微藻在废水处理中的应用研究

李攀荣，邹长伟，万金保，黄学平，2

（1.南昌大学资源环境与化工学院鄱阳湖环境与资源综合利用教育部重点实验室，江西南昌330047；2.南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西省水利土木特种加固技术与安全监控工程中心，江西南昌330099）

Li Panrong1，Zou Changwei1，Wan Jinbao1，Huang Xueping1，2（1.College of Resource，Environment and Chemical Engineering of Nanchang University，Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization，Ministry of Education，Nanchang 330047，China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Institute of Technology，Jiangxi Provincial Engineering Research Center of the Special Reinforcement and Safety Monitoring Technology in Hydraulic＆Civil Engineering，Nanchang 330099，China）

微藻在废水处理中的应用研究

李攀荣1，邹长伟1，万金保1，黄学平1，2

（1.南昌大学资源环境与化工学院鄱阳湖环境与资源综合利用教育部重点实验室，江西南昌330047；2.南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西省水利土木特种加固技术与安全监控工程中心，江西南昌330099）

微藻在废水处理方面有着极大的优势，在去除氮磷、降解有机物质、吸附和富集重金属的同时，还能提炼油脂和作为养殖业的饲料。文章主要介绍了微藻去除废水中氮磷，降解有机物以及吸附和富集重金属机理和近年来微藻废水处理技术的发展现状。

微藻；废水处理；脱氮；除磷

Li Panrong1，Zou Changwei1，Wan Jinbao1，Huang Xueping1，2
（1.College of Resource，Environment and Chemical Engineering of Nanchang University，Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization，Ministry of Education，Nanchang 330047，China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Institute of Technology，Jiangxi Provincial Engineering Research Center of the Special Reinforcement and Safety Monitoring Technology in Hydraulic＆Civil Engineering，Nanchang 330099，China）

随着社会工业化进程的发展，人类社会不断谋求生活中精神与物质生活品质的提升。但与此同时，生存环境也在不断恶化，大量工业废水、养殖废水以及生活污水未能得到有效处理便直接排入自然环境，且废水中富含氮、磷、重金属以及有机物等，如果得不到有效处理而直接排放将会对生态环境造成巨大威胁。目前传统处理废水的技术主要有自然处理法、物理化学处理法、生化处理法以及物化与生化相结合处理法〔1〕。但是这些传统的处理工艺往往处理效率偏低、工程造价昂贵、运行费用偏高，造成各种废水处理设施普及率偏低。早在上世纪40年代，日本、美国、以色列以及德国等就率先进行了微藻规模化培养的科学研究。近年来，微藻的异养技术，尤其是高细胞浓度培养技术的研究表明微藻既能光能自养，也能异养培养〔2〕。微藻处理废水方法与传统的物理化学方法相比具有很大的优势，不仅可以避免二次污染，而且还可以进行微藻的培养，获得微藻培养和废水处理的双重效果〔3〕。有文献研究表明微藻不仅对高浓度氮磷具有很好的去除效果〔4-5〕，还可以通过异养代谢作用来降低废水中的COD和BOD〔6〕等物质，并且对部分有毒物质如有机氯农药〔7-8〕以及重金属也具有超负荷吸收和富集作用〔9-12〕。下面将主要介绍微藻处理废水的机理以及微藻废水处理新技术研究现状，为后续研究提供参考意见。

1　微藻处理废水的机理

根据藻类的光合色素种类、个体形态、细胞结构、生殖方式以及生活史等特征可以将藻类分为蓝藻门、绿藻门、裸藻门、轮藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、甲藻门、红藻门及褐藻门等10个门类。其中常见的应用于废水中的微藻主要有绿藻门的栅藻（Scenedesmus）、小球藻（Chlorella）、盐藻（Dunaliellu）、葡萄藻（Botryococcus）、衣藻（Chlamydomonas）、根支藻（Rhizoclonium）和蓝藻门的螺旋藻（Spirulina）、颤藻（Oscillatoria）等，其中小球藻和栅藻被认定为去除氮、磷效果最佳，进行的研究较多〔13〕。

微藻去除废水中氮、磷的机理包括直接吸收转化作用和间接作用〔14〕。微藻细胞可以利用废水中的有机氮化合物和多种无机氮化合物作为氮源，二氧化碳和碳酸盐等物质作为碳源，进行光能自养生长。藻细胞可以吸收铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐等物质用于自身所需氨基酸和蛋白质等物质的合成；废水中的磷被藻细胞吸收经过多种磷酸化途径转化成ATP、磷脂等有机物质，同时通过藻细胞中叶绿素光合作用促使水体的pH上升，促进正磷酸盐沉淀和NH3挥发，从而间接去除氮磷。如张自杰〔15〕在《排水工程》中引用Stumm和Morgan提出微藻的化学分子式可近似为C106H263O110N16P，微藻进行光合作用时，以空气中的CO2为碳源，同时吸收污水中的氮磷等营养物质，通过微藻细胞中叶绿素的作用合成自身细胞物质并完成自身细胞增殖以及向空气中释放氧气。具体化学反应方程式如下：

研究表明藻类的细胞壁可以分为内外两层，其中细胞壁内层主要成分是纤维素，细胞壁外层为主要由纤维素、藻酸铵岩藻多糖、果胶质以及聚半乳糖硫酸酯等多层微纤丝构成的多孔类结构。细胞外壁富含有藻类细胞释放的以多肽、多糖类物质为主的胞外产物。这些高分子物质为藻类提供了大量可以与金属离子相结合的—NH2、—COOH、—OH、—CHO、—SH、—CO—、—PO3H2等官能团，细胞壁表面多为褶皱结构，故而比表面积较大，且这些官能团能够在藻类细胞壁上合理布局，与金属离子充分接触〔16〕。常见的微藻吸附重金属机理主要有络合机理和离子交换机理。阳离子可与分子或带有自由电子对的阴离子（碱基对）起螯合或络合反应。络合物则是由废水中的金属阳离子与细胞里的蛋白质、脂类和多糖中带负电荷的官能团络合而形成的，如—NH2、—CONH2、—COOH、R—SH、硫醚、咪唑、硫酸盐和磷酸盐等。离子交换作用主要是废水中的金属阳离子置换出藻类细胞壁上的质子，而另一些金属离子则靠离子间静电引力作用或者靠配位键吸附在细胞壁的表面上。有研究表明离子交换机理是最能反应藻类细胞生物吸附重金属离子的实际过程，多糖中的藻酸盐与硫酸盐也被发现具有较为显著的离子交换能力〔17〕。藻类吸附Cr（Ⅵ）的机理如图1所示〔18〕。

图1　藻类吸附Cr（Ⅵ）的机理

常见微藻吸附重金属的官能团如表1所示。

表1　常见微藻吸附重金属的官能团

2　常见微藻废水处理体系

自从微藻被应用于废水处理领域以来，国内外科学工作者不断拓展其在污废水处理领域的技术革新，微藻不再单单以悬浮态形式的高效生物塘处理废水，经过几十年的艰辛发展，微藻废水处理体系已经技术种类繁多，目前常见的应用微藻处理废水技术主要有微藻体系、藻菌共生体系、微藻固定化体系以及藻菌共固定化体系等，下面将分别进行介绍。

2.1微藻体系

微藻体系通常是悬浮态微藻通过在一定容器中与废水充分接触，从而去除废水中的污染物质。刘林林等〔31〕在实验室条件下研究15种微藻对养猪废水中氮、磷的去除效果，结果表明15株微藻均可有效去除猪场养殖污水中的氮磷，但不同类微藻对不同形态氮的去除效果有明显差异。各种微藻对污水中总磷的去除率均很高，可达91.0%以上。具体情况如表2所示。

表2　15种微藻对养猪废水中氮、磷的去除效果

程海翔〔13〕利用栅藻处理养猪废水的初试研究结果表明栅藻在经过适度灭菌后于养猪废水中存活并生长，培养12 d后，对NH4+-N、TP、COD、Cu、Zn的去除率分别达到98.2%、80.4%、37.1%、50.1%、30.1%。田丹等〔32〕通过设定吸附时间、藻细胞密度和金属离子浓度等参数条件，研究蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）对海水中Pb2+、Cd2+和Hg2+的吸附，结果表明当藻细胞密度为1×106mL-1时，其对海水中的Pb2+、Cd2+和Hg2+的最大吸附量分别为4.84、37.7 mg/L和5.61 μg/L，吸附能力顺序为Cd2+＞Pb2+＞Hg2+。

2.2藻菌共生体系

藻菌共生体系是利用藻类和细菌两者之间在功能上的协同作用来处理污水的一种全新生态系统。藻菌共生系统处理污水机理是：污水中的有机污染物，由好氧细菌进行氧化分解，产生NH4+、PO43-以及释放CO2等；而微藻则在光照的条件下，利用NH4+、PO43-和CO2等为营养物质，通过细胞内叶绿素进行光合作用，合成微藻自身细胞所需物质，并释放出O2供细菌继续氧化分解有机物。具体藻菌共生机理示意〔33〕如图2所示。

图2　藻菌共生机理

马莉等〔34〕以不同浓度的畜禽养殖废水为研究对象，研究藻菌体系对废水中的NH4+-N、TP和COD的去除效果。结果表明，当废水中NH4+-N、TP、COD分别小于44.4、6.4、500 mg/L时，藻菌微生物的生物量大、生长速度快，对废水处理效果好；当处理时间为6 d时，NH4+-N、TP和COD的去除率分别达到90%、84%和80%以上。

2.3微藻固定化体系

微藻固定化技术起源于细胞固定化技术，通过化学或物理手段将游离态的藻类细胞固定于限定的空间区域，使其成为一种既能保持藻类细胞自身的代谢活性，又可以在持续反应后进行回收和反复利用的生物体系〔35〕。藻类固定化目前常见有吸附、包埋、交联以及三者之间复合处理的方法。王爱丽等〔36〕将铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）进行固定化，分别对人工合成污水和实际污水进行处理。结果表明，固定化铜绿微囊藻对合成污水经过5 d的反应之后，对其中NH3-N和PO43--P去除率分别达到92.92%和69.19%。而实际污水经过6 d的反应之后，对其中NH3-N和PO43--P的去除率都达到了100%；孙红文等〔37〕通过实验研究了培养2 d后，固定在海藻酸钙（Calcium alginate，CA）中的斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）和悬浮态藻类对DBNM的脱色效率，在向其中通入CO2的条件下，前者的脱色效率要高得多。培养4 d后用聚氨基甲酸乙酯固定化的斜生栅藻对废水中TPT和PCP的去除率分别达到75.3%、56.5%，而未经固定化的斜生栅藻对废水中TPT和PCP的去除率分别为31.3%、32.2%；N.Akhtar等〔38〕研究提出固定化小球藻可以有效地去除废水中的Cr3+，并且其吸附效率高达98%。

2.4藻菌共固定化体系

藻菌共固定化技术是在藻类固定化技术基础之上发展而来的新技术，不同于单独的微藻固定化技术，是将微藻与菌类、活性污泥等共同固定于载体中的一种技术。严清等〔39〕将普通小球藻与活性污泥共同固定于海藻酸钠（Sodium alginate，SA）载体中，以广州市猎德污水处理厂沉沙池出水为实验用原水，发现该固定化菌藻系统对污水中NH4+-N和PO43--P的去除率分别达到97.09%和88.69%；王亚飞等〔40〕研究小球藻与活性污泥共固定化系统对含锌废水中Zn2+的去除效率，研究表明当废水中Zn2+初始质量浓度小于100 mg/L时，固定化藻菌系统对废水中Zn2+的去除率达到90.5%。固定化藻菌系统去除废水中Zn2+的最佳条件是pH=7，Zn2+初始质量浓度为80 mg/L，菌藻体积比为1∶2，固定化小球投加量为80mL。

3　结语

微藻应用于废水处理技术近年来得到了极大的发展，各种新技术层出不穷，为污废水处理提供了一条崭新的途径。特别是微藻在处理废水的同时，本身也可以作为养殖业的饲料，还可以提炼生物质油。但是微藻应用于废水处理的技术还不是十分成熟，应用实例也不多，而且微藻在处理废水之后很难将微藻与处理之后的废水分离，分离技术不够成熟，且占地面积大、停留时间短，希望未来将这一难题解决，为废水的处理和微藻的采收带来福音。

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Research of micro algae processing wastewater

Micro algae has a great advantage in the aspect of wastewater treatment.It can not only remove nitrogen and phosphorus，degrade organic substances，adsorb and enrich heavy metals，but also refine oil and be used as feed for livestock breeding.The mechanisms of removing nitrogen and phosphorus，degrading organic substances，adsorbing and enriching heavy metals，and the development current status of treatment techniques using micro algae in recent years are mainly introduced in this paper.

micro algae；wastewater treatment；denitrification；phosphorous removals

X703

A

1005-829X（2016）05-0005-05

江西省教育厅科技落地计划项目（GJJ12001326）；“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2007BAB23C02）；江西省科技计划项目（20121BBF60052）；江西省科技厅自然科学基金资助项目（20132BAB203024）；南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室开放基金资助（13005875）；国家自然科学基金资助项目（51568048）

李攀荣（1990—），硕士。E-mail：9722646748@163. com。通讯联系人：万金保，教授，博士生导师。E-mail：jbwan@ncu.edu.cn。

2016-02-05（修改稿）