藻类生物脱氮除磷技术研究进展

蔡元妃，宋桂萍

（河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243031）

随着人类活动区域的不断扩展，对环境的污染也逐步加剧，尤其水环境污染已成为一个世界性的环境问题.水体中过度排入氮、磷等营养元素，导致湖泊水体富营养化加剧[1]，引起了全社会的共同关注.从目前的研究情况来看，传统的脱氮除磷工艺在污水氮磷去除方面取得了巨大的进展，但仍存在N和P同时去除效果不佳、投资成本高等问题[2].而随着微生物学研究的不断深入，藻类生物脱氮除磷技术越来越受到学者的关注和重视[3].本文就藻类脱氮除磷的原理和发展作了详细介绍.

1 藻类生物脱氮除磷原理

藻类能够通过光合作用将氮磷等无机元素合成自身营养物质.在自然光照条件下，藻类以CO2或有机碳为碳源，消耗水中的N和P以满足自身生长的需要，同时释放氧气，增加水体中的溶解氧浓度，提高水体质量.Stumm和Morgan提出藻类的分子式近似为C106H263O110N16P，藻类光合作用反应方程式如公式（1）.

藻类中的含氮营养元素包括无机氮和有机氮[4]，是藻类的重要元素之一，约占藻类总干重的10%.藻类通过光合作用摄入氨氮，氨基酸等自身所需的物质，对不同形态N的利用顺序为：NH4+＞NO3-＞简单有机氮（如尿素、简单的氨酸等）[5].可见，藻类所能摄入的氮源并不是单一形式，除了自养方式之外，还能直接吸收多种有机氮如尿素、氨基酸等，达到兼性营养的目的，例如束毛藻还能固定大气中的氮气并加以利用[6].城市污水中，氨氮及有机氮所占比例较多，有利于藻类生长对氮源的摄入，达到除氮的目的.

污水中磷的存在形式主要是磷酸盐和有机磷.Lau等人[5]研究表明磷主要以无机离子H2PO4-、HPO42-的形式被吸收，用于能量传递和核酸合成，其消耗量与细胞内的磷浓度、pH值、Na＋、K+、Mg2+等离子的浓度和温度等有关，一般反应式为：ADP+Pi→ATP.由此可见，磷元素的含量将会直接影响藻类的生长.

2 藻类生物脱氮除磷研究

2.1 悬浮态藻类脱氮除磷

1957年，Oswald等人[7]根据污水中含有光合作用必要的营养元素和藻类能释放污水好氧处理所需要的氧气等这些特点，提出通过藻类光合作用去除污水中含有的营养物质和氮、磷等营养元素.自此之后，以藻菌共生自净为原理的稳定塘技术得到迅速发展.传统稳定塘和高效藻类塘是悬浮态藻类的主要应用形式.

传统稳定塘是藻类的最初应用形式，具有基建投资省、无需逐日排泥、去除寄生虫卵、污水无短流且设计简单等优点.稳定塘中营养物质的去除主要依赖于细菌和藻类，小球藻、衣藻等绿藻是主要的藻类.然而也日益显现很多问题，如较长的水力停留时间、占地大、净化功能易受外界影响等缺点也日，由此Oswald等人提出了高效藻类塘技术.

高效藻类塘是基于传统稳定塘的发展起来的，其不同特征主要表现在以下4个方面：（1）塘深一般在0.3-0.6米之间，传统的稳定塘深度则一般在0.5-2米之间；（2）塘内廊道中有垂直放置的连续搅拌装置，用于增加水体氧含量；（3）水体停留时间较短，且随季节变化，通常为4-10天，相较于传统稳定塘缩短了7-10倍；（4）一般分有几个廊道，宽度较窄.根据实地研究和应用表明高效藻类塘去除污水中的营养物质是有效的，也解决了传统稳定塘水力停留时间过长、占地过大等问题，同时有利于促进藻类生长[8].但是，高效藻类塘仍受外界环境的影响，如光照、温度等，这些自然条件的人为操作性不强.根据相关文献研究报道[9]，水体温度能够影响藻类吸收太阳能，在不同水温中，20℃时藻类的利用率最高，其他水温表现为越接近20℃其相应利用率越高.另外，高效藻类塘不能有效和最低成本的去除水中悬浮的藻类生物[10]，同时藻类生物量的多少又是污水处理效果的关键[11].综上，收集污水处理后水体中的藻类生物量，并且确保处理系统的净化效果是一种新的研究趋势.因此，固定化藻类技术的研究已成为另一个研究热点.

2.2 固定化藻类脱氮除磷

上世纪80年代，Chevalier等人[12]首先提出了将固定化藻类用于污水处理，提高单位面积藻细胞浓度，解决稳定塘技术中藻类生物量收集过难的现象，保证出水水质.而理想的藻类固定方法包括侵入吸附和主动包埋.侵入吸附取决于藻类本身的特性，如纤丝状藻类可以侵入和集落在其他介质上，利用这一特性可以将其固定在基质上；主动包埋则适用于大多数藻类，其基质包括天然、人工合成的高分子物质.目前，藻类固定化脱氮除磷技术研究的主要集中在藻种筛选、藻类组合去除效果和不同氮磷浓度对藻类生长及系统稳定性的影响.

2.2.1 藻种筛选

目前已知的藻类有三万种左右，而真正研究并加以应用的藻类只是很少的一部分.不同藻类的在不同水质、不同状态下的脱氮除磷能力差别往往很大，因而针对不同藻种对不同水质脱氮除磷能力的研究是必要的.李川等人[13]对固定、悬浮两种状态下的蛋白核小球藻、双对栅藻和鱼腥藻作了研究，观察其对污水中氨氮和硝酸氮的净化效率以及藻类的生长特性，实验采用海藻酸钙凝胶包埋固定化技术.结果表明：固定状态下的藻细胞比悬浮态下的具有更稳定的生长、具备更长的活性时间，同时小球藻和鱼腥藻对污水中氮元素的去除最高.另外，藻类对水中营养物质的去除、氮磷形态等具有选择性，因而根据藻类的选择性等点形成藻种组合，可以达到更好的污水处理效果.

2.2.2 藻类组合研究

藻类组合是实现藻类优势互补，以期实现营养物质、氮磷的高效去除率.Shi等人[14]将普通小球藻和栅藻固定于基质层和原始层两层系统中，研究了废水中氮磷的去除率，其中基质层用于附着，原始层提供生长培养基.利用这种固定方法藻类能达到100%的固定，通过废水试验，9天后氮磷浓度为初始浓度的10%.通过藻类组合能够达到水体的最佳净化效果，但组合方式众多.因此，实际推广应用中藻类组合的形式需要更多的研究.

3 外界因素对藻类生长及系统稳定性的影响

氮磷比等外界因素往往是藻类生长和系统稳定性至关重要的因素.Xin等人[15]研究了不同氮磷浓度对栅藻生长、营养物质摄取以及脂质积聚方面的影响，结果显示：氮磷比为5:1-12:1时，氮的去除率可达到83%-99%，磷的去除率为99%；在氮浓度为2.5mg·L-1的限制条件下，栅藻可积聚脂质为其生物量的30%，而限制磷浓度为0.1mg·L-1，积聚脂质为其生物量的53%.

2.3 藻类生物膜脱氮除磷技术研究

由于固定化藻类技术的高成本等局限，有些学者进行了藻类生物膜技术研究.马沛明等人[16]在实验室条件下对以巨颤藻为优势藻种的藻类生物膜在人工合成污水、二级污水以及富营养化状态下的湖水中氮、磷的去除效果作了研究.通过5天的试验，藻类生物膜对人工合成污水、二级污水和富营养化下的湖水总氮(TN)去除率分别为57.1%、94.5%和93.8%，对总磷(TP)去除率分别为93%、73%和79%.Boelee等人[17]将藻类生物膜作为市政污水厂的后期处理阶段，结果表明在230umol·(m2·s)-1连续照明下，污水中氮磷量分别为1.0g·(m2·d)-1、0.13g·(m2·d)-1时，藻类生物膜摄入氮磷能力最高.

3 藻类生物脱氮除磷技术研究展望

藻类生物技术在脱氮除磷方面显现了独特的优势，但由于藻种的纷繁众多、应用的不断深入，还有许多问题有待解决.主要表现在以下5个方面：

（1）固定化载体开发.藻类固定化需要选择理想的固定化载体，以获得藻类自身的最佳生物量，保证出水水质.常见固定化载体中存在耐生物分解性不够，对生物具有毒性或是成本过高等问题，没有一种真正廉价且性能优良的固定化载体.因此，开发复合型固定化载体，改良其特性，是推广研究藻类固定化技术的重要内容之一.

（2）优势藻种的筛选.通过对藻种的选育和改良，筛选出对污水处理效果良好、且营养价值高的藻类，能够高效降解水体中有机物和氮磷营养元素的藻种，缓解全球性富营养化问题.

（3）组合藻种的研究.藻种对水体的净化通常具有一定的偏好，通过组合，可以发挥各种藻类的优势，同时增加藻类系统的稳定性，从而达到优良的处理效果.

（4）藻类机理研究.通过研究藻类净化水体的机理研究，可以更好地实现人工干预，实现高效的净化效果，如控制不同氮磷比以实现藻类的最佳生物量.

（5）藻类生物膜活性研究.目前对藻类生物膜的研究显现了其潜在的脱氮除磷能力，但对生物膜活性的研究仍较少，需要进一步的研究以实现更好的推广应用.

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