基于微藻培养的污水净化与资源化技术研究

冯金东

摘 要：水污染问题从近代以来就一直困扰着人们。为此，人们采用了各种方法试图克服这个问题。然而，现在世界范围内所采用的最为广泛的污水净化法，活性污泥法，仍然存在着不少的问题，比如过程控制难度大，成本高，污染物去除率低下等等。所以人们试图使用其他方法替代掉活性污泥法以解决这些缺点。其中最为突出的是微藻法。污水中的主要污染物：总氮，总磷，COD等，都是微藻生长所需要的养料。因此可以以污水作为微藻的“培养基”，让微藻吸收水中的污染物从而达到净化污水的目的。同时，成熟后的微藻内的生物质也可以用于副产品的制造。

关键词：微藻;污水净化;悬浮附着微藻培养法;总氮总磷去除;油脂

一、绪论

时至今日，水污染已经成为了最严重的生态问题之一。它在发展中国家和发达国家都存在，只是具体的情况有所差别。在美国，有59%的人们都在担心他们的饮用水是否被污染（Saad L.，2009）。在马来西亚，由于污水的大量排放，尽管存在保护水质的立法，在2013年由环境部监测的340条河流中，大约25条河流被列为高度污染（Mariani Ariffin等，2015）。在日本，一组研究人员对当地地下水水质的调查中发现，40个分区中有15个分区的硝酸盐含量超标（Wang，S等，2015）。同样，在我国，2017年的全国污水总排放量为6996610万吨（中国统计出版社，2019），几乎是2000年污水总排放量（1942405万吨）的3.6倍（中国统计出版社，2001）。由此可见，水污染问题是全世界所共有的。水污染问题对于环境及生态存在严重的危害。比如，当污水被排放到海洋后，便对珊瑚产生了极大的危害，其中高浓度的无机物养分（铵，磷酸，和亚硝酸盐），不仅会危害到珊瑚的共生生物，同时造成藻类大规模的生长，从而导致珊瑚的数量锐减（Stephanie L. Wear等，2015）。在马来西亚，污水的排放导致海藻在其海域大量繁殖，并已扩散到了一定数量的岛屿的珊瑚礁中（Mariani Ariffin等，2015）。由此可见，水污染已经成为了全球范围内亟待解决的问题。

在调研了30多篇文章后，可以得出结论：大多数工厂都在使用物化生连用的方法处理污水，其中生物法是核心。这是因为生物法的好处有很多，其中包括简单高效易于操作、能够对污水中的氮磷等化学元素进行快速去除、保证污水的处理效果等优点（郑昆等，2019）。同时，生态法（其中大部分为人工湿地）的使用量较为低下，是因为人工湿地处理污水的关键因素，植物种类和其介质种类可能会影响到人工湿地的污水处理效果，因为它们会随着时间的推移直接或者间接改变污水的处理效果（Arias C.A.等，2001.Li， J.等，2008.）。此外，人工湿地的处理性能严重依赖于合适的操作参数（水深、水力停留时间和负荷、进料方式、设置设计等）（Haiming Wu等，2015）。因此，工厂只能选择相较于其他方法更为普适，性价比更高的生物法，同时配合物理法和化学法进一步提高污水净化的质量。

在图表中可以看到，在生物法中，活性污泥法是目前工厂采取的最为广泛的方法。图1是活性污泥法的大致工作流程（叶锐，2017.唐横，2019.王冰等，2015.）。其处理污水的优点有以下： 1、活性污泥法还能够有效地清除污水中的臭气。臭气中的主要成分NH3是一种易容于水的化合物，而当它溶解到水中后，会转化成硝酸盐和亚硝酸盐。而这两种物质，可以在微生物的硝化过程中被处理干净（Fuqiang Fan等，2020）。2、活性污泥对有机物和氮的去除效果较为可观（田宇等，2014）。然而，活性污泥法同样存在一些缺陷。一，活性污泥法净化效果相较于微藻法较为低下。二，活性污泥法中污泥回流所带来的磷酸盐会对其中的微生物造成影响，从而影响到其处理污水的效果（田宇等，2014）。此外在该方法中所有的微生物处在同一个反应器，会导致菌种间的竞争，这一点同样也会造成污水处理效果的降低（田宇等，2014）。三、从活性污泥法的流程图（图1）中也可以看到该种方法在净化污水时的过程冗长。

在调研中，同样可以知道微藻法清理污水的使用范围较小，运用不大，这是因为以现在的技术，微藻培养、维持等费用太高。但是，微藻处理污水技术仍然具有很大的研究前景。因为，微藻处理污水的优点很明显：1、微藻能够在处理污水的同时将太阳能转化为有用的生物质，可以高效吸收诸如氮、磷等能引起水体富营养化的物质（N. Abdel-Raouf 等，2012.）， 致使污水中的污染物能够以微藻为媒介被再利用，再次创造价值。2、由于微藻能够大幅度吸收污染物，因此相较于其他的生物法污水净化方法（如：活性污泥法，氧化沟法）微藻法的性价比会更高。（降低污水处理成本）（Kun Lia等，2019）。其处理效果如图四。3、微藻能够将污水中的营养物质去除到一个较低的水平，从而满足人们日常生活的需要（Whitton R.等，2015.）。4、微藻在净化污水的同时，也能同时获得许多有用的副产品：（1）.油脂。微藻中的油脂可用于生物柴油的制备。微藻中的油脂可以被转化成不同的生物柴油， 如生物氢， 生物柴油，生物乙醇和沼气。同时，微藻油脂在被做成生物柴油时，每公顷所能释放的能量是土地作物所制成的生物油所能放出能量的30-100倍（Raheem A.等，2015）。由此可见，如果用微藻为原料制造生物柴油，那么能源利用效率将会被极大地提高。

现在，也有很多的学者已经展开了关于微藻净化污水的研究。图五是他们所采用的微藻净化污水实验（Thi-Thuy-Duong Nguyen等，2020.Pengfei Cheng 等，2020.Andrea Hernández-García等，2019.A. Sánchez Zurano等，2020.Bidhu Bhusan Makut等，2019.）。从他们的實验可见，微藻培养仍然存在一定的问题。在他们的实验中，普遍采用的是微藻培养方法是悬浮式微藻培养器，也就是泳道。悬浮式微藻培养方法本身就伴随着不小的缺陷。1、在悬浮式微藻培养中，水池中微藻藻细胞的密度往往会比较低（Martin Gross等，2015.）。2、悬浮式微藻培养的藻种非常难以收获。根据调查，在悬浮式微藻培养的水池中，只是收获培养的微藻的生物质的成本就已占据了总成本的21%（Ryan Davis等，2011）。相较而言，附着式微藻培养会好很多。它有以下优点：1、附着式微藻培养法的反应器上的微藻容易收获，从而节省成本（Martin Gross等，2015.）。2、附着式培养可以使光照限制最小化（Martin Gross等，2015.）。3、附着式培养可以增强二氧化碳的物质传递（Martin Gross等，2015.）。4、附着式培养可以增加微藻细胞的固体滞留时间，从而使它不会被轻易的洗掉（Martin Gross等，2015.）。

二、材料与方法

2.1材料

2.1.1藻种

本次实验中采用的微藻藻种是栅藻CGMCC 3036，在中国微生物保藏中心购得。微藻的保存方法是将其置于BG11培养基内。

2.1.2实验原理与反应器构建

实验中所用的培养方法是悬浮法与附着法结合法。具体的反应器则如图2所示。反应器的主体是一个透明圆柱型透明薄壁容器，其规格为10 L。容器的顶部有一个灯箱，以便能够令微藻进行光合作用。本实验中光暗比为14 h：10 h。在容器的底部，有一个功率为250 W，转速为1400 转/分的气泵，具体效果如下：1.曝气。气泵可以使反应器内的微藻有足够的氧气和其他种类的气体进行各种生命活动， 从而保证其中的污水能够被充分的净化，微藻也能成长到一定的程度用以萃取生物质用于制造其他副产品。2.增加效率。气泵可以使培养器中的污水充分流动，循环， 因此悬浮培养的微藻都能充分的进行光合作用。此外，载体也能够随着污水的流动而流动。

2.1.3污水配置

本次实验采用了八组不同的污水配置（Lin-Lan Zhuang等，2018）。其中，前四组被称为“低浓度组”， 其中的总氮含量都为15 mg/L， 四组的总磷含量各有不同， 分别为5 mg/L，3 mg/L， 1.5 mg/L， 0.5 mg/L. 后四个组被称为“高浓度组”， 他们的总氮含量都为150 mg/L。 这四个组的总磷含量有所不同， 分别是15 mg/L，10 mg/L，5 mg/L，1.5 mg/L。 其中，高浓度组在测量指标和数据处理时会按照一定的倍数进行稀释。

2.2计算方法与指标

2.2.1计算公式

悬浮培养的微藻和附着培养的微藻的生物量比例计算公式如下：

单位为个/（ml·天）。c2 为隔了时间t后微藻的密度，单位是个/ml。c1为实验开始时微藻的密度，单位也是个/ml。t为时间，单位是天。

2.2.2氮磷的检测方法

2.2.2.1总氮的检测方法

本实验中对于总氮的检测采用的是TOC仪。具体操作步骤如下：将待测水样注入TOC/TN分析仪的高温燃烧管中，使得总氮转化为一氧化氮（以下用NO代替），再将NO导入电化学检测器中，就可以通过NO气体的浓度测定出总氮的含量（张媛媛等，2019.）。

2.2.2.2总磷的测定方法

本实验中对于总磷的测定采用的方法是国标法（钼酸铵分光光度法，2011）。测定TP所需要的药品有5%过硫化钾溶液、10%抗坏血酸溶液、钼酸盐溶液、磷储备液（50.0 μg P / mL）、磷标准液（2.00 μg P / mL）。需要的仪器有比色管、光谱仪。5%过硫化钾溶液是将5g的过硫化钾溶解于100ml的去离子水制备而成，10%抗坏血酸溶液是将10 g抗坏血酸溶解至100ml去离子水制备得到。钼酸盐溶液的制备过程如下：1、将13 g钼酸铵（（NH4）6Mo7O24 4H2O）溶解至100 ml的去离子水中。2、将0.35 g酒石酸钾氧锑（K（SbO）C4H4O6 1/2H2O）溶解至100 ml去离子水中。3、将第一步中调配好的钼酸铵溶液慢慢倒入300 ml（1+1）硫酸溶液，并搅拌。4、往第三步调制好的溶液中加入第二步调制好的酒石酸钾氧锑溶液，并搅拌均匀。磷储备液的制备方法如下：1、将磷酸二氢钾在110 ℃的条件下干燥2 h。2、在干燥器中将其冷却。3、将0.2197 g KH2PO4转移至1000 ml容量瓶。4、加入5 ml（1+1）硫酸。5、加入去离子水并定容至1000 ml。磷标准液的制备过程如下：1、吸取10 ml磷储备液至规格为250 ml的容量瓶中。2、加入去离子水并定容至250 ml。实验步骤如图3.

2.3 藻密度检测方法

藻密度的检测方法是显微镜血球计数板法。具体的操作步骤如图4 所示。先提取一部分藻液，滴入一滴至血球计数板中，若一小格中的微藻数量不是5-10个，则需要稀释，直到一小格中有大约5-10个微藻为止。如若一小格中的微藻大约为5-10个，则无需稀释，直接观察。本次实验中采用的是规格为25x16血球计数板，只需要观察四角还有中央五个中格的的微藻，即80个小格的微藻，并数出微藻的数量。将数出来的微藻数量记为n，稀释倍数记为x，藻密度记为r， 25x16规格的血球计数板的藻密度计

2.4微藻中三大营养物质（生物质成分）测定方法

本次实验中用于测定微藻中三大营养物质的测量方法为傅里叶变换红外光谱法（孟迎迎等，2017.）。主要的测量工具为傅里叶变换红外光谱仪。测量原理如下：由于该仪器属于分子光谱，因此它可以同时测定微藻中的多种营养物质的种类和含量

2.5实验设计

本次实验阶段为10天， 實验开始前的准备工作为期14天，共计24天。 在准备阶段，使用BG11配方（NaNO3 1.5 g/L， K2HPO4 3×10-2 g/L， MgSO4·7H2O 7.5×10-2 g/L， CaCl2·2H2O 36×10-2 g/L， 和铁结合的柠檬酸 6×10-3 g/L， 柠檬酸铵 6×10-3 g/L， 乙二胺四乙酸  1×10-3 g/L， Na2CO3 6×10-3 g/L， H3BO3 2.86×10-3 g/L， MnCl2·4H2O  1.81×10-3 g/L， ZnSO4·7H2O 2.22×10-4 g/L， NaMoO4·5H2O 3.9×10-4 g/L， CuSO4·5H2O 7.9×10-5 g/L， Co（NO2）2·6H2O 4.94×10-4 g/L  （Li Gang等，2017.））将栅藻培育在250 ml的锥形瓶中。 14天后，将栅藻从锥形瓶中移出，转移至10 L的反应装置中，同时将污水注入反应装置， 当作微藻的培养液，还要打开气泵，以确保栅藻能够悬浮在污水中， 不会沉积至反应器底部。

四、结论

综上所述，总氮总磷含量对于微藻的生长和污水净化效果的影响并不绝对，关键在于其比例。过高的氮磷比会抑制微藻的生长速度，同时减弱其对污水的净化效果。此外悬浮附着混合培养法所培养的微藻的生长情况较为良好，其对于总氮总磷的去除能力也较为可观，同时微藻中的油脂含量也比较可观。

参考文献：

[1]Saad L. Water pollution Americans top green concern.[OL] http：//www.gallup.com/poll/ 117079/waterpollution-americans-top-green-concern.aspx，2009.

[2]中国统计年鉴[M]，中国统计出版社，2019.

[3]中国统计年鉴[M]，中国统计出版社，2001.

（深圳高级中学   广东  深圳   518000）