菌藻固定化技術及其在養(yǎng)殖污水處理中的應用進展

張 涵，孫 宏，吳逸飛，沈 琦，湯江武*，趙述淼*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學生命科學與技術學院，湖北武漢 430070；2. 浙江省農(nóng)業(yè)科學院植物保護與微生物研究所，浙江杭州 310021）

隨著畜牧業(yè)的規(guī)?；?、集約化發(fā)展，每年產(chǎn)生大量糞污，其中含有高濃度的氮磷污染物、難降解的有毒物及重金屬等，若不加處置將導致自然水體遭受污染，嚴重威脅人類健康。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖污水治理技術主要以微生物技術為主，但存在處理時間長、抗污染物沖擊負荷低、脫氮除磷的效果不佳等問題，產(chǎn)生的活性污泥和絮凝物又容易造成二次污染[1]。近年來，隨著各種性能優(yōu)良的新型固定化材料的開發(fā)利用和微藻凈水技術的深入研究，菌藻固定化技術在處理養(yǎng)殖污水中得到了長足發(fā)展。

目前，固定化技術按照被固定對象可分為微生物固定化和以微藻凈水為主體的菌藻固定化技術2類。微生物固定化技術通過載體固定功能菌群，具有硝化、反硝化、聚磷及降解有機質(zhì)的能力，以固定化活性污泥最為典型；菌藻固定化技術借助菌藻共生系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，細菌和藻類影響著彼此的生理活動和新陳代謝，藻類釋放信號分子使細菌聚集在藻際微環(huán)境，細菌釋放出植物激素和營養(yǎng)素等小分子物質(zhì)促使藻類生長，消耗水中氮磷及有機物，同時微藻光合作用產(chǎn)生的氧氣可供細菌氧化有機質(zhì)，避免了水體中有機碳源對菌群降解氮磷的約束，加強了污水處理效果，成為目前養(yǎng)殖污水處理技術中一個重要的研究方向[2]。本文著重闡述菌藻固定化技術的前沿進展及其技術特點、相關反應器設備設計和在養(yǎng)殖污水中的應用效果。

1 菌藻固定化的分類

在菌藻協(xié)同系統(tǒng)中，由于微藻和硝化細菌的生長速率遠低于異養(yǎng)微生物，菌藻以懸浮態(tài)生長易于從反應器中流失，導致污水處理時間增加，后期固液分離困難。菌藻固定化技術是將菌藻通過材料吸附或包埋形成穩(wěn)定的生物膜或空間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了菌藻停留和水力停留在時空上的分離，使污水處理高效化的一種技術。目前應用最廣泛的菌藻固定化方式有吸附法，包埋法和生物自固定化法（表1）[3-4]。

1.1 載體表面吸附固定（菌藻生物膜） 吸附法是利用高分子材料或無機材料較大的比表面積將菌藻共同吸附在其表面的技術。菌藻能以生物膜的形式在載體表面固定增殖，當污水流經(jīng)生物膜表面時，菌藻對污水中的氮磷、有機物和重金屬進行吸附降解[5]。研究表明，菌藻生物膜構(gòu)造在光照反應器中具有很強的縱向切面層次性，表現(xiàn)為與光照充分接觸的表面微藻大量增殖；毗鄰微藻層的為好氧微生物，主要進行氧化、硝化和有機質(zhì)降解反應；深處是厭氧微生物層，主要進行反硝化作用。上述結(jié)構(gòu)一旦成熟，其菌藻組成、有機物降解和脫氮除磷功能將形成平衡穩(wěn)定的復合生態(tài)系統(tǒng)[6]。

表1 不同菌藻固定化方式的比較

菌藻生物膜可按照吸附材料分為物理吸附和離子吸附2種。前者利用微生物與材料間的范德華力進行吸附固定，典型的材料有硅膠、聚氯乙烯、活性炭、硅藻土、沸石、多孔玻璃、聚脂纖維素膜、陶粒、麥飯石（硅酸鋁鹽）等，上述載體成本低廉，應用范圍廣，光合效率高，但吸附作用較弱，菌藻膜易脫落。離子吸附所用的材料一般是表面帶有與菌藻生物膜相異電荷的高分子材料，吸附作用較強，但對菌藻的吸附量有限，且材料成本過高，典型的材料有DEAE-纖維素、DEAE-sephadex等[7]。研究表明，菌藻吸附系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到污水的剪切力、污染物指標、pH、菌藻的種類、載體組成性質(zhì)等多種因素影響[8]。例如，張正紅等[9]利用活性污泥、光合細菌與小球藻的菌藻共生生物膜反應器凈化豬場沼液，在適宜的水力停留時間和光照強度下，化學需氧量（COD）、總氮和總磷的降解率均達到84%以上，氨氮的降解率達到97%以上。

1.2 菌藻包埋固定化 菌藻包埋固定化是將微藻和功能菌群截留在由高分子材料交聯(lián)成的空間孔隙中的一種固定化技術。通過包埋，菌藻和載體結(jié)合更加牢固，不易泄漏，不影響基質(zhì)和代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)性能，同時包埋的結(jié)構(gòu)形成更大的比表面積，能吸附更高密度的菌藻，承受更大的污染物負荷，對環(huán)境因素的波動具有較強的適應性[10]。Yan等[11]以海藻酸鈉為載體包埋活性污泥和小球藻用于處理廢水后發(fā)現(xiàn)，在水力停留時間、溶氧、pH分別為12 h、3 mg/L、6.2～8.0的條件下，菌藻系統(tǒng)對COD和總磷的去除率均達到了60%以上，氨氮的去除率為30%。

研究表明，構(gòu)建一個性能優(yōu)良的固定化體系，所選用的固定化材料必須無毒且透光性良好，在污水中能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并承受細胞生長的空間張力。同時，還必須滿足在高密度固定菌藻的前提下，最大程度發(fā)揮出藻類的光合作用[12]。目前，常用的固定化材料主要分為天然高分子材料和有機高分子材料2種,前者包括殼聚糖、卡拉膠、海藻酸鈉和瓊脂等，其優(yōu)點是能保持被包埋微生物的活性，易于交聯(lián)固定，缺陷在于不耐生物降解，機械強度較差;后者則以聚乙烯醇為代表，在眾多有機高分子包埋材料中使用最為廣泛[13]。Ramteke等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同固定化體系對重金屬（銅、鉻）的吸附效率具有顯著差異，其中聚乙烯醇-羧甲基纖維素鈉鹽-活性炭載體要優(yōu)于聚乙烯醇-羧甲基纖維素鈉鹽體系和聚乙烯醇-海藻酸鈣體系。Hsiufeng等[15]發(fā)現(xiàn)，將硫酸鹽還原菌固定在聚乙烯醇中不僅可以提高硫酸鹽和銅元素的去除率，還能增強細菌對高濃度銅元素的耐受能力。1.3 菌藻自固定化 菌藻自固定化主要以絲狀真菌為固定化載體，利用其在一定條件下能自發(fā)聚集成球的特性，固定不同的菌群和藻類[16]。如Muradov等[17]通過不同真菌和微藻的絮凝試驗來處理豬場污水后發(fā)現(xiàn)，共生真菌微藻能顯著提高豬場污水的修復效率，降低后期微藻的分離成本。

2 固定化菌藻和載體的選擇

菌藻固定化系統(tǒng)中菌藻的種類是決定系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的關鍵。研究表明，選用的菌藻必須同時具備耐受高濃度污染物和較高生長速率2種特性，才能在被固定到載體后保持較高的生物活性[18]。

2.1 菌種的選擇 菌藻固定化系統(tǒng)中所采用的菌種一般有2種，一是經(jīng)過人工篩選強化且能降低養(yǎng)殖污水污染指標的功能菌，例如主導脫氮功能的自養(yǎng)硝化細菌、異養(yǎng)硝化細菌、反硝化菌和厭氧氨氧化菌等[19]。De Bashan等[20]通過篩選獲得的具有促進小球藻生長的巴西狐單螺菌（Azospirillum brasilense)與普通小球藻（Chlorella vulgaris)復配，并用海藻酸鈣包埋處理，經(jīng)過分批、半連續(xù)和連續(xù)合成養(yǎng)殖廢水共固定化培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，菌藻共生系統(tǒng)的脫氮除磷能力和藻類生物量積累明顯優(yōu)于固定化單藻系統(tǒng)，證實微生物對微藻的生長和污染物的降解具有促進作用。Herand等[21]將能高效富集銅、鐵、鉻、鋅等重金屬元素的菌株固定在聚合基質(zhì)上，顯著提高了這些金屬元素的去除效果。二是采用經(jīng)過人工富集的多功能菌群。嚴清等[22]利用海藻酸鈣分別包埋小球藻、活性污泥及兩者混合物用于處理污水，結(jié)果表明固定化菌藻系統(tǒng)對氨氮和總磷的去除率分別達到了97.09%和88.69%，效果優(yōu)于單一固定化藻類和固定化活性污泥。

2.2 藻類的選擇 菌藻固定化中使用的藻類主要集中在綠藻門中的小球藻屬和柵藻屬，這兩屬的微藻耐污染物負荷能力更強，且生長過程中不會產(chǎn)生藻毒素[23]。Huang等[24]通過聚乙烯醇-硫酸鹽交聯(lián)法包埋小球藻和活性污泥處理合成畜禽污水后發(fā)現(xiàn)，在最適光照強度和光暗比條件下處理12～14 h，污水中硝態(tài)氮和總氮的去除率分別達到了100%和99.6%。Singh等[25]將固定化小球藻置于光照反應器后發(fā)現(xiàn)，污水中氨氮、磷酸鹽的去除率都在99%以上，鉻的吸收量達到了57.33 mg/L。但過高的污染物（重金屬）濃度對藻類的光合作用也有抑制作用，可導致藻類細胞結(jié)構(gòu)的改變[26]。

2.3 固定化材料對菌藻活性的影響 固定化材料的形態(tài)特征和空間結(jié)構(gòu)對菌藻活性均有影響。在固定大量菌藻時，由于形狀、尺寸、透光性、孔隙度、吸附值和比表面積等的差異會造成菌藻膜厚度及傳質(zhì)性能的不同[27]。研究表明，固定載體材料的交聯(lián)液在一定程度上也對菌藻有毒害作用，將降低生物活性，影響包埋體內(nèi)的傳質(zhì)性能和氧氣傳遞效率[28]。

3 菌藻固定化反應器

菌藻固定化反應器主要用于將固定化成品置于光照反應器內(nèi)，滿足菌藻生長定殖的要求。反應器的體積、尺寸、光照強度、光暗比、溫度、水力停留時間、材料填充比和曝氣量等參數(shù)均需參照污染物指標和理化性質(zhì)進行設計。目前主要的菌藻固定化反應器分為3種：固定化床反應器、膜生物反應器和流化床反應器。

3.1 固定化床反應器 菌藻固定化床反應器是以載體吸附形成菌藻膜的原理進行研發(fā)的反應器，采用在開放式或封閉式反應器中填置吸附系統(tǒng)，污水與載體充分接觸達到降解污染物的目的。其工藝簡單，可操作性強，但處理效果受光照比表面積和固液接觸面積的影響[29]。

3.2 膜生物反應器 菌藻膜生物反應器應用了菌藻共生原理和膜分離技術，其核心部件是膜分離組件和光照生物反應器。膜分離組件具有固液分離作用，可將菌藻和部分污染物截留在膜上，實現(xiàn)了菌藻停留時間與水力停留時間的分離，但由于膜組件價格昂貴，導致該反應器難以大規(guī)模推廣應用。Sun等[30]采用菌藻膜生物反應器處理畜禽污水后發(fā)現(xiàn)，微藻能改善微生物活性和污泥特性，且共生系統(tǒng)的污染物去除效率要優(yōu)于對活性污泥和微藻的單獨固定化處理。

3.3 流化床反應器 流化床反應器是養(yǎng)殖污水通過壓力泵自上而下流經(jīng)被包埋體填充的一類反應器，能保證單位時間內(nèi)固定化載體與養(yǎng)殖污水達到一定的接觸面積，實現(xiàn)污染物高效截留；但其對設備和工藝參數(shù)要求高，推廣應用限制較多[31]。鄧旭等[32]通過固定化菌藻流化床處理合成有機廢水后發(fā)現(xiàn)，當溶氧為5 mg/L時，氨氮去除率在98%以上；當光照強度為2 000 Lux，藻球填充率為20%，水力停留時間為12 h時，總磷的去除率可以達到70%以上。

4 菌藻固定化技術的應用

畜禽養(yǎng)殖污水的主要特點是含有大量高負荷污染物及Pb2+、Cu2+、Cr6+、Zn2+等重金屬離子。目前，菌藻固定化能較好地解決傳統(tǒng)活性污泥法處理工藝中存在的氮、磷去除效果差的弊端[33]。在固定菌藻的過程中，控制各種吸附材料的質(zhì)量或濃度，菌群和藻種的選擇及復配比，交聯(lián)液種類及使用方式?jīng)Q定了菌藻固定化體系的適用性和穩(wěn)定性。Dong等[34]采用固定化氨氧化菌處理生豬養(yǎng)殖污水后發(fā)現(xiàn)，氨氮去除率達到了90%以上，且在經(jīng)過4次循環(huán)利用后仍表現(xiàn)出較高的氨氮去除能力。Wang等[35]利用固定化微囊藻和硝化細菌凈化豬場污水后發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉包埋菌藻處理高、低濃度沼液的效果均效好；高濃度下氨氮、總磷和COD去除率分別達到90.77%、76.10%和70.13%，低濃度下氨氮、總磷和COD去除率分別達到77.41%，69.02%和55.07%。另一方面，菌藻固定化系統(tǒng)可通過菌藻自身的吸附、富集等過程完成對重金屬污染物的去除。王亞飛等[36]研究證實，微生物與藻類固定化后的處理效果要優(yōu)于單一固定化污泥或小球藻，在最佳配比條件下，固定化菌藻對鋅離子的去除率達到了90.5%。但總體而言，國內(nèi)外相關研究仍較少，特別是有關菌藻系統(tǒng)如何協(xié)同發(fā)揮污染物去除的作用機制目前仍未明確。

5 菌藻固定化技術存在的問題及未來研究方向

菌藻固定化技術在養(yǎng)殖污水處理中具有廣闊的應用前景，特別是與傳統(tǒng)的活性污泥處理技術相比有較大優(yōu)勢，表現(xiàn)為脫氮、除磷和去除重金屬的能力高，不會造成潛在的二次污染。目前，菌藻固定化應用最為成熟的技術仍是載體吸附法的主要原因：一是包埋技術不夠成熟，包埋材料穩(wěn)定性不理想且交聯(lián)過程中菌藻損失較大，包埋體本身的遮光性抑制了微藻的光合及污染物降解效率；二是有關菌藻包埋后固定化生長代謝的動力學參數(shù)研究較少，很難為菌藻包埋體系和相關反應器參數(shù)設計提供理論依據(jù)；三是菌藻固定化系統(tǒng)的設備運行成本過高，工藝要求復雜，目前仍難以大規(guī)模推廣。未來菌藻固定化研究的方向主要可能包括具有高效穩(wěn)定降解功能的菌藻篩選，優(yōu)質(zhì)且制作成本低廉的固定化載體的研發(fā)和相關反應器及處理工藝的優(yōu)化和推廣。相信隨著研究的深入，菌藻固定化技術將在畜禽養(yǎng)殖污水治理研究上發(fā)揮越來越大的作用。