藻類生物脫氮除磷技術(shù)研究進展

蔡元妃，宋桂萍

（河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031）

隨著人類活動區(qū)域的不斷擴展，對環(huán)境的污染也逐步加劇，尤其水環(huán)境污染已成為一個世界性的環(huán)境問題.水體中過度排入氮、磷等營養(yǎng)元素，導(dǎo)致湖泊水體富營養(yǎng)化加劇[1]，引起了全社會的共同關(guān)注.從目前的研究情況來看，傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝在污水氮磷去除方面取得了巨大的進展，但仍存在N和P同時去除效果不佳、投資成本高等問題[2].而隨著微生物學(xué)研究的不斷深入，藻類生物脫氮除磷技術(shù)越來越受到學(xué)者的關(guān)注和重視[3].本文就藻類脫氮除磷的原理和發(fā)展作了詳細介紹.

1 藻類生物脫氮除磷原理

藻類能夠通過光合作用將氮磷等無機元素合成自身營養(yǎng)物質(zhì).在自然光照條件下，藻類以CO2或有機碳為碳源，消耗水中的N和P以滿足自身生長的需要，同時釋放氧氣，增加水體中的溶解氧濃度，提高水體質(zhì)量.Stumm和Morgan提出藻類的分子式近似為C106H263O110N16P，藻類光合作用反應(yīng)方程式如公式（1）.

藻類中的含氮營養(yǎng)元素包括無機氮和有機氮[4]，是藻類的重要元素之一，約占藻類總干重的10%.藻類通過光合作用攝入氨氮，氨基酸等自身所需的物質(zhì)，對不同形態(tài)N的利用順序為：NH4+＞NO3-＞簡單有機氮（如尿素、簡單的氨酸等）[5].可見，藻類所能攝入的氮源并不是單一形式，除了自養(yǎng)方式之外，還能直接吸收多種有機氮如尿素、氨基酸等，達到兼性營養(yǎng)的目的，例如束毛藻還能固定大氣中的氮氣并加以利用[6].城市污水中，氨氮及有機氮所占比例較多，有利于藻類生長對氮源的攝入，達到除氮的目的.

污水中磷的存在形式主要是磷酸鹽和有機磷.Lau等人[5]研究表明磷主要以無機離子H2PO4-、HPO42-的形式被吸收，用于能量傳遞和核酸合成，其消耗量與細胞內(nèi)的磷濃度、pH值、Na＋、K+、Mg2+等離子的濃度和溫度等有關(guān)，一般反應(yīng)式為：ADP+Pi→ATP.由此可見，磷元素的含量將會直接影響藻類的生長.

2 藻類生物脫氮除磷研究

2.1 懸浮態(tài)藻類脫氮除磷

1957年，Oswald等人[7]根據(jù)污水中含有光合作用必要的營養(yǎng)元素和藻類能釋放污水好氧處理所需要的氧氣等這些特點，提出通過藻類光合作用去除污水中含有的營養(yǎng)物質(zhì)和氮、磷等營養(yǎng)元素.自此之后，以藻菌共生自凈為原理的穩(wěn)定塘技術(shù)得到迅速發(fā)展.傳統(tǒng)穩(wěn)定塘和高效藻類塘是懸浮態(tài)藻類的主要應(yīng)用形式.

傳統(tǒng)穩(wěn)定塘是藻類的最初應(yīng)用形式，具有基建投資省、無需逐日排泥、去除寄生蟲卵、污水無短流且設(shè)計簡單等優(yōu)點.穩(wěn)定塘中營養(yǎng)物質(zhì)的去除主要依賴于細菌和藻類，小球藻、衣藻等綠藻是主要的藻類.然而也日益顯現(xiàn)很多問題，如較長的水力停留時間、占地大、凈化功能易受外界影響等缺點也日，由此Oswald等人提出了高效藻類塘技術(shù).

高效藻類塘是基于傳統(tǒng)穩(wěn)定塘的發(fā)展起來的，其不同特征主要表現(xiàn)在以下4個方面：（1）塘深一般在0.3-0.6米之間，傳統(tǒng)的穩(wěn)定塘深度則一般在0.5-2米之間；（2）塘內(nèi)廊道中有垂直放置的連續(xù)攪拌裝置，用于增加水體氧含量；（3）水體停留時間較短，且隨季節(jié)變化，通常為4-10天，相較于傳統(tǒng)穩(wěn)定塘縮短了7-10倍；（4）一般分有幾個廊道，寬度較窄.根據(jù)實地研究和應(yīng)用表明高效藻類塘去除污水中的營養(yǎng)物質(zhì)是有效的，也解決了傳統(tǒng)穩(wěn)定塘水力停留時間過長、占地過大等問題，同時有利于促進藻類生長[8].但是，高效藻類塘仍受外界環(huán)境的影響，如光照、溫度等，這些自然條件的人為操作性不強.根據(jù)相關(guān)文獻研究報道[9]，水體溫度能夠影響藻類吸收太陽能，在不同水溫中，20℃時藻類的利用率最高，其他水溫表現(xiàn)為越接近20℃其相應(yīng)利用率越高.另外，高效藻類塘不能有效和最低成本的去除水中懸浮的藻類生物[10]，同時藻類生物量的多少又是污水處理效果的關(guān)鍵[11].綜上，收集污水處理后水體中的藻類生物量，并且確保處理系統(tǒng)的凈化效果是一種新的研究趨勢.因此，固定化藻類技術(shù)的研究已成為另一個研究熱點.

2.2 固定化藻類脫氮除磷

上世紀80年代，Chevalier等人[12]首先提出了將固定化藻類用于污水處理，提高單位面積藻細胞濃度，解決穩(wěn)定塘技術(shù)中藻類生物量收集過難的現(xiàn)象，保證出水水質(zhì).而理想的藻類固定方法包括侵入吸附和主動包埋.侵入吸附取決于藻類本身的特性，如纖絲狀藻類可以侵入和集落在其他介質(zhì)上，利用這一特性可以將其固定在基質(zhì)上；主動包埋則適用于大多數(shù)藻類，其基質(zhì)包括天然、人工合成的高分子物質(zhì).目前，藻類固定化脫氮除磷技術(shù)研究的主要集中在藻種篩選、藻類組合去除效果和不同氮磷濃度對藻類生長及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.

2.2.1 藻種篩選

目前已知的藻類有三萬種左右，而真正研究并加以應(yīng)用的藻類只是很少的一部分.不同藻類的在不同水質(zhì)、不同狀態(tài)下的脫氮除磷能力差別往往很大，因而針對不同藻種對不同水質(zhì)脫氮除磷能力的研究是必要的.李川等人[13]對固定、懸浮兩種狀態(tài)下的蛋白核小球藻、雙對柵藻和魚腥藻作了研究，觀察其對污水中氨氮和硝酸氮的凈化效率以及藻類的生長特性，實驗采用海藻酸鈣凝膠包埋固定化技術(shù).結(jié)果表明：固定狀態(tài)下的藻細胞比懸浮態(tài)下的具有更穩(wěn)定的生長、具備更長的活性時間，同時小球藻和魚腥藻對污水中氮元素的去除最高.另外，藻類對水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除、氮磷形態(tài)等具有選擇性，因而根據(jù)藻類的選擇性等點形成藻種組合，可以達到更好的污水處理效果.

2.2.2 藻類組合研究

藻類組合是實現(xiàn)藻類優(yōu)勢互補，以期實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)、氮磷的高效去除率.Shi等人[14]將普通小球藻和柵藻固定于基質(zhì)層和原始層兩層系統(tǒng)中，研究了廢水中氮磷的去除率，其中基質(zhì)層用于附著，原始層提供生長培養(yǎng)基.利用這種固定方法藻類能達到100%的固定，通過廢水試驗，9天后氮磷濃度為初始濃度的10%.通過藻類組合能夠達到水體的最佳凈化效果，但組合方式眾多.因此，實際推廣應(yīng)用中藻類組合的形式需要更多的研究.

3 外界因素對藻類生長及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

氮磷比等外界因素往往是藻類生長和系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要的因素.Xin等人[15]研究了不同氮磷濃度對柵藻生長、營養(yǎng)物質(zhì)攝取以及脂質(zhì)積聚方面的影響，結(jié)果顯示：氮磷比為5:1-12:1時，氮的去除率可達到83%-99%，磷的去除率為99%；在氮濃度為2.5mg·L-1的限制條件下，柵藻可積聚脂質(zhì)為其生物量的30%，而限制磷濃度為0.1mg·L-1，積聚脂質(zhì)為其生物量的53%.

2.3 藻類生物膜脫氮除磷技術(shù)研究

由于固定化藻類技術(shù)的高成本等局限，有些學(xué)者進行了藻類生物膜技術(shù)研究.馬沛明等人[16]在實驗室條件下對以巨顫藻為優(yōu)勢藻種的藻類生物膜在人工合成污水、二級污水以及富營養(yǎng)化狀態(tài)下的湖水中氮、磷的去除效果作了研究.通過5天的試驗，藻類生物膜對人工合成污水、二級污水和富營養(yǎng)化下的湖水總氮(TN)去除率分別為57.1%、94.5%和93.8%，對總磷(TP)去除率分別為93%、73%和79%.Boelee等人[17]將藻類生物膜作為市政污水廠的后期處理階段，結(jié)果表明在230umol·(m2·s)-1連續(xù)照明下，污水中氮磷量分別為1.0g·(m2·d)-1、0.13g·(m2·d)-1時，藻類生物膜攝入氮磷能力最高.

3 藻類生物脫氮除磷技術(shù)研究展望

藻類生物技術(shù)在脫氮除磷方面顯現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢，但由于藻種的紛繁眾多、應(yīng)用的不斷深入，還有許多問題有待解決.主要表現(xiàn)在以下5個方面：

（1）固定化載體開發(fā).藻類固定化需要選擇理想的固定化載體，以獲得藻類自身的最佳生物量，保證出水水質(zhì).常見固定化載體中存在耐生物分解性不夠，對生物具有毒性或是成本過高等問題，沒有一種真正廉價且性能優(yōu)良的固定化載體.因此，開發(fā)復(fù)合型固定化載體，改良其特性，是推廣研究藻類固定化技術(shù)的重要內(nèi)容之一.

（2）優(yōu)勢藻種的篩選.通過對藻種的選育和改良，篩選出對污水處理效果良好、且營養(yǎng)價值高的藻類，能夠高效降解水體中有機物和氮磷營養(yǎng)元素的藻種，緩解全球性富營養(yǎng)化問題.

（3）組合藻種的研究.藻種對水體的凈化通常具有一定的偏好，通過組合，可以發(fā)揮各種藻類的優(yōu)勢，同時增加藻類系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而達到優(yōu)良的處理效果.

（4）藻類機理研究.通過研究藻類凈化水體的機理研究，可以更好地實現(xiàn)人工干預(yù)，實現(xiàn)高效的凈化效果，如控制不同氮磷比以實現(xiàn)藻類的最佳生物量.

（5）藻類生物膜活性研究.目前對藻類生物膜的研究顯現(xiàn)了其潛在的脫氮除磷能力，但對生物膜活性的研究仍較少，需要進一步的研究以實現(xiàn)更好的推廣應(yīng)用.

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