利用微藻处理废水研究进展

牛旭东，李梅，王宁，钟怀荣，张燕，崔晓艳，康佳，陈高，

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101；2.山东省农业科学院农作物种质资源研究所／山东省作物遗传改良与生理生态重点实验室，山东 济南 250100）

近年来，世界水资源面临严重短缺并给社会和经济发展带来了巨大挑战。这种短缺是由于世界人口增长、农业集中化和工业化的快速发展对水资源需求增加所导致，以及许多发展中国家没有对废水进行适当的处理就向附近水体排放所造成的水资源污染［1］。以中国为例，几十年的快速城市化和工业化给环境带来了巨大压力，高达80%的河流被有机物、氮和磷污染［2］。城市、工业和农业所产生的氮、磷等污染物过剩并进入水体，导致水体富营养化［3，4］；工业废物、病原体、重金属和农药等污染物存在于不同来源的废水中，对人类身体健康有很大影响［5，6］。

传统的污水处理系统主要用混凝沉淀、活性污泥、硝化－反硝化和化学除磷等工艺去除固体悬浮物和降低COD等［7，8］。这些废水处理技术对有机污染物和无机污染物分解能力有限，当废水中存在重金属、外来生物等污染负荷时，导致耗氧和污染废水对水生生物产生毒性，传统生物降解过程可能受阻或无效［9，10］，造成生态系统环境问题。传统污水处理存在能耗高、处理效果不稳定、过程长、剩余污泥量大等缺点，和污水处理可持续发展与低碳理念不统一，因此选择高效、绿色、经济的废水处理技术是十分必要的。

微藻废水处理技术是一种极具发展前景的废水处理和养分回收技术，近年来受到广泛关注。研究表明微藻在城市、农业和工业废水深度处理中处理效率较高［11，12］。与传统废水处理工艺相比，用微藻处理废水具有成本较低、回收的微藻可以转化为沼气、生物燃料、肥料、动物饲料等高价值产品等优点［13－15］。本文从微藻对废水中污染物的利用机制、微藻对不同废水的处理性能、微藻处理废水时所受影响因素、微藻在废水处理过程中的应用情况及其在环境、经济方面的可持续价值等方面进行综述，并在分析微藻在处理废水中的局限性基础上进行展望。

1 微藻污染物去除机理

1.1 微藻对废水中碳的去除机理

碳占藻细胞干重的40%～50%，是细胞结构的重要组成部分。微藻生长利用的碳源可分为有机碳和无机碳。无机碳主要以二氧化碳、碳酸氢盐以及碳酸盐的形式被利用。微藻通过光合作用可以利用空气中的CO2作为自己的碳源，当pH值在5～7时，CO2通过微藻的扩散作用被吸收，当pH＞7时，藻细胞外的碳酸酐酶会促使碳源主动运输至细胞内［16］。CO2被微藻内核酮糖二磷酸羧化酶（Rubisco）固定，再经卡尔文循环（Calvin－Benson－Basshamcycle，CBB）合成葡萄糖等有机物质［17］。有些异养生长的微藻可以利用葡萄糖、乙酸钠等有机碳作为碳源，兼养微藻既可以利用有机碳也可以利用无机碳生长［18］。

1.2 微藻对废水中氮的去除机理

氮是酶、肽、蛋白质、叶绿素等生物质以及ADP、ATP等能量转移时的关键元素。可供微藻利用的无机氮包括亚硝态氮）、硝态氮、氨气（NH3）、铵态氮和氮气（N2）。废水中的氮通常以和的形式存在。微藻吸收还原为，然后转化为，之后将其结合到氨基酸中，而可以被微藻直接吸收利用。硝酸根同化的第一步是利用硝酸还原酶（NR），它是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的还原形式，存在于微藻内部，在硝酸根转化为亚硝酸根的反应中转移两个电子后，微藻利用亚硝酸还原酶（NADPH）与ADP、磷酸盐和NADP进行光合作用，使被还转化为由此得出，所有无机形式的氮将会在微藻的胞内液体中转化为。最后，通过谷氨酸（Glu）以及磷酸化释放的三磷酸腺苷（ATP），将铵并入氨基酸中（谷氨酰胺）［19］，见图1。

图1 无机氮同化转化为有机形式的示意图

1.3 微藻对废水中磷的去除机理

废水中脂类、核酸和蛋白质中都存在无机磷，其转运发生在微藻细胞的质膜上。在微藻代谢过程中，以HPO42－和H2PO－4形式存在的无机磷通过磷酸化作用合成有机化合物，即二磷酸腺苷（ADP）。磷酸化过程需要能量来生产ATP［20］，而在呼吸作用氧化底物、真核微藻线粒体的电子传递以及光合作用过程中所利用光等都可产生磷酸化所需能量［17］。对于光合作用，包括光化学和氧化还原反应两个步骤。涉及ADP、磷酸盐（P）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）的磷酸化的方程如下［21］：

由方程可知，光能被用来合成能量存储分子（ATP和NADPH）。此外，在较高的pH值条件下，磷酸盐可以通过形成羟基磷灰石与Ca2＋和Mg2＋形成沉淀而从水中去除［22］。

1.4 重金属的去除

微藻对重金属的去除也有一定效果。微藻吸收重金属有两种形式，一种是死生物的被动生物吸附和活生物的主动生物吸附。重金属在微藻细胞外的结合方式有化学吸附、物理吸附、络合、螯合及还原等［23］。被动生物吸附过程中，金属离子被物理吸附在含有羟基（-OH）、羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、巯基（-SH）等官能团的微藻细胞表面［24］。有研究利用纤维素酯膜与微藻形成生物膜对锌进行去除，结果每克微藻可以吸附15～19 mg金属锌，对其有很强的去除能力［25］；Murphy等［26］研究6种微藻对铬的去除能力，结果表明，褐藻对Cr3＋和Cr4＋的去除能力较强，不同的氧化状态下去除能力不同。微藻去除重金属有处理时间短、对重金属有较高灵敏度、投入成本低、环境友好等特点。也有研究表明被微藻吸附后的重金属一定条件下可以解吸下来，实现重金属的回收，提高经济效益［27］。

1.5 病原体的去除

微藻去除废水中的病原体机理一般为营养竞争、溶解氧升高、pH值变化、病原体的黏附和沉淀、微藻产藻毒素等。微藻与病原体细菌之间存在营养竞争从而导致细菌无法满足营养需求而死亡；微藻生长过程中由于光合作用同化CO2以及对氮的吸收都会使pH值升高，对一些病原体生存造成威胁；微藻的光合作用可以将水体中氧浓度提高从而对粪便细菌产生毒害作用［28］。还有研究表明绿藻可以通过分泌和提高叶绿素a来去除粪大肠菌群。有试验发现微藻Scenedesmussp.可以去除一种肠道沙门氏菌，接种105CFU／mL肠道沙门氏菌后，在630 nm的红光和恒温条件下进行混合培养48 h，肠道沙门氏菌被有效清除［29］。

2 微藻处理废水种类

2.1 市政废水

市政废水中的COD、氮磷含量相对于一些工业废水不高，微藻对硝酸盐和磷酸盐的吸收和去除可以有效降低废水中的氮磷含量。王雪飞［30］利用钝顶螺旋藻处理市政废水，结果表明，废水中氨氮、总磷、总氮的去除率分别达98.52%～99.03%、88.25%～96.81%、90.43%～95.22%。朱新曼等［31］用莱茵衣藻处理市政废水，结果表明莱茵衣藻在污水中的生长状况良好且对总磷、总氮和COD具有较好的处理效果，去除率分别达到98.7%、72.6%、81.5%。微藻对于废水的深度处理也有较好的效果：郝凯旋等［32］用混合微藻和活性污泥处理山东建筑大学污水处理厂二级出水，与活性污泥法对比发现，菌藻共生系统对氨氮和磷的去除率高达80%～90%。市政废水的有毒物质含量较低，污染物多为氮磷，所以微藻对市政废水有很好的处理效果，且微藻可以产生高价值生物质，因此可以提高市政废水的资源回收效率。

2.2 工业废水

工业废水种类繁多、成分复杂，有其特有的水质特点，对于不同废水一些藻种有高效的处理能力。微藻具有较高表面积，已被用于纺织废水处理和乙烯砜染料的去除。微藻细胞壁对染料的去除机理主要包括生物吸附、静电吸引、络合和生物转化等，组成官能团的胞外聚合物有助于染料分子在聚合物表面的生物吸附。此外，蛋白核小球藻还被广泛用作去除活性染料的生物吸附剂［33］。食品工业废水营养物质丰富、毒性小且排放量大。有研究用食品工业废水培养钝顶螺旋藻，既实现废水污染指标的降低，也产生出高价值产物藻蓝蛋白［34］。利用小球藻处理啤酒废水，探究单独小球藻及菌藻共生处理对啤酒废水处理的效果，表明菌藻共生的处理效果更好，COD、TN、TP的去除率分别为81.3%、82.6%、74.1%［35］。

高浓度有机废水是一种有机物含量高且成分复杂的工业废水，有些废水COD含量每升高达几万乃至几十万毫克。本实验室利用微藻对高浓度有机废水（粉丝废水）进行处理，由于其COD含量高达20 g／L，在微藻处理前要进行预处理，将现有的废水处理技术与微藻处理方法有效结合。本实验室从粉丝废水中分离筛选出3株藻种，分别为普通小球藻、单针藻、蛋白核小球藻，通过稀释实验得到的蛋白核小球藻可以在COD为7 g／L的高浓度粉丝废水中生长。接下来通过探究微藻在粉丝废水中的碳、氮、磷营养比例，优化出处理效果好、高生物量的培养条件及筛选出高效藻种，以进一步探究其在高浓度有机废水处理中应用的可行性。对于不同工业废水的水质特点，不同藻种、处理条件、培养模式等可以对工业废水有不同的处理效果，选择适合的藻种及条件可以使微藻处理工业废水得到更好的应用（图2）。

图2 微藻处理废水可持续循环图

2.3 农业废水

微藻可以生物吸附和生物降解废水中包括农药在内的各种有机物，将其作为自身可利用的营养物质。生物吸附主要为吸附沉淀、表面络合、离子交换等；生物降解主要是微藻产生的酶可以降解农药中分子的化学键。Hussein等［36］利用小球藻去除农药草达灭、西玛津、丙炔、乐果等，分别进行短期及长期试验，结果表明，小球藻对农药废水有一定的去除效果，且长期试验的效果较好。

随着养殖业的不断扩大及规模化发展，畜禽养殖产生大量废水，这些废水中含有较高的氮、磷、重金属及抗生素等，处理不当会对环境造成严重污染。近几年利用微藻处理养殖废水的研究较多：有研究选用普通小球藻（Chlorella vulgaris）、卵囊藻（Oocystissp.）、卵形隐藻（Cryptomonas obovate）、舟形藻（Navicula pelliculosa）4种淡水微藻，处理模拟水产养殖废水，最终选用小球藻、卵形隐藻分别构建菌藻共生系统，结果均表现出比单藻系统更高的生物量及氮、磷去除率［37］。程海翔［38］从养猪场废水处理池中分离出一株栅藻，并研究其处理养猪废水的能力，结果表明栅藻对养猪废水有较好的处理效果，其中COD、氨氮、总氮、总磷、Zn、Cu去除率分别达到41.8%、97.3%、87.9%、93.2%、30.1%、50.1%。随后也有研究证明此栅藻的处理能力优于小球藻等［39］。吕俊平等［40］等通过设置绿球藻的初始接种浓度（25～400 mg／L），研究其对水产养殖废水的处理效果及微藻生长特性，结果表明，初始接种浓度为100 mg／L的藻液，其生长特性最佳，比生长速率最大，5 d内绿球藻对水产养殖废水中COD、氨氮、亚硝态氮、硝态氮、总磷的去除率分别为96.92%、98.08%、98.67%、91.42%、98.36%。

微藻处理农业废水有很好的效果（表1），同时获得的生物质可做肥料、饲料等，实现农业生态的经济可持续循环，因此微藻用于农业废水处理具有很好的发展前景。

表1 微藻处理不同种类废水

3 影响微藻处理效果的因素

3.1 废水特性

不同来源废水其水质特点也不相同，pH值、温度、氨氮、有机物、重金属及其他有毒物质等含量不同，对微藻生长有很大影响。如畜禽废水氨氮含量较高、啤酒废水有机物含量较高等［54］。在处理废水过程中，微藻最适培养条件与废水特点有时不能完全契合，一般用两种方式进行培养。一是筛选培养适合其废水特点的微藻，如从废水中分离筛选出微藻利用于处理废水本身；二是将废水成分比例进行优化，使微藻更适合在特征废水中生长。

3.2 光照强度与光照周期

光照强度和光照周期是影响微藻生长速率和生物量的重要因素，也是废水中污染物去除效率的重要影响因素。有研究表明光照强度与微藻生物量呈正相关，并发现较高的光照强度结合外源CO2不仅可以促进生物量的增加，还可以增强市政废水COD和氮的处理效果［55］。有学者研究了微藻－细菌复合体在3种不同光照周期条件下（12h／12h、36h／12h、60h／12h）对养分去除和生物量产生的影响，结果表明，碳的去除与暗周期的长短呈正相关，而氮、磷则呈相反的变化趋势，说明光－暗周期是微藻处理废水的关键影响因素［56］。说明优化光照强度和光照周期条件，可以获得更高的生物质及废水处理效果。

3.3 碳氮比和氮磷比

碳氮比（C／N）和氮磷比（N／P）在微藻对养分同化中起着重要作用，不仅对生物量非常关键，而且对微藻生物质生产有着重要影响。平衡C／N是促进微藻碳、氮同化的一种直接有效的途径。C／N为5～20对废水处理效率和生物质产量的影响研究表明，C／N较低即5和10时，对COD去除率较好，而C／N值为20时对微藻的生长及其污染物去除能力有抑制作用。随着C／N值增加，生物量呈下降趋势，而脂肪含量则呈相反趋势。在C／N为15时，油脂产率最高，COD、氮、磷去除率分别为87.2%、90.5%、88.6%［57］。

N／P值随废水来源不同而差异较大，微藻可以根据废水中N／P来协调生物质生产。氮或磷含量超负荷都会显著影响微藻结构和功能；废水氮含量低会限制微藻对磷的吸收能力，但会增加生物量中碳水化合物和脂类的比例［58］。因此，足够的氮是提高微藻除磷效率的途径之一。有研究发现，生物量在N／P为10时达到最大值，然后随着N／P值的增加而下降，TP去除率与生物量的变化趋势一致［59］。氮磷条件是影响微藻生长和油脂积累的重要因素之一。尿素可以促进微藻生长，但不利于油脂积累；缺氮培养在刺激微藻油脂积累的同时会降低微藻的生物量，导致其产率降低［60］。在微藻净化废水的同时优化碳氮比及氮磷比可以促进高质量生物质的生产，实现可持续资源利用。

4 局限与展望

藻类可以去除废水中多种污染物质，但对不同污染物的去除能力不同。微藻对废水中氮、磷有很好的去除能力，而对碳的去除特别是有机碳的去除能力有限，对一些新出现的污染物和重金属等潜力未知。目前很多新型微藻处理废水技术还停留在实验室阶段，没有大规模运用到实践中；尽管利用微藻处理废水简单有效，但存在下游采收及加工成本高、生产规模小等问题。为使微藻得到更好的发展利用，在微藻处理废水前，应优先考虑不同藻类对特征废水的适应情况及抑制因素，这是微藻处理废水效率、生物量提升及高价值生物质产生的必要前提。

目前，国内外学者在微藻处理废水方面做了很多研究。微藻除了对废水中的氮、磷有很好的处理效果外，对碳的固定也有很好的前景，并对新型污染物去除有一定潜力。某些微藻可以去除某种特定污染物或产生高价值的生物质，将微藻净化废水和生物质生产偶联技术应用到实际上，从而产生双重效益，是微藻处理废水的未来发展趋势。对微藻产业规模化以及生物制品质量的提高需要进一步研究和优化，实现资源的可持续化循环。进一步探究菌藻共生的潜力，探索藻菌共生体系对碳、氮、磷、重金属等污染物的富集或降解机制以及协同降解机制，寻求微藻处理废水的新方式，是微藻应用于废水处理的研究趋势。

今后需将现有的废水处理技术与微藻处理方法相结合，建立技术模式简单、基础成本低和处理效率高的微藻处理废水集成工艺；且深度开发并优化新型高效微藻处理废水技术并结合工程方法，从而获得更大的经济效益，实现环境的可持续发展，使微藻处理废水技术具有更广阔的发展前景。