利用微藻處理廢水研究進(jìn)展

牛旭東，李梅，王寧，鐘懷榮，張燕，崔曉艷，康佳，陳高，

（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物種質(zhì)資源研究所／山東省作物遺傳改良與生理生態(tài)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250100）

近年來，世界水資源面臨嚴(yán)重短缺并給社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。這種短缺是由于世界人口增長、農(nóng)業(yè)集中化和工業(yè)化的快速發(fā)展對水資源需求增加所導(dǎo)致，以及許多發(fā)展中國家沒有對廢水進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砭拖蚋浇w排放所造成的水資源污染［1］。以中國為例，幾十年的快速城市化和工業(yè)化給環(huán)境帶來了巨大壓力，高達(dá)80%的河流被有機(jī)物、氮和磷污染［2］。城市、工業(yè)和農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的氮、磷等污染物過剩并進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化［3，4］；工業(yè)廢物、病原體、重金屬和農(nóng)藥等污染物存在于不同來源的廢水中，對人類身體健康有很大影響［5，6］。

傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)主要用混凝沉淀、活性污泥、硝化－反硝化和化學(xué)除磷等工藝去除固體懸浮物和降低COD等［7，8］。這些廢水處理技術(shù)對有機(jī)污染物和無機(jī)污染物分解能力有限，當(dāng)廢水中存在重金屬、外來生物等污染負(fù)荷時，導(dǎo)致耗氧和污染廢水對水生生物產(chǎn)生毒性，傳統(tǒng)生物降解過程可能受阻或無效［9，10］，造成生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境問題。傳統(tǒng)污水處理存在能耗高、處理效果不穩(wěn)定、過程長、剩余污泥量大等缺點，和污水處理可持續(xù)發(fā)展與低碳理念不統(tǒng)一，因此選擇高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的廢水處理技術(shù)是十分必要的。

微藻廢水處理技術(shù)是一種極具發(fā)展前景的廢水處理和養(yǎng)分回收技術(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注。研究表明微藻在城市、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水深度處理中處理效率較高［11，12］。與傳統(tǒng)廢水處理工藝相比，用微藻處理廢水具有成本較低、回收的微藻可以轉(zhuǎn)化為沼氣、生物燃料、肥料、動物飼料等高價值產(chǎn)品等優(yōu)點［13－15］。本文從微藻對廢水中污染物的利用機(jī)制、微藻對不同廢水的處理性能、微藻處理廢水時所受影響因素、微藻在廢水處理過程中的應(yīng)用情況及其在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)方面的可持續(xù)價值等方面進(jìn)行綜述，并在分析微藻在處理廢水中的局限性基礎(chǔ)上進(jìn)行展望。

1 微藻污染物去除機(jī)理

1.1 微藻對廢水中碳的去除機(jī)理

碳占藻細(xì)胞干重的40%～50%，是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要組成部分。微藻生長利用的碳源可分為有機(jī)碳和無機(jī)碳。無機(jī)碳主要以二氧化碳、碳酸氫鹽以及碳酸鹽的形式被利用。微藻通過光合作用可以利用空氣中的CO2作為自己的碳源，當(dāng)pH值在5～7時，CO2通過微藻的擴(kuò)散作用被吸收，當(dāng)pH＞7時，藻細(xì)胞外的碳酸酐酶會促使碳源主動運(yùn)輸至細(xì)胞內(nèi)［16］。CO2被微藻內(nèi)核酮糖二磷酸羧化酶（Rubisco）固定，再經(jīng)卡爾文循環(huán)（Calvin－Benson－Basshamcycle，CBB）合成葡萄糖等有機(jī)物質(zhì)［17］。有些異養(yǎng)生長的微藻可以利用葡萄糖、乙酸鈉等有機(jī)碳作為碳源，兼養(yǎng)微藻既可以利用有機(jī)碳也可以利用無機(jī)碳生長［18］。

1.2 微藻對廢水中氮的去除機(jī)理

氮是酶、肽、蛋白質(zhì)、葉綠素等生物質(zhì)以及ADP、ATP等能量轉(zhuǎn)移時的關(guān)鍵元素。可供微藻利用的無機(jī)氮包括亞硝態(tài)氮）、硝態(tài)氮、氨氣（NH3）、銨態(tài)氮和氮氣（N2）。廢水中的氮通常以和的形式存在。微藻吸收還原為，然后轉(zhuǎn)化為，之后將其結(jié)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還原酶（NR），它是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的還原形式，存在于微藻內(nèi)部，在硝酸根轉(zhuǎn)化為亞硝酸根的反應(yīng)中轉(zhuǎn)移兩個電子后，微藻利用亞硝酸還原酶（NADPH）與ADP、磷酸鹽和NADP進(jìn)行光合作用，使被還轉(zhuǎn)化為由此得出，所有無機(jī)形式的氮將會在微藻的胞內(nèi)液體中轉(zhuǎn)化為。最后，通過谷氨酸（Glu）以及磷酸化釋放的三磷酸腺苷（ATP），將銨并入氨基酸中（谷氨酰胺）［19］，見圖1。

圖1 無機(jī)氮同化轉(zhuǎn)化為有機(jī)形式的示意圖

1.3 微藻對廢水中磷的去除機(jī)理

廢水中脂類、核酸和蛋白質(zhì)中都存在無機(jī)磷，其轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生在微藻細(xì)胞的質(zhì)膜上。在微藻代謝過程中，以HPO42－和H2PO－4形式存在的無機(jī)磷通過磷酸化作用合成有機(jī)化合物，即二磷酸腺苷（ADP）。磷酸化過程需要能量來生產(chǎn)ATP［20］，而在呼吸作用氧化底物、真核微藻線粒體的電子傳遞以及光合作用過程中所利用光等都可產(chǎn)生磷酸化所需能量［17］。對于光合作用，包括光化學(xué)和氧化還原反應(yīng)兩個步驟。涉及ADP、磷酸鹽（P）和煙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，光能被用來合成能量存儲分子（ATP和NADPH）。此外，在較高的pH值條件下，磷酸鹽可以通過形成羥基磷灰石與Ca2＋和Mg2＋形成沉淀而從水中去除［22］。

1.4 重金屬的去除

微藻對重金屬的去除也有一定效果。微藻吸收重金屬有兩種形式，一種是死生物的被動生物吸附和活生物的主動生物吸附。重金屬在微藻細(xì)胞外的結(jié)合方式有化學(xué)吸附、物理吸附、絡(luò)合、螯合及還原等［23］。被動生物吸附過程中，金屬離子被物理吸附在含有羥基（-OH）、羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、巰基（-SH）等官能團(tuán)的微藻細(xì)胞表面［24］。有研究利用纖維素酯膜與微藻形成生物膜對鋅進(jìn)行去除，結(jié)果每克微藻可以吸附15～19 mg金屬鋅，對其有很強(qiáng)的去除能力［25］；Murphy等［26］研究6種微藻對鉻的去除能力，結(jié)果表明，褐藻對Cr3＋和Cr4＋的去除能力較強(qiáng)，不同的氧化狀態(tài)下去除能力不同。微藻去除重金屬有處理時間短、對重金屬有較高靈敏度、投入成本低、環(huán)境友好等特點。也有研究表明被微藻吸附后的重金屬一定條件下可以解吸下來，實現(xiàn)重金屬的回收，提高經(jīng)濟(jì)效益［27］。

1.5 病原體的去除

微藻去除廢水中的病原體機(jī)理一般為營養(yǎng)競爭、溶解氧升高、pH值變化、病原體的黏附和沉淀、微藻產(chǎn)藻毒素等。微藻與病原體細(xì)菌之間存在營養(yǎng)競爭從而導(dǎo)致細(xì)菌無法滿足營養(yǎng)需求而死亡；微藻生長過程中由于光合作用同化CO2以及對氮的吸收都會使pH值升高，對一些病原體生存造成威脅；微藻的光合作用可以將水體中氧濃度提高從而對糞便細(xì)菌產(chǎn)生毒害作用［28］。還有研究表明綠藻可以通過分泌和提高葉綠素a來去除糞大腸菌群。有試驗發(fā)現(xiàn)微藻Scenedesmussp.可以去除一種腸道沙門氏菌，接種105CFU／mL腸道沙門氏菌后，在630 nm的紅光和恒溫條件下進(jìn)行混合培養(yǎng)48 h，腸道沙門氏菌被有效清除［29］。

2 微藻處理廢水種類

2.1 市政廢水

市政廢水中的COD、氮磷含量相對于一些工業(yè)廢水不高，微藻對硝酸鹽和磷酸鹽的吸收和去除可以有效降低廢水中的氮磷含量。王雪飛［30］利用鈍頂螺旋藻處理市政廢水，結(jié)果表明，廢水中氨氮、總磷、總氮的去除率分別達(dá)98.52%～99.03%、88.25%～96.81%、90.43%～95.22%。朱新曼等［31］用萊茵衣藻處理市政廢水，結(jié)果表明萊茵衣藻在污水中的生長狀況良好且對總磷、總氮和COD具有較好的處理效果，去除率分別達(dá)到98.7%、72.6%、81.5%。微藻對于廢水的深度處理也有較好的效果：郝凱旋等［32］用混合微藻和活性污泥處理山東建筑大學(xué)污水處理廠二級出水，與活性污泥法對比發(fā)現(xiàn)，菌藻共生系統(tǒng)對氨氮和磷的去除率高達(dá)80%～90%。市政廢水的有毒物質(zhì)含量較低，污染物多為氮磷，所以微藻對市政廢水有很好的處理效果，且微藻可以產(chǎn)生高價值生物質(zhì)，因此可以提高市政廢水的資源回收效率。

2.2 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水種類繁多、成分復(fù)雜，有其特有的水質(zhì)特點，對于不同廢水一些藻種有高效的處理能力。微藻具有較高表面積，已被用于紡織廢水處理和乙烯砜染料的去除。微藻細(xì)胞壁對染料的去除機(jī)理主要包括生物吸附、靜電吸引、絡(luò)合和生物轉(zhuǎn)化等，組成官能團(tuán)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，蛋白核小球藻還被廣泛用作去除活性染料的生物吸附劑［33］。食品工業(yè)廢水營養(yǎng)物質(zhì)豐富、毒性小且排放量大。有研究用食品工業(yè)廢水培養(yǎng)鈍頂螺旋藻，既實現(xiàn)廢水污染指標(biāo)的降低，也產(chǎn)生出高價值產(chǎn)物藻藍(lán)蛋白［34］。利用小球藻處理啤酒廢水，探究單獨小球藻及菌藻共生處理對啤酒廢水處理的效果，表明菌藻共生的處理效果更好，COD、TN、TP的去除率分別為81.3%、82.6%、74.1%［35］。

高濃度有機(jī)廢水是一種有機(jī)物含量高且成分復(fù)雜的工業(yè)廢水，有些廢水COD含量每升高達(dá)幾萬乃至幾十萬毫克。本實驗室利用微藻對高濃度有機(jī)廢水（粉絲廢水）進(jìn)行處理，由于其COD含量高達(dá)20 g／L，在微藻處理前要進(jìn)行預(yù)處理，將現(xiàn)有的廢水處理技術(shù)與微藻處理方法有效結(jié)合。本實驗室從粉絲廢水中分離篩選出3株藻種，分別為普通小球藻、單針藻、蛋白核小球藻，通過稀釋實驗得到的蛋白核小球藻可以在COD為7 g／L的高濃度粉絲廢水中生長。接下來通過探究微藻在粉絲廢水中的碳、氮、磷營養(yǎng)比例，優(yōu)化出處理效果好、高生物量的培養(yǎng)條件及篩選出高效藻種，以進(jìn)一步探究其在高濃度有機(jī)廢水處理中應(yīng)用的可行性。對于不同工業(yè)廢水的水質(zhì)特點，不同藻種、處理條件、培養(yǎng)模式等可以對工業(yè)廢水有不同的處理效果，選擇適合的藻種及條件可以使微藻處理工業(yè)廢水得到更好的應(yīng)用（圖2）。

圖2 微藻處理廢水可持續(xù)循環(huán)圖

2.3 農(nóng)業(yè)廢水

微藻可以生物吸附和生物降解廢水中包括農(nóng)藥在內(nèi)的各種有機(jī)物，將其作為自身可利用的營養(yǎng)物質(zhì)。生物吸附主要為吸附沉淀、表面絡(luò)合、離子交換等；生物降解主要是微藻產(chǎn)生的酶可以降解農(nóng)藥中分子的化學(xué)鍵。Hussein等［36］利用小球藻去除農(nóng)藥草達(dá)滅、西瑪津、丙炔、樂果等，分別進(jìn)行短期及長期試驗，結(jié)果表明，小球藻對農(nóng)藥廢水有一定的去除效果，且長期試驗的效果較好。

隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷擴(kuò)大及規(guī)?；l(fā)展，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生大量廢水，這些廢水中含有較高的氮、磷、重金屬及抗生素等，處理不當(dāng)會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。近幾年利用微藻處理養(yǎng)殖廢水的研究較多：有研究選用普通小球藻（Chlorella vulgaris）、卵囊藻（Oocystissp.）、卵形隱藻（Cryptomonas obovate）、舟形藻（Navicula pelliculosa）4種淡水微藻，處理模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，最終選用小球藻、卵形隱藻分別構(gòu)建菌藻共生系統(tǒng)，結(jié)果均表現(xiàn)出比單藻系統(tǒng)更高的生物量及氮、磷去除率［37］。程海翔［38］從養(yǎng)豬場廢水處理池中分離出一株柵藻，并研究其處理養(yǎng)豬廢水的能力，結(jié)果表明柵藻對養(yǎng)豬廢水有較好的處理效果，其中COD、氨氮、總氮、總磷、Zn、Cu去除率分別達(dá)到41.8%、97.3%、87.9%、93.2%、30.1%、50.1%。隨后也有研究證明此柵藻的處理能力優(yōu)于小球藻等［39］。呂俊平等［40］等通過設(shè)置綠球藻的初始接種濃度（25～400 mg／L），研究其對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理效果及微藻生長特性，結(jié)果表明，初始接種濃度為100 mg／L的藻液，其生長特性最佳，比生長速率最大，5 d內(nèi)綠球藻對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中COD、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷的去除率分別為96.92%、98.08%、98.67%、91.42%、98.36%。

微藻處理農(nóng)業(yè)廢水有很好的效果（表1），同時獲得的生物質(zhì)可做肥料、飼料等，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)循環(huán)，因此微藻用于農(nóng)業(yè)廢水處理具有很好的發(fā)展前景。

表1 微藻處理不同種類廢水

3 影響微藻處理效果的因素

3.1 廢水特性

不同來源廢水其水質(zhì)特點也不相同，pH值、溫度、氨氮、有機(jī)物、重金屬及其他有毒物質(zhì)等含量不同，對微藻生長有很大影響。如畜禽廢水氨氮含量較高、啤酒廢水有機(jī)物含量較高等［54］。在處理廢水過程中，微藻最適培養(yǎng)條件與廢水特點有時不能完全契合，一般用兩種方式進(jìn)行培養(yǎng)。一是篩選培養(yǎng)適合其廢水特點的微藻，如從廢水中分離篩選出微藻利用于處理廢水本身；二是將廢水成分比例進(jìn)行優(yōu)化，使微藻更適合在特征廢水中生長。

3.2 光照強(qiáng)度與光照周期

光照強(qiáng)度和光照周期是影響微藻生長速率和生物量的重要因素，也是廢水中污染物去除效率的重要影響因素。有研究表明光照強(qiáng)度與微藻生物量呈正相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)較高的光照強(qiáng)度結(jié)合外源CO2不僅可以促進(jìn)生物量的增加，還可以增強(qiáng)市政廢水COD和氮的處理效果［55］。有學(xué)者研究了微藻－細(xì)菌復(fù)合體在3種不同光照周期條件下（12h／12h、36h／12h、60h／12h）對養(yǎng)分去除和生物量產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明，碳的去除與暗周期的長短呈正相關(guān)，而氮、磷則呈相反的變化趨勢，說明光－暗周期是微藻處理廢水的關(guān)鍵影響因素［56］。說明優(yōu)化光照強(qiáng)度和光照周期條件，可以獲得更高的生物質(zhì)及廢水處理效果。

3.3 碳氮比和氮磷比

碳氮比（C／N）和氮磷比（N／P）在微藻對養(yǎng)分同化中起著重要作用，不僅對生物量非常關(guān)鍵，而且對微藻生物質(zhì)生產(chǎn)有著重要影響。平衡C／N是促進(jìn)微藻碳、氮同化的一種直接有效的途徑。C／N為5～20對廢水處理效率和生物質(zhì)產(chǎn)量的影響研究表明，C／N較低即5和10時，對COD去除率較好，而C／N值為20時對微藻的生長及其污染物去除能力有抑制作用。隨著C／N值增加，生物量呈下降趨勢，而脂肪含量則呈相反趨勢。在C／N為15時，油脂產(chǎn)率最高，COD、氮、磷去除率分別為87.2%、90.5%、88.6%［57］。

N／P值隨廢水來源不同而差異較大，微藻可以根據(jù)廢水中N／P來協(xié)調(diào)生物質(zhì)生產(chǎn)。氮或磷含量超負(fù)荷都會顯著影響微藻結(jié)構(gòu)和功能；廢水氮含量低會限制微藻對磷的吸收能力，但會增加生物量中碳水化合物和脂類的比例［58］。因此，足夠的氮是提高微藻除磷效率的途徑之一。有研究發(fā)現(xiàn)，生物量在N／P為10時達(dá)到最大值，然后隨著N／P值的增加而下降，TP去除率與生物量的變化趨勢一致［59］。氮磷條件是影響微藻生長和油脂積累的重要因素之一。尿素可以促進(jìn)微藻生長，但不利于油脂積累；缺氮培養(yǎng)在刺激微藻油脂積累的同時會降低微藻的生物量，導(dǎo)致其產(chǎn)率降低［60］。在微藻凈化廢水的同時優(yōu)化碳氮比及氮磷比可以促進(jìn)高質(zhì)量生物質(zhì)的生產(chǎn)，實現(xiàn)可持續(xù)資源利用。

4 局限與展望

藻類可以去除廢水中多種污染物質(zhì)，但對不同污染物的去除能力不同。微藻對廢水中氮、磷有很好的去除能力，而對碳的去除特別是有機(jī)碳的去除能力有限，對一些新出現(xiàn)的污染物和重金屬等潛力未知。目前很多新型微藻處理廢水技術(shù)還停留在實驗室階段，沒有大規(guī)模運(yùn)用到實踐中；盡管利用微藻處理廢水簡單有效，但存在下游采收及加工成本高、生產(chǎn)規(guī)模小等問題。為使微藻得到更好的發(fā)展利用，在微藻處理廢水前，應(yīng)優(yōu)先考慮不同藻類對特征廢水的適應(yīng)情況及抑制因素，這是微藻處理廢水效率、生物量提升及高價值生物質(zhì)產(chǎn)生的必要前提。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在微藻處理廢水方面做了很多研究。微藻除了對廢水中的氮、磷有很好的處理效果外，對碳的固定也有很好的前景，并對新型污染物去除有一定潛力。某些微藻可以去除某種特定污染物或產(chǎn)生高價值的生物質(zhì)，將微藻凈化廢水和生物質(zhì)生產(chǎn)偶聯(lián)技術(shù)應(yīng)用到實際上，從而產(chǎn)生雙重效益，是微藻處理廢水的未來發(fā)展趨勢。對微藻產(chǎn)業(yè)規(guī)?；约吧镏破焚|(zhì)量的提高需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，實現(xiàn)資源的可持續(xù)化循環(huán)。進(jìn)一步探究菌藻共生的潛力，探索藻菌共生體系對碳、氮、磷、重金屬等污染物的富集或降解機(jī)制以及協(xié)同降解機(jī)制，尋求微藻處理廢水的新方式，是微藻應(yīng)用于廢水處理的研究趨勢。

今后需將現(xiàn)有的廢水處理技術(shù)與微藻處理方法相結(jié)合，建立技術(shù)模式簡單、基礎(chǔ)成本低和處理效率高的微藻處理廢水集成工藝；且深度開發(fā)并優(yōu)化新型高效微藻處理廢水技術(shù)并結(jié)合工程方法，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，使微藻處理廢水技術(shù)具有更廣闊的發(fā)展前景。