光合细菌污水资源化研究进展

2020-03-24张光明曹可凡

工业水处理 2020年3期

张光明，孟帆，曹可凡，郅然

（1.中国人民大学环境学院，北京100872；2.中国共产党北京市委员会党校经济学教研部，北京100044）

全球面临的水资源短缺、水污染严重和能源危机，推动着污水处理从简单的污染物去除向资源转化发展〔1〕。国际水协在2018年全球水与废水前沿技术大会上提出，近几年污水处理的主题就是资源回收。光合细菌污水资源化作为一种新兴技术，其发展受到了广泛关注〔2〕。

光合细菌（PSB）是一类具有原始光能合成体系的原核微生物，属革兰氏阴性菌，形态有杆状、球状、半环状和螺旋状，直径为0.3～2.6 μm。既能以光作为能源生长，也能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体进行生长。光合细菌菌体蛋白质质量分数达到40%～60%，营养价值高，可用于水产、畜禽养殖和农作物培育。光合细菌悬浮液的市场价格是12～30元/L，细胞中还含有一些高价值的物质如聚羟基烷酸酯（PHA）、辅酶Q10、类胡萝卜素和 5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）〔3〕。

从1960年起光合细菌被用于污水处理，最适宜的废水类型是营养丰富同时没有有害成分的废水，这些废水被统称为营养型废水。光合细菌污水处理可达到较高的碳、氮和磷的去除率〔4-6〕，同时生产菌体并合成高价值物质。近几年，发现光合细菌对高浓度的氨氮废水也有突出的处理效果〔7-8〕，还可用于生活污水、染料废水、制药废水等多种废水的处理〔9-11〕。

光合细菌污水资源化技术的相关研究快速增长，但是综述很少，中文综述匮乏，近5年没有相关综述。笔者从光合细菌对营养型废水的资源化、处理高氨氮废水、处理其他废水、影响因素和促进方法5个方面对光合细菌污水资源化技术的研究进展进行了综述。

1 光合细菌对营养型废水的资源化

大豆、糖类、淀粉等食品加工废水，味精、柠檬酸等调味品生产废水和酿酒制造废水等含有丰富的碳、氮、磷，没有毒害成分，可以成为微生物生长的培养基，这些废水被统称为营养型废水。光合细菌资源化技术最重要和最广泛的应用就是营养型废水的资源化，也是研究最多的。

1.1 污染物去除

光合细菌污水资源化技术的最大优势是将废水中的碳、氮、磷转化为有经济价值的菌体资源，从而实现去除污染物和资源生产的双重效益。表1列举了该技术对多种废水的处理效果。

表1 光合细菌污水资源化技术对营养型废水的COD去除效果

如表1所示，光合细菌可以处理初始COD为300～26 000 mg/L的废水，COD去除率可达到70%～97%，说明该技术对多种类型、不同浓度的营养型废水都有良好处理效果。光合细菌对大豆和制糖废水的COD去除率最高，其原因可能是这些废水中的可溶性蛋白、低聚糖和苹果酸等成分适宜于光合细菌的生长，光合细菌的生长又促进了其对COD的去除。在废水处理过程中，光合细菌除了有将有机物分解代谢的过程，还有光合代谢的过程，这些过程共同保证了光合细菌对废水的资源化。

1.2 光合细菌生物量、高价值物质产量

光合细菌污水处理的资源化价值在于光合细菌细胞生物量和其细胞产生的高价值物质。表2汇总了光合细菌处理多种废水时的菌体生物量和产率（微生物去除COD产生的生物量与COD的比）。光合细菌在正常条件下的生物量和产率分别是1 500～5 000 mg/L和0.4～0.5。在环境条件不佳或者碳氮比异常的条件下，生物量可能会低于1 000 mg/L。产率受水质条件和操作条件影响很大，氧气浓度过高或者碳氮比异常均会导致产率低至0.2；经驯化的菌株、苹果酸和酵母膏等成分的添加均能促进产率的提高，使其达到1.0以上。

表2 不同营养型废水中光合细菌的生物量和产率

表3报告了光合细菌中的高价值物质含量。

表3 光合细菌细胞中的蛋白质、辅酶Q10、5-ALA、PHA和色素含量

光合细菌细胞的蛋白质含量很高，达到细胞干重的30%～80%，是一种优质的微生物蛋白资源。除了蛋白质，光合细菌细胞还含有辅酶Q10、5-ALA、类胡萝卜素、细菌叶绿素和PHA等成分。辅酶Q10是呼吸链中重要的氢细胞，是一种抗氧化剂，市场价格为800～2 800元/kg；5-ALA能在各种癌症的治疗过程中为肿瘤定位和光动力学疗法起到作用，也可以作为一种良好的、对农作物及人类和动物无害的、可生物降解的除草剂和杀虫剂；色素具有抗氧化、免疫调节、抗癌、延缓衰老等功效。

如表3所示，光合细菌中辅酶Q10质量浓度达到88.8 mg/g，远高于其他微生物。光合细菌中5-ALA和色素含量在不同条件下差异较大，可能是这两种物质容易受环境条件影响。

1.3 经济性分析

光合细菌污水资源化技术适用的营养型废水在我国种类多、产量大，表4列出了中国典型高浓度营养型废水的种类和年产量。这些废水采用传统方法处理的成本高达3～8元/t，同时还会产生大量的剩余污泥。根据光合细菌的市场价值和生物量产率（0.4～0.5），若表4中的废水全部用光合细菌生物转化技术，价值可达到150亿元人民币/a。

表4 中国典型高浓度营养型废水的种类和年产量

2 光合细菌对高氨氮废水的处理

光合细菌可以耐受并且处理很难被传统生物方法处理的高氨氮废水，表5报告了光合细菌处理不同高氨氮废水的效果，表明其对高浓度氨氮废水有良好处理效果，但不利条件下也可能低至20%。光合细菌对高氨氮废水的突出处理效果可能与其特殊的氮去除机制有关。光合细菌能有效地利用氨氮、硝态氮和亚硝态氮，同时光合细菌中三种形态的氮之间基本没有相互转化，这与其他生物技术不同。光合细菌氮代谢可能存在一条新的直接氮转化途径，即氨氮直接氧化为氮气与一氧化二氮的路径〔9〕。

3 光合细菌对其他类型废水的处理

除了营养型废水和高氨氮废水，光合细菌也能处理多种其他废水，如制药、染料、畜禽养殖、明胶、皮革、皂素、海产品、橡胶废水和生活污水。表6是光合细菌对其他废水的处理效果。

表5 光合细菌处理高氨氮废水的效果

表6 光合细菌对其他废水的处理效果

由表6可见，不同废水污染物去除率差异较大，原因是各种废水的成分差别很大。T.Hülsen等〔38〕研究得出光合细菌可以在连续流条件下处理生活污水至达标。光合细菌对制药废水的COD去除率均低于80%，可能是废水中的抗生素对微生物有抑制作用。对于染料废水，光合细菌能够有效脱色。

4 光合细菌污水资源化的主要影响因素

4.1 菌种

根据《伯杰细菌手册》（9版），光合细菌分布在变形菌门和绿菌门，有红杆菌属、红假单胞菌属和绿硫菌属7个菌属，球形红细菌、荚膜红细胞、绿色红假单胞菌、胶状红长命菌、沼泽红假单胞菌等十几种菌种。研究发现，球形红细菌（Rhodobacter）用于大豆、制糖、海产品、酒糟、生活、制药、柠檬酸和皮革废水处理中；红假单胞菌（Rhodopseudomonas）用于染料、淀粉、生活、皮革和橡胶废水处理中；红长命菌（Rubrivivax）用于海产品、畜禽、淀粉和橡胶废水处理中；红螺菌（Rhodospirillum）用于皮革废水处理中；红微菌（Rhodomicrobium）和绿硫菌（Chlorobium）用于染料废水处理中。应用最广泛的菌株是球形红细菌和红假单胞菌，原因是这两种细菌有良好的移动性和环境适应性。

4.2 光氧条件

光氧条件是光合细菌污水资源化最重要的影响条件。光合细菌代谢机制独特：具备光合作用、有氧呼吸和生物发酵的代谢途径，有光的条件会促进光合作用途径，有氧气的条件会促进有氧呼吸途径，所以在不同的光氧条件下的代谢途径是不同的。

光照厌氧、黑暗好氧和自然光微氧是3种典型的光氧条件。研究发现光照厌氧有利于光合细菌生物量的增殖，黑暗好氧有利于污染物的降解〔6〕。进一步，研究者系统探讨了光配方和溶解氧的影响。在光配方的研究中，发现光强度、光源、光周期和光暗周期对光合细菌生物量和COD去除均有影响，最佳光照强度是2 000 lux，最佳光源是红色LED，最佳光周期是光照/黑暗时间对应2 h/1 h〔15〕。在溶解氧的研究中，发现溶解氧浓度对污染物去除和生物量增长均有明显的影响，溶解氧质量浓度在4～8 mg/L时污染物去除率和生物量最高，COD去除率为93%，氨氮去除率为83%，光合细菌生物量为1 645 mg/L。微生物群落中占优势的是光合细菌中的假单胞菌，且随着溶解氧浓度的升高，假单胞菌的浓度也越来越高〔16〕。

4.3 水质条件

pH、温度、进水COD、氮浓度和碳氮比等水质条件也会影响光合细菌污水资源化的效果。光合细菌通常可以在中性至碱性的条件下生存。光合细菌可以在10～40℃的温度范围内生长，在低温下也能保持一定的活性和进行有效的污染物的降解。光合细菌的可利用碳源、氮源质量浓度范围分别为500～40 000、3～8 000 mg/L，可耐受 C/N 为 0.1～400。

5 光合细菌污水资源化的促进方法

5.1 添加剂

投加某些添加剂可有效促进废水处理效果和光合细菌生长，其中微量元素是最常用的。多种元素对光合细菌污水资源化技术都有明显的促进，但是促进的对象与效果不同。研究发现，Fe2+可以缩短反应时间、提升生物量；Fe3+可以保证菌体稳定生长；Mg2+可以提高生物量产量、细菌叶绿素含量和COD去除率；Cu2+、Mn2+和Co2+能够影响PSB的代谢，是多种酶的组成和刺激因子；Zn2+可以提升生物量。促进作用大小顺序为：铁＞锰＞锌＞钴＞镁＞铜〔49〕。

5.2 生物刺激和超声刺激

其他微生物也会对光合细菌污水资源化产生影响。研究者发现混合菌群的污水处理效果比单独光合细菌更好。生物刺激的微生物可以是酵母、放线菌和芽孢杆菌等。加入6.4×105mL-1的苏云金杆菌对光合细菌污水处理的COD去除率、生物量、类胡萝卜素产量分别提高 178%、67%、70%〔31〕，是因为光合细菌与其产生了协同效应。超声刺激也能促进光合细菌污水资源化，因为超声可以促进酶活性、细胞增殖和细胞内生物合成。超声强度、频率和时间都会影响促进效果。超声照射0.3 W/cm2使光合细菌细胞产量增加 110%〔50〕。