菌藻共生系統(tǒng)凈化水質(zhì)的研究進(jìn)展

熊云武 林曉燕 郭躍華 杜林峰 李詩(shī)剛 趙亮 許建新 謝利華

摘要 介紹菌藻共生系統(tǒng)凈化水質(zhì)的機(jī)理和菌藻共生處理污水系統(tǒng)（固定化菌藻系統(tǒng)和著生藻類系統(tǒng)）的特點(diǎn)及存在的問題，并展望今后的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 菌藻共生；污水；固定化菌藻；著生藻類

中圖分類號(hào) X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）04-0197-02

Research Progress of Bacterial-algal Symbiotic System for Sewage Purification

XIONG Yun-wu LIN Xiao-yan GUO Yue-hua DU Lin-feng * LI Shi-gang ZHAO Liang XU Jian-xin XIE Li-hua

（Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518040）

Abstract The article introduced the sewage purification mechanism in the bacterial-algal symbiotic system.It also summarized the characteristics and problems of bacterial-algal symbiotic sewage purification system，such as immobilized bacteria-algae wastewater treatment system and periphyton wastewater treatment system. In the end，the author also looked into the future trends of its development.

Key words bacterial-algal symbiotic system；sewage；immobilized bacteria-algae；periphytic algae

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展，工業(yè)、生活污水大量排入水體，由于其中富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬，最終使水體惡化。近年來(lái)，很多研究表明菌藻共生系統(tǒng)在污水處理方面潛力很大，利用藻類修復(fù)污染水體，可以有效降低污水中有機(jī)物、N、P的含量，出水可達(dá)到景觀環(huán)境用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)獲得的藻類體粗蛋白含量高，可作為食品或高級(jí)飼料的原料，實(shí)現(xiàn)藻類生物量的資源化[1-4]。藻類不僅能吸收污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且對(duì)重金屬也有良好的吸收、富集效應(yīng)[5-10]。菌藻共生污水處理系統(tǒng)（固定化菌藻污水處理系統(tǒng)和著生藻類污水處理系統(tǒng)）不僅符合生態(tài)學(xué)的原理，而且可實(shí)現(xiàn)水資源化，具有環(huán)保意義。

1 菌藻共生系統(tǒng)凈化水質(zhì)的機(jī)理

結(jié)合細(xì)菌的污染物降解能力與藻類消減污水中N、P和攝取有機(jī)物功效，形成細(xì)菌和藻類復(fù)雜的共生系統(tǒng)。好氧菌將含碳有機(jī)物、含磷有機(jī)物分別降解為水和二氧化碳、正磷酸鹽，將含氮有機(jī)物進(jìn)行氨化、硝化，為藻類光合作用提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及碳源。同時(shí)，藻類光合作用釋放出的氧氣又可促進(jìn)好氧菌的代謝。藻細(xì)胞以光能為能源，消耗污水中大量的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物，使水源得到凈化[11]。藻類在進(jìn)行光合作用的同時(shí)，使藻體、藻膜附近的pH值升高，從而促進(jìn)水中磷酸根和鈣離子形成羥基磷灰石沉淀，沉淀主要發(fā)生在藻體表面或藻生物膜上，從而實(shí)現(xiàn)P的去除；同時(shí)，pH值升高使NH4+-N揮發(fā)，增加TN的去除率[1，11-13]。

2 固定化菌藻污水處理系統(tǒng)

固定化菌藻是按照一定比例將藻類細(xì)胞和細(xì)菌細(xì)胞與固定化材料混合固化形成多孔隙凝膠，凝膠空隙用于菌藻細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。包埋采用的載體材料主要有海藻酸鈉、海藻酸鈣和聚乙烯醇（PVA）等[14-19]。與游離藻類相比，固定化使得微藻具有負(fù)荷能力強(qiáng)、藻細(xì)胞流失少、細(xì)胞密度高、反應(yīng)速率快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、易于固液分離等特點(diǎn)，而包埋載體本身也具有一定吸收N、P的能力。而且，許多研究也表明，固定化菌藻對(duì)N、P的去除效果優(yōu)于固定化細(xì)菌和固定化藻類[20-22]。在固定化菌藻中，脫氮的主要貢獻(xiàn)者是細(xì)菌，而藻對(duì)除磷起了主要作用，為達(dá)到有效的脫氮除磷，藻菌比應(yīng)大于2∶1[22-24]。

王 秀等[25]在自制的流化床光生物反應(yīng)器中加入固定化藻菌小球處理飲料廢水，結(jié)果COD、NH4+-N、BOD和PO43--P的去除率分別達(dá)91.8%、89.4%、72.1%和59.5%。潘 輝等[26]研究表明，固定化菌藻共生系統(tǒng)適于處理高有機(jī)負(fù)荷、低氮磷濃度的市政污水，且P的最高去除率可達(dá)到93.6%，NH4+-N的最高去除率可接近100%。

固定化菌藻系統(tǒng)雖然對(duì)污水的處理效果較好，藻體收獲也比較簡(jiǎn)便，但是該技術(shù)成本較高，且固定化載體會(huì)限制光能的獲得和物質(zhì)的傳遞，微藻對(duì)N、P的吸收會(huì)受到多種因素的影響，固定化菌藻膠球容易開裂，這些不利因素在一定程度上影響了其大規(guī)模地應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，限制了其發(fā)展。

3 著生藻類污水處理系統(tǒng)

著生藻類（periphytic algae），又稱周叢藻類，是附著在水體機(jī)制上生活的一些微型藻類[27]。其主要通過構(gòu)建人工模擬生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化，目前研究應(yīng)用較廣的主要有藻從刷系統(tǒng)、著生藻類-生物膜系統(tǒng)2種類型。

3.1 藻從刷系統(tǒng)

藻從刷系統(tǒng)（algal turf scrubbers，ATS）的核心是模擬著生藻類自然環(huán)境中水質(zhì)凈化過程，在固定襯墊表面上接種絲藻屬（Ulothrix sp.）、直鏈藻屬（Melosira sp.）、鞘藻屬（Oedogonium sp.）、微孢藻屬（Microspora sp.）等著生藻類，構(gòu)建著生藻類與真菌、細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)[28]。通過藻類和微生物的共同作用去除污水中的污染物。

目前，在養(yǎng)殖廢水、生活污水等污水的控制中已經(jīng)證實(shí)了ATS系統(tǒng)的脫氮除磷效果。Mulbry等[28]研究表明：采用以維利微孢藻、孤枝根枝藻等著生藻類為核心的ATS系統(tǒng)處理奶牛場(chǎng)廢水，水力停留時(shí)間約60 d，TN和TP去除率可以達(dá)到70%～90%，運(yùn)行費(fèi)用較人工濕地處理工藝也有很大幅度降低。Westhead等[29]研究表明，接種絲狀綠藻和鞘藻的ATS系統(tǒng)處理養(yǎng)牛場(chǎng)廢水，水力停留時(shí)間為48 d，系統(tǒng)TN去除率達(dá)到90%以上、TP去除率達(dá)到68%～76%。Pizarro等[30]利用ATS系統(tǒng)處理養(yǎng)牛場(chǎng)厭氧發(fā)酵出水，著生藻類TN和TP吸收率分別達(dá)到61.6%和39.3%。但ATS系統(tǒng)處理污水如果想要效果良好，則要求其長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。

3.2 著生藻類-生物膜系統(tǒng)

著生藻類-生物膜系統(tǒng)（periphyton biofilm system，PBS）一般由著生藻類生物、人工浮床及生物膜組成，人工浮床漂浮在水體表面，生物膜填料固定在浮床上，著生藻類生長(zhǎng)于浮床和填料表面，整個(gè)系統(tǒng)懸浮于水中。由于生物膜填料具有較大的比表面積，可以為著生藻類提供良好的附著表面，使其生物量大幅度提高，同時(shí)，PBS系統(tǒng)中生物膜的形成強(qiáng)化了微生物降解污染物的作用。

PBS系統(tǒng)中著生藻類與生物膜的聯(lián)合應(yīng)用，水質(zhì)凈化優(yōu)勢(shì)明顯。雷國(guó)元等[31]將剛毛藻（Chadophorasle）與生物膜相結(jié)合組成藻膜系統(tǒng)，可以有效地降低模擬富營(yíng)養(yǎng)化湖水（CODMn 11.0～15.0 mg/L、NH4+-N 8.0～12.0 mg/L、NO3--N 0.4～1.0 mg/L、TP 1.2～1.5 mg/L）中的CODMn、NH4+-N、TP，其去除率分別達(dá)50%、95%和98%。馬沛明等[32]在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了以巨顫藻（Oscillatoria princeps）占優(yōu)勢(shì)的藻類生物膜對(duì)人工合成污水、污水處理廠二級(jí)污水和富營(yíng)養(yǎng)化湖水N、P的去除效果，結(jié)果表明：通過5 d的處理，藻類生物膜對(duì)人工合成污水、污水處理廠二級(jí)污水和富營(yíng)養(yǎng)化湖水TN去除率分別為57.1%、94.5%和93.8%，對(duì)TP去除率分別為93%、73%和79%。

但是，PBS系統(tǒng)暫時(shí)還不能應(yīng)用于采光較難的水體及深水區(qū)，此外，著生藻類在生物膜填料上的附著生長(zhǎng)等問題，仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與展望

我國(guó)水環(huán)境污染嚴(yán)重，利用藻類進(jìn)行污水的處理，不僅可以改善環(huán)境，而且可以生產(chǎn)優(yōu)良飼料，生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益良好。利用菌藻共生系統(tǒng)凈化水質(zhì)，在污水深度處理方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但無(wú)論是固定化菌藻污水處理系統(tǒng)還是著生藻類污水處理系統(tǒng)，仍存在以下問題需要進(jìn)一步解決。

（1）固定化菌藻污水處理系統(tǒng)：①高效微生物的優(yōu)選及活性保存技術(shù)的研究；②包埋工藝的改進(jìn)；③廉價(jià)固定化載體的研制和開發(fā)；④固定化微生物反應(yīng)器的開發(fā)研究；⑤固定化材料傳質(zhì)阻力問題的探索。

（2）著生藻類污水處理系統(tǒng)：①建立對(duì)污水長(zhǎng)期性、持續(xù)性處理的系統(tǒng)；②解決污水處理過程中底棲動(dòng)物潛在的牧食問題；③優(yōu)化著生藻類水質(zhì)凈化工藝，開發(fā)占地少、動(dòng)力消耗低的新系統(tǒng)。

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