微藻用于城市污水深度处理的研究进展

李晨旭，彭 伟，方振东，刘 杰

(1.陆军勤务学院研究生大队，重庆 401331；2.陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331)

微藻用于城市污水深度处理的研究进展

李晨旭1，彭 伟1，方振东2*，刘 杰2

(1.陆军勤务学院研究生大队，重庆 401331；2.陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331)

脱氮除磷是城市污水深度处理的重要环节。与传统的污水深度处理工艺相比，微藻处理工艺具有氮、磷去除率高、运行能耗低、同步固碳等诸多优点。简要介绍了微藻深度去除城市污水中氮、磷的机理，从藻种的选择、生物质产量的提高以及藻固定化技术等3个方面阐述了微藻深度处理城市污水的研究进展，指出了微藻深度脱氮除磷的技术瓶颈，并对其发展前景进行了展望。

城市污水；深度处理；脱氮除磷；微藻

城市污水是“空间错位”的资源，而污水回用可为解决水资源日益短缺的问题提供新的思路[1]。相比于污水，回用水与人的距离更近，因此对水质有着更高的要求，传统水处理工艺已难以满足回用水的相关标准[2-3]，污水深度处理越发受到关注。当今主流的污水深度处理方法包括生物法和物化法。常见的生物法生物处理工艺包括曝气生物滤池、人工湿地等，物化法包括膜过滤法、高级氧化法、吸附法、混凝法等[4]，各种典型处理方法的优缺点见表1。上述方法中，鲜有方法能够实现氮、磷含量的高效同步降低[12]。

1953年，Oswald首次对氧化塘中的小球藻进行了研究，发现其在深度去除氮、磷的过程中具有巨大的潜力。此后，学者对微藻深度处理污水的机理以及可行性进行了深入的研究。与其它污水深度处理方法相比，微藻深度处理技术具有以下优势：(1)微藻可以通过光合作用同化水中的氮和磷，适合二级出水的深度处理；(2)微藻属于自养型生物，培养过程中无需外加碳源，在脱氮除磷的同时，可以实现空气中CO2的固定，并生成O2，提高了水中溶解氧的含量；(3)回收价值高。传统硝化、反硝化工艺最终将大部分氮元素转化为氮气，资源回收率低[13]，而微藻将氮、磷元素转化为生物质，可以作为饲料、堆肥或生产生物质燃油等的原料[14-15]。作者综述了微藻深度去除城市污水中氮、磷的研究进展，并对未来的研究方向及发展前景进行了展望。

表1多种污水深度处理方法优缺点对比

Tab.1Comparison of advantages and disadvantages of several advanced treatment methods

1 微藻去除氮、磷的机理

1.1 微藻去除氮元素机理

微藻吸收氮元素合成蛋白质、核酸、叶绿素等胞内活性物质。在城市污水中，氮元素主要以氨氮、硝氮、亚硝氮以及有机氮(尿素等)等形式存在。硝氮、亚硝氮分别在硝酸盐还原酶以及亚硝酸盐还原酶的作用下转化为氨氮，同直接吸收的氨氮一同并入碳骨架，真核微藻中无机氮代谢途径见图1。

图1 真核微藻中无机氮的代谢途径Fig.1 Metabolism pathway of inorganic nitrogen in eukaryotic microalgae

微藻同化氨氮的重要途径是谷氨酰胺合成酶途径[16]，过量吸收氨氮会抑制叶绿体光合作用从而对微藻的生长产生不利影响。谷氨酰胺合成酶途径有效地将多余的氨氮与谷氨酸合成谷氨酰胺，降低毒性；此外，微藻进行光合作用使水呈碱性(pHgt;9)，碱性环境利于水中氨的挥发，也起到了除水中氮的作用，但是过高的游离氨含量会抑制微藻生长[17]。在多种氮源同时存在的条件下，微藻会优先利用还原态氮[18]。由于氨氮的谷氨酰胺合成酶途径与硝氮还原对ATP形成竞争，氨氮的存在会抑制硝氮的吸收[19]。

1.2 微藻去除磷元素机理

磷元素是微藻合成ATP、DNA、RNA、NADPH(还原型辅酶Ⅱ)等的必要元素。在城市污水中，磷元素主要以正磷酸盐及有机磷的形式存在。有机磷在微藻磷酸盐胞外酶的作用下分解为正磷酸盐。除吸收维持生命活动所需的磷元素之外，微藻还可以过度吸收磷元素储存于细胞中，过度吸收的磷酸盐在藻细胞内被转化为聚磷酸盐，一般分为酸溶性聚磷酸盐以及酸不溶性聚磷酸盐两种。酸溶性聚磷酸盐链较短，可以短期储存磷元素，酸不溶性聚磷酸盐链较长，可长期储存磷元素。研究表明，在磷酸盐浓度高于5 mg·L-1的环境中，酸溶性聚磷酸盐积累；而酸不溶性聚磷酸盐在各磷酸盐浓度(lt;30 mg·L-1)下均有积累，一旦环境中磷酸盐浓度不足，酸不溶性聚磷酸盐会迅速分解[20]。将处于缺磷环境中的微藻重新投入富磷环境中，会出现“过度补偿”现象，藻细胞过度吸收磷酸盐并储备为聚磷酸盐，磷元素的去除速率迅速升高，这也是利用“饥饿处理”方式短期提高磷去除效率的理论依据[21]。

2 微藻深度处理城市污水的研究进展

2.1 藻种的选择

土著型微藻。选用在低碳氮比及较高氮、磷含量环境下具有深度脱氮除磷能力、环境适应性较强的藻种进行培养。栅藻、螺旋藻及小球藻[22-24]具有增殖能力强、环境耐受性好等优点，成为应用广泛的藻种。Salsali等[25]在污水厂二级出水中采集到小球藻和螺旋藻，并对其进行纯培养与混合培养，水力停留时间为8 d，氨氮及磷的去除率高达92.9%和95.8%，出水氨氮、磷含量分别为3.15 mg·L-1和0.04 mg·L-1，远低于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准(氨氮lt;5 mg·L-1，总磷lt;0.5 mg·L-1)[2]。Zhang等[26]利用栅藻处理二级出水，进水总氮、总磷含量分别为16 mg·L-1和0.8 mg·L-1，依托鼓泡式柱状光生物反应器，水力停留时间为24 d，总氮、总磷去除率均达到98%以上。唐斐[27]采用PCR-DGGE技术对污水处理厂二沉池水中优势藻种进行鉴定，发现短带鞘藻为优势藻种，并通过改变氮磷比、对比不同固定化填料等方式进行优化，提高了反应器脱氮除磷能力，在低营养盐条件(总氮浓度lt;5 mg·L-1，总磷浓度lt;0.5 mg·L-1)下，水力停留时间为7 d，总氮、总磷去除率均达到99%以上。表明，土著型微藻对低营养环境具有较强的适应能力，并表现出了良好的深度脱氮除磷能力。在实际工程中，建议优先选用土著型微藻，不仅易于培养，而且具有良好的环境适应能力，降低培养成本。

经济型微藻。在充分考虑脱氮除磷效果的前提下，尽可能选用生物质产量高、附加值产物多、易回收等可以减少成本或增加经济收益的藻种进行培养[28]。钟成华等[29]选取栅藻、普通小球藻、布朗葡萄藻等3种脂质含量高的藻种，考察其对城市污水的耐受性以及氮、磷去除能力。结果表明，栅藻表现出最好的耐受性，藻密度最高可达1.43×107mL-1，藻细胞最大干重1.6 g·L-1，油脂含量达到26.34%。进水总氮、总磷平均浓度分别为31.3 mg·L-1和4.94 mg·L-1，水力停留时间为18 d，总氮、总磷去除率均达到95%以上。韩琳[30]在受污染湖泊中分离出高油脂含量的栅藻藻种，考察其对人工配制污水的氮、磷去除能力。结果表明，藻细胞最大干重0.45 g·L-1，油脂含量达到25.45%，其中油酸含量高达43.65%，油酸为生产生物柴油的最佳成分之一。进水氨氮、总磷平均浓度分别为44 mg·L-1和4.2 mg·L-1，水力停留时间为12 d，氨氮去除率为65%，总磷去除率达到99%以上。Cho等[31]在污水处理厂的厌氧消化池出水中分离出高生物质产量的小球藻藻种，并利用污水厂初沉池水、厌氧消化池出水以及污泥浓缩脱水回流水混合进行培养。结果表明，在厌氧消化池出水和污泥浓缩脱水回流水以1∶9比例混合的污水中培养，小球藻细胞干重最大，可达3.01 g·L-1，是在BG11培养基中培养获得细胞干重的1.72倍。总氮、总磷平均浓度分别为250 mg·L-1和15 mg·L-1，水力停留时间为5 d，出水可达到我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。表明，在充分保证脱氮除磷效果的前提下，可以选用具有细胞干重大、生物质产量高的经济型微藻，实现环境保护与经济价值的双赢。

2.2 生物质产量的提高

除了选择合适的藻种，研究人员还通过鼓入CO2、优选碳源、混合培养、添加Fe、Si、S等元素等方式[32-35]，在工程操作层面增加微藻的生物质产量，降低微藻深度处理城市污水的成本，为微藻深度处理城市污水的工程实践提供理论指导。Kassim等[36]在培养小球藻和干扁藻时，鼓入不同浓度CO2，发现通入CO2浓度为5%～15%时，生物质含量明显增加，并对生物质组分进行深度研究，发现通入不同浓度CO2可以改变生物质中脂质、蛋白质等组分的比例。在实际工程中，将工业烟道尾气作为微藻的CO2来源，可以实现微藻生物质含量提高以及烟道尾气中CO2含量降低的“双赢”。Gupta等[37]在培养普通小球藻的过程中额外投加有机碳源，对比了葡萄糖、甘油、乙酸3种碳源对小球藻生物质产量的影响。结果表明，葡萄糖对小球藻生物质积累有显著促进作用，与未加葡萄糖的污水相比，加入葡萄糖实验组小球藻生物质积累量是前者的3倍(0.4 g·L-1，1.23 g·L-1)；进一步研究发现，加入葡萄糖对小球藻生物质积累的促进作用存在浓度极限值(5 g·L-1)，超过极限值，促进作用不明显，反而会增加污水中COD含量以及运行成本。Chen等[38]通过代谢通量分析，发现Fe、Si等元素可以改变微藻代谢途径从糖合成转化为脂质合成，对微藻生物质积累起到十分关键的作用。Zhao等[39]利用栅藻对曝气生物滤池、A2O工艺以及膜生物反应器3种工艺的二级出水进行深度处理，并在二级出水中加入2 mg·L-1Fe3+。结果表明，与未加Fe3+的二级出水相比，加入Fe3+的二级出水中培养的藻脂质含量提高了17.4%～33.7%，脂质产量提高了21.5%～41.8%。

近年来,随着现代生物技术的迅速发展，利用基因工程技术提高微藻的脂质产量逐渐成为可能。藻细胞中脂质的代谢合成途径见图2[40]。

图2 藻细胞中脂质的代谢合成途径Fig.2 Metabolic synthesis pathway of lipid in algae cells

在此代谢途径中，磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)既可以通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的作用进入三羧酸循环(TCA)，又可以在丙酮酸脱氢酶复合酶(PDH)等酶的共同作用下形成自由脂肪酸(FFA)[41]，其中，乙酰辅酶 A在乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)的催化下生成丙二酸单酰辅酶A(Malonyl-CoA)是生成脂质的起始步骤，而脂肪酸合成酶(FAS)延长脂质链长则是生成脂质的关键步骤。已有实验尝试将外源高产油植物的ACCase基因导入硅藻、绿藻中以提高脂质产量，但效果并不明显[42]。Deng等[43]通过抑制莱茵衣藻细胞中PEPC的表达，将脂质产量提高了20%。基因工程在增加藻生物质产量方面展现出了极大的潜力。目前，基因工程藻用于实践存在的主要问题有：微藻脂肪酸代谢途径机理不清晰[44]；基因改造对微藻脱氮除磷能力的影响尚不明确；基因改造所引入的外源基因存在的环境风险尚不清楚等。基因工程藻能否运用到污水的深度处理并实现工程化，还需要进行更深入的研究。

2.3 藻固定化技术

固定化技术可以实现微藻的密集培养，缩短水力停留时间，强化微藻脱氮除磷的能力，在微藻深度处理城市污水工程化领域备受关注。海藻酸钠、褐藻胶、卡拉胶是常见的固定化材料[45]。其中，海藻酸钠具有较好的渗透性、无毒性以及高透明性而成为应用最广泛的固定化材料[46]。王颖[47]利用海藻酸钠、壳聚糖包埋的小球藻对城市污水进行深度处理，通过调节制胶球时的藻液浓度控制胶球中细胞数。结果表明，以壳聚糖为固定化载体的小球藻具有更高的脱氮除磷能力，在500万/胶球藻密度下，水力停留时间为5 d，总氮、总磷去除率达到93.6%和97.5%。陈丽萍等[48]比较了悬浮态栅藻及固定化栅藻对城市污水深度脱氮除磷的能力。结果表明，进水总氮浓度为25 mg·L-1，水力停留时间为4 d，扣除胶球吸附的氮量，悬浮态栅藻及固定化栅藻的总氮去除率分别为85.6%和94.3%；进水总磷浓度为3 mg·L-1，水力停留时间为1 d，扣除胶球吸附的磷量，悬浮态栅藻及固定化栅藻的总磷去除率分别为80.0%和76.7%，2 d内均完全去除。

目前悬浮藻的收集主要通过化学絮凝、离心、电絮凝、过滤、浮选等方法[49-51]。据报道，微藻的收集成本占利用藻生产附加值产品总成本的20%～40%[52]，极大限制了藻深度处理污水的工程应用。藻固定化技术不仅节约了回收成本，还可以减小工程占地面积，通过固定化技术将微藻附着在载体上，提高了微藻抗水力冲击能力，可以保证出水水质更加稳定[53]。

3 结语

虽然微藻深度处理城市污水与传统的处理工艺相比有诸多优势，但大多数研究还处于实验室阶段，仍存在些许问题限制其在工程应用中的推广：(1)藻密度提高困难[54]。污水深度处理营养物浓度低、光照不足、光照不均匀等原因会抑制藻密度的提高，藻密度的不足导致了单位体积生物量低、氮磷去除率低、微藻回收困难、水力停留时间长等问题；(2)藻富集量高、生物亲和性好的固定化材料价格较贵，增加了工艺成本；(3)大多数用于污水深度处理的微藻，其最佳生存温度范围为20～35 ℃，冬季期间的持续低温会抑制微藻的活性，影响其深度处理城市污水的能力；(4)微藻在培养过程中，会释放代谢产物，在批次处理模式中，胞外代谢产物的积累会造成出水COD的不稳定，有些代谢产物甚至还会引起水体发臭[55]。因此，研发高密度、高效的藻生物反应器，寻求低成本、易回收利用的固定化技术，研究污水深度处理中微藻的代谢途径和代谢周期、选择最佳培养模式和收集时间，研究在极端环境(低温、高盐等)中生存微藻的脱氮除磷能力等将是未来的研究方向。

污水深度处理及资源回收利用是未来水处理工艺的发展方向，加强微藻深度处理城市污水的研究，不仅可以实现水资源以及氮、磷等资源的多重循环利用，而且可以缓解水体污染和水资源短缺等诸多问题，符合可持续发展战略及循环经济原则，具有广阔的应用前景。

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ResearchProgressinAdvancedMunicipalSewageTreatmentbyMicroalgae

LI Chen-xu1，PENG Wei1，FANG Zhen-dong2*，LIU Jie2

(1.DepartmentofGraduateManagement，ArmyLogisticsUniversityofPLA，Chongqing401331，China；2.DepartmentofMilitaryFacilities,ArmyLogisticsUniversityofPLA，Chongqing401331，China)

The removal of nitrogen and phosphorus plays an important role in the advanced treatment of municipal sewage.Compared with other advanced wastewater treatment processes，microalgae treatment has more advantages such as high removal rate of nitrogen and phosphorus，low energy consumption，and simultaneous carbon fixation,etc.We briefly introduced the removal mechanism of nitrogen and phosphorus in municipal sewage by microalgae,and reviewed the research progress in advanced municipal sewage treatment by microalgae from three aspects:algal species selection，biomass yield improvement,and algal immobilization technology.Finally，we pointed out the technological difficulties of the advanced removal of nitrogen and phosphorous by microalgae,and prospected its future development.

municipal wastewater；advanced treatment；removal of nitrogen and phosphorus；microalgae

重庆研究生科研创新项目(CYB16126，CYS17301)，海军后勤科研计划项目(CHJ13J021)

2017-07-07

李晨旭(1993-)，男，山东济南人，硕士研究生，研究方向：水处理理论与技术，E-mail：1154045727@qq.com；通讯作者：方振东，教授，E-mail：fzdhg@tom.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.11.002

李晨旭，彭伟，方振东，等.微藻用于城市污水深度处理的研究进展[J].化学与生物工程，2017，34(11)：5-10.

X52

A

1672-5425(2017)11-0005-06