微藻污水处理研究进展

当前，日益增多的污水排放导致了严重的环境问题。与传统污水处理方法相比，微藻污水处理是一种具有独特优势的方法。微藻生长繁殖快，光合效率高，可以有效去除污水中的氮、磷、金属离子及有毒物质等污染物。分析了微藻污水处理几个关键环节的研究和发展，包括藻种的选择、微藻污水处理的体系、微藻对各种类型污水处理的可行性及微藻回收等。指出微藻污水处理的优点以及现阶段存在的问题，并对微藻污水处理的发展前景进行了展望。

本文分析了微藻污水处理的关键环节和研究进展，包括微藻的选择、微藻污水处理系统、微藻处理各类污水的能力、微藻的回收等，并总结了微藻废水处理技术的优缺点，以及微藻废水处理的应用前景。

主要内容

1 藻种的选择

与传统陆生作物相比，微藻具有光合效率高、生长周期短、对氨氮和金属离子耐受性强等优点，可用于各类废水的处理。微藻种类繁多，不同藻类的污水处理能力差异很大。例如，Shanab等人结果发现，与四氢叶酸相比，安必古菌对Hg2+、Pb2+、Cd2+的耐受性较差;Mata等人在最佳培养条件下，采用微藻绿斜纹藻处理无菌合成啤酒废水。结果表明，最大去除率分别为57.5%和20.8%。治疗效果不理想，需与其他方法结合。因此，有必要根据不同种类微藻的特性对废水进行处理(表1)。污水处理用微藻的选择方法如下：

1)从未经处理的污水中筛选藻类。从原污水中筛选出的微藻对污水具有很强的耐受性，通常对未经驯化的污水具有良好的处理效果。通过程海翔从养猪场废水中适当稀释和灭菌的猪的沼液中NH3-N，TP和COD的去除率分别为98.2%，80.4%和37.1%。温等人。使用从猪场沼气中分离的小球藻(MBFJNU-1)处理未稀释的养猪场沼气12天，发现藻类可以从沼气泥浆中去除90.51%的TN。 TP的91.54%。

2)使用藻类物种，如小球藻和栅藻，具有高耐受性和良好的污染物去除率。

3)诱变。韩松芳等。离子诱变的斜角小球藻和吡咯小球藻。结果表明，诱变后的斜纹粉虱和吡咯小球藻对城市污水经沉淀过滤预处理后有较好的处理效果。城市污水中COD、NH3-N、TN和TP的去除率分别为86.4%和81.8%、100%和100%。94.3%和94.9%，93.4%和94.2%。

2 微藻污水处理体系

2.1单一藻株进行污水处理

为了探索微藻废水处理的可行性，许多研究人员使用单一藻类处理污水并取得了令人满意的结果。蒋红英等小球藻处理6种不同浓度的模拟废水，发现模拟污水中NH3-N的去除率可达80%，最高去除率接近100%。利用轻度小球藻处理猪粪沼液，加盟光发现沼液中COD，NH3-N和TP的去除率分别为77.61%，94.76%和80.03%。他等人。用小球藻处理灭菌和不同浓度的城市污水14天，发现小球藻可以完全去除ρ(NH3-N)<148 mg / L污水中的NH3-N。也可以从污水中完全除去P.使用单一藻类进行污水处理，虽然可以有效去除污水中的N，P等养分，但COD等污染物的去除效果并不理想，甚至COD也不会回落。此外，微藻在自然条件下难以维持纯培养状态，并且需要花费大量时间和精力来净化和保存微藻。此外，使用单一藻类菌株进行污水处理需要对污水进行消毒或灭菌。该系统稳定性差，微藻易被外来物种污染杀死，对培养设备要求高，不利于实际应用。

2.2污水处理用聚藻系统

与使用单一藻类植物进行污水处理相比，多藻类系统可以用来去除污水污染物，虽然它与藻类的外部环境有较强的抗性，但它与藻类之间的微生物生长有密切的关系，并能从藻类中进一步筛选污水，例如，多藻类系统可以通过过滤藻类和其他藻类的废水。

2.3菌藻共生污水处理

菌藻共生体通常由微藻和细菌间的自絮凝作用形成。这个体系结合了微藻和共生菌两者的优点，可有效去除污水中的N、P和COD等污染物。Beltrán-Rocha等选用的城市污水中的土著型菌藻共生体可以去除二级城市污水中64%～79%的TN和80%～94%的等使用2种栅藻在高效藻类塘(HRAP)中对浓度为60%的造纸厂废水进行处理，发现该体系对和的去除率分别可达到75%、65%和71.29%。细菌的种类和污染物的浓度对菌藻共生体的构建有较大影响。王亚洁在用微拟球藻处理城市生活污水时发现变形菌门和厚壁菌门是优势菌。He等的研究表明，当污水中可溶性有机碳浓度>231 mg/L时，细菌会抑制小球藻的生长等。此外，初始菌藻接种比对污水处理效果也有较大影响。苏肖铃发现，在短带鞘藻和活性污泥构建的共生体系中，菌藻初始接种比为1∶1时对污水中NH3-N和P的去除效果最好。Su等用从污水处理厂二次滤膜上筛选的微藻和活性污泥进行污水处理，发现当菌藻比为1∶5时污水中N和P去除率最高，当菌藻比为5∶1时沉降性最好。菌藻共生体是一种较为有应用前景的污水处理手段，相较于单藻和多藻处理体系，使用菌藻共生体处理污水对外界环境的耐受性更强，生物质沉降性好，处理成本更低。但是目前对菌藻共生体的污水处理机制、群落结构以及细菌在共生体中所发挥的作用并不明确，有待进一步研究。

3微藻处理不同类型的污水

3.1城市污水

城市污水包括城市生活污水、工业污水和城市径流污水。它的成分很复杂。它不仅在生活污水中含有大量的氮、磷等营养物质，而且在工业污水中还含有少量的有毒有害物质。目前，许多研究试图用微藻处理城市污水。Tu Renjie等人用小球藻处理跑道水池中的城市污水。结果表明，小球藻能有效去除城市污水中的污染物，出水水质稳定，达到国家排放标准。刘斌的实验表明，在实验室条件下培养的优势微藻(主要是蓝藻)可以从模拟城市污水处理厂和实际城市污水处理厂的二级出水中去除约60%的TN和90%以上的TP。沈等用恶臭假单胞菌固定化微藻小球藻，去除城市污水中97%的COD和100%的N H3-N和TP。与其他类型的污水相比，城市污水毒性小，COD等污染物含量低，易于微藻处理。

3.2沼 液

沼液是秸秆、畜禽粪便等有机质经发酵后形成的褐色明亮液体，其中以畜禽粪便发酵形成的沼液居多。近年来，随着我国对畜禽产品的需求量不断增长，沼液排放量不断增多。虽然厌氧发酵可以去除养殖废水中大部分有机物，但是出水沼液中COD及氮、磷等营养物质含量仍然较高。为有效解决沼液污染问题，许多研究者尝试用微藻进行沼液处理。王忠江等使用小球藻FACHB-5和FACHB-8对未灭菌的秸秆发酵沼液与BG-11培养基混合成的污水进行处理，发现当秸秆发酵沼液含量分别为20%、30%、40%时，2种小球藻均可去除污水中90%以上的COD、96%以上的TN和92%以上的TP。李岩等的研究证明，经过7 d的培养，小球藻可去除未经稀释的猪场沼液中85%的NH3-N和55%的COD。Wang等将Scenedesmus obliquus与真菌共同培养，发现该体系对COD、TN和TP的去除率分别为85.82%, 83.31%和84.26%。虽然微藻可以有效去除污水中的N、P等营养物质，但是由于沼液的可生化性差导致单纯使用微藻对沼液COD的去除较差，因此需要与其他方法联用才能达到较好的治理效果。

3.3工业废水

工业废水是指工业生产过程中产生的废水或废液，具有多种多样和复杂的成分。例如，啤酒厂废水，酱油废水和乳制品废水含有更多的营养物质，如N和P.电镀厂，金属冶炼厂和其他废水含有更多的金属离子，制药废水和印染废水含有更多的有毒物质等。随着工业的快速发展，工业废水排放的种类和数量不断增加，严重污染环境，威胁人类健康和安全。因此，工业废水的处理尤为重要。

3.3.1食品工业废水

在啤酒厂废水、乳制品废水等食品工业废水中，有毒有害物质较少，有机物和悬浮物含量较高，易腐败，富含N、P等营养物质，极易引起水体富营养化。微藻可以吸收污水中N、P等营养物质，并通过光合作用将其合成氨基酸、蛋白质、ATP及核酸等可用于自身生长代谢的化合物，从而实现对N、P的去除。目前，许多研究已经证明微藻对食品工业废水有较好的去除效果。Arora等将经过滤、抽滤预处理的乳制品废水用于Chlamydomonas debaryana IITRIND3的培养，发现该微藻可去除乳制品废水中87.56%的COD、82.17%的N和78.57%的P。Subramaniyam等的研究证明，Chlorella sp. MM3可以将经过沉淀、过滤预处理的啤酒厂废水中的N、P及有机物完全用于自身生长。Maza-Márquez等使用的菌藻共生体可去除橄榄油厂废水中85.86%的COD、94.84%的酚类物质和99.12%的BOD等。但是某些食品工业废水因色度、有机负荷较高而对微藻生长产生抑制，因此在用微藻处理这类污水时通常需要将其稀释或与其他方法联用。

3.3.2含有金属离子的工业废水

电镀、冶金废水中含有大量的金属离子，对环境造成了极大的威胁。许多研究人员试图用微藻去除废水中的金属离子。Sarwa等人结果表明，scenedsumus sp.mcc 26对模拟橡胶厂废水中锌离子的吸附效果最好，锌离子的吸附量可达142.85mg/g，韩冉等的研究结果表明，微藻FZUL-321对污水中的Pb2+有较好的去除效果。在pH5、p(Pb2+)100 mg/L和去除时间40分钟的条件下，Pb2+的去除量为423.2*10-3 mg/g，进一步证明了用傅立叶变换红外光谱法测定微藻表面的氨基和羧基带负电荷。在处理初期，微藻参与了Pb2+的沉淀和吸附。X射线衍射表明，微藻通过一系列的生物化学作用，可以将离子型Pb2+矿化成Pb5(PO4)3OH。Gao等人采用小球藻形成的膜光合生物反应器处理城市污水。结果表明，该系统能去除64.7%的Cu2+、80.1%的Zn2+、93.2%的Al3+，并能完全去除Fe3+和Mn2+。微藻对污水中的金属离子具有良好的去除效果。其去除机理主要包括：1)微藻细胞壁主要由负电荷多糖和碳水化合物组成，能吸收微藻细胞表面大部分正电荷金属离子。2)生物浓缩。微藻可以在液泡中吸收或储存金属离子，但这一过程只能在活的微藻细胞中进行。3)体内微藻在细胞外积累或沉淀重金属。微藻不仅能有效去除污水中的金属离子，而且能回收金属离子。但是，如果污水中金属离子含量过高，会抑制微藻的生长，不同种类的微藻对金属离子的耐受性也不同。

3.3.3含有毒物质的工业废水

某些工业废水中含有大量有毒物质，例如，制药废水中含有大量非固醇类抗炎药、布洛芬、氯芬酸、抗生素等药物活性物质，染料废水中含有大量合成染料等。许多研究表明，虽然污水中较高浓度的有毒物质会对微藻生长产生抑制，但是较低浓度的有毒物质可以通过微藻有效去除。卡马西平是微藻生物修复制药废水时研究较多的一种药物。Xiong等使用Chlamydomonas mexicana和Scenedesmus obliquus 2种藻对含卡马西平的废水进行生物修复，发现C. mexicana和S. obliquus 2种藻对卡马西平的最大生物降解率分别为35%和28%。除卡马西平外，印染废水中的染料也是污水中对环境污染较大的一类有毒物质。相关研究表明，Chlorella sp.和Oscillatoria sp.可以降解30多种偶氮染料;Caulerpa lentillifera可以通过生物吸收去除Astrazon? Blue FGRL (AB)、Astrazon? Red GTLN (AR)和methylene blue (MB)3种基本染料;Spirulina platensis可以去除模拟纺织工业废水中94.4%～99.0%的活性红120染料等。目前，已知的微藻对污水中有毒物质去除机理主要有以下2点：1)微藻的比表面积大，吸附容量高，可以有效吸附污水中的染料等毒性物质。2)微藻细胞可以将污水中染料等有毒物质进行生物转化或者降解。但是当前，微藻对污水中有毒物质去除的机制仍待进一步研究。

4 微藻的回收

微藻能有效地处理多种废水，同时回收生物量。如果微藻不经回收直接排入水体，可能对环境造成严重污染。因此，污水处理后必须回收微藻。微藻体积小，难以采集。目前，悬浮藻类的主要收集方法有化学絮凝、自絮凝和生物絮凝、重力沉淀、离心、电絮凝、过滤和浮选，但这些方法的回收成本仍然很高。为了降低微藻的回收成本，利用微藻膜、固定化技术和共生菌藻处理污水是一种较为有效的方法。微藻膜和固定化微藻在有效处理污水的同时对微藻进行富集。在细菌与藻类的共生中，共生细菌的存在可以促进微藻的絮凝，从而降低回收成本。相关研究表明，共生细菌能增加絮凝剂的体积，使小球藻沉淀下来。在氮缺乏的条件下，共生细菌是微藻造粒的关键因素。此外，苏等的实验结果还表明，20分钟内，用于城市污水处理的细菌-藻类共生沉淀率可达99%以上。

重要结论

微藻对城市污水，水产养殖废水，工业废水等各类污水具有良好的处理效果，是一种很有前景的污水处理方法。

微藻废水处理具有以下优点：1)微藻处理各种污水，无论是城市生活污水，水产养殖废水还是工业污水都可以用微藻处理。 2)当污染物浓度在微藻的耐受范围内时，可以有效去除污水中的N，P，金属离子和有毒物质等污染物。

但是，目前微藻在污水处理中的应用还存在一些问题：1)微藻对COD的去除效果较差，即使在多菌藻共生体系中，对COD的处理效果也不理想。2)污水培养后微藻回收成本高，严重制约了该技术的应用。3)对一些新型微藻废水处理技术的研究不够深入。例如，细菌藻类共生的群落结构、污染物去除机理以及微藻固定化的条件尚不明确。