被吸收，磷元素的缺失使得微藻細胞不能正常成長。由微藻細胞的分子式可知，N元素是微藻細胞生長不可少的元素，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胞同化吸收。氨氮的不足會引起細胞內多糖和不飽和脂肪酸等有機物的積累，影響藻細胞生長；而過多的氨氮含量會對微藻產生毒害作用。

微藻還可以吸附污水中的金屬，微藻通過物理吸附、化學吸附，可將金屬元素吸附在本身的細胞壁上或者存在于細胞裂隙中[8]，通過化學吸收，金屬離子以蛋白作為載體進入細胞內，儲存在細胞質或者細胞器中[9]。微藻細胞對污染物質的轉化如圖2所示。

圖2 微藻細胞對污染物質的轉化

2 藻類處理污水的新技術

2.1 固化小球藻對污水的研究

由于在光自養生長條件下的生物量濃度通常較低，收獲和處理剩余的藻類細胞的成本較高。而大多數微藻細胞體積小，水分含量高，進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問題：廢水成分的代謝轉化和低成本收獲生物量。

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

當前生物固定化技術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行固定化的微生物，纖絲藻類的表面適合固定基質，與基質緊密連接，不脫落。由于吸附法本身的缺點，一般不太使用吸附法進行生物固定，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格中，網格之間的間隙比較小會防止細胞外流，但同時網格可以保證營養液的正常流入，為細胞提供代謝的營養物質。利用固定法對細胞進行固定操作相對簡單，大多數的微生物都可利用固定化方法進行固定，因此固定法是現在固定化技術中最常用到的方法。工業上尤其是在石油工業上，隨著人們對石油的需求不斷的增加，石油開采已經到達了后期，為了提高產量注水開采成為了一個不錯的選擇，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上的一大難題[12]。有學者利用固定化小球藻對廢水進行處理，結果表明固定化小球藻對污水的處理能力明顯大于懸浮藻類。

固定化技術的處理效果雖好，但是其費用高，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。因此需要開發出適合進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濟效益。

2.2 活性污泥對污水的處理研究

活性污泥常用于處理工業廢水和生活污水，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]?；钚晕勰嗵幚韽U水的原理是通過降解污水中的有機物質使其成為 CO2和H2O，并且吸附懸浮的顆粒。

傳統活性污泥對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影響活性污泥的處理能力，對于此類問題譚淞文[14]等培養新型活性污泥對污水進行處理，他們為了提高活性污泥的耐鹽性，將活性污泥放進海水中進行培養，實驗結果表明對于鹽度小于 6%的廢水來說，經過12 h的處理后COD降解率達到70%以上，氨氮的降解率也達到30%以上。冬季利用生物法對污水進行處理的效率比較低，需要培養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，發現當溫度降至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%，進而增加了整個污水處理過程的能耗，因此單靠好氧菌來處理污水其經濟性能較差。

2.3 藻菌共培養基對污水的處理研究

有學者研究表明，藻菌共培養系統可以提高生物對污水的處理效率，由于藻類是自養生物可以利用光合作用產生氧氣，來消耗污水中的N、P等物質[17]。藻類一方面產生氧氣可以提供給菌類生物，這樣減少了菌類在反應過程中所需要的能量；另一方面，微藻產生藻毒素抑制菌[18]的生長。而菌也會產生細菌毒素抑制微藻的生長，從而防止因為氧氣過量而造成水體富營養化形成的水華現象。對于藻菌共生的生物處理系統來說，微藻在污水處理的過程中扮演著兩個角色[19]：微藻可直接吸收或者轉化污水中的污染物；在藻菌共生系統中，藻類會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中氧氣的供應，降低了成本，而菌可以吸收微藻產生的多余的氧氣，促進微藻的生長，藻菌共生系統提高了污水的凈化性能，達到了1+1大于2的效果。

陳志華[20]利用藻菌共培養基處理生活污水，經過6 d的培養后發現，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行污水去污研究發現，藻菌固定化系統在最佳的處理條件DO濃度為5 mg·L-1、光照為2 000 lx時污水中的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。

藻菌共生生物系統在處理廢水的過程中具有巨大的潛力，共生系統中兩類微生物依靠兩者之間的相互轉換，提高了污水的處理效率[22]。

3 總結與展望

利用微藻處理污水為污水處理提供了一條環境友好型道路，對于養殖污水、工業污水和市政污水的處理表現出很好的處理效果。生物處理污水有著易操作、成本低、不產生二次污染等特點，成為污水處理的熱點，但由于污水的成分復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行生物的綜合利用等方面入手提高微生物的處理能力。