微藻净化污水研究进展

郭丹，王丁

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

随着世界经济的飞速发展，污水排放量也在不断的增加，将污水进行合理处理是现在的难点和重点。而工业污水无法利用传统的处理办法进行处理，缺少相应的技术和设备条件。工业生产过程中产生的废水属于工业污水，若将其不达标排放将会对生态系统产生危害，甚至直接威胁人类的生命安全[1]。

自20世纪80年代以来，工业污染已经成为我国环境污染的主要源头，占总污染的70%。近年来，我国颁发了许多环境保护法控制环境的恶化，在一定程度上取得了进步，但是我国仍处于工业发展阶段，工厂排放污染物的总量呈增长趋势，生态环境压力仍日趋严重[2]。尤其是石化行业，采出废水中的成分复杂，且采出废水量大。采用物理或者化学的处理办法对工业废水进行处理不经济，有学者利用生物法对工业废水进行处理，研究发现生物法在工业污水防治方面具有较大的潜力。本文将主要阐述微藻对污水的处理机理，论述利用微藻对工业废水的处理研究进展。

1 微藻处理污水

1.1 工业污水的处理现状

随着世界人口数量的飞速增长，工业化程度的增加导致水资源在全球范围内越来越匮乏。早在20世纪70年代美国花费近千亿元建立18 000多个废水处理厂，随后其他欧美国家斥巨资相继建立7 000多个污水处理厂。由于我国的工业化水平相对欧美国家较低，其对于污水处理的意识相对单薄，对于污水处理的研究比欧美国家晚了将近20年[3]。近些年我国工业污水排放量已经超过了一些欧美国家的污水排放量。近几年我国工业污水的排放情况如图1所示。

图1 2015—2019年我国工业污水的排放情况

目前，常采用污水处理的方法可分为物理法、化学法和生物法。相比于物理法和化学法，利用生物法处理工业污水有处理效率高、成本低、不产生二次污染等优点，因此成为近几年研究的热点。

1.2 微藻处理污水的优势

微藻是单细胞生物，早在远古时期已经有它的存在，微藻属于自养型生物，它可以利用光合作用产生O2，降解水中的氮磷，还可以利用细胞表面物质吸收重金属离子，从而达到净化水质的目的[4-5]。

微藻在对水质净化的过程中，还可以产生生物量，实现资源的最大化利用。目前已经探索到的藻类有10多种，加上其衍生物可达到上百种[6]。微藻凭借其快速的生长繁殖速度以及能够异氧生存的优势成为污水处理的首选微生物。

微藻的生长离不开C、N、P等元素，Stumm和Morgan于1981年提出微藻分子式，式（1）是微藻分子式的形成关系式[6]。

其中，C106H263O110N16P是微藻分子式，因此微藻可以通过吸收污水中 C、P、N等元素为自身的生长提供养分。微藻对于碳元素的吸收主要是CO2和HCO3-，对于 HCO3-的吸收主要是通过微藻细胞直接或者间接地将 HCO3-转化为 CO2[7]，在叶绿体的作用下成为O2。污水中的P元素分为无机磷和有机磷，一般情况下，微藻会优先吸收 H2PO4-和HPO4-，利用呼吸作用和线粒体传递系统或者光合作用产生的光能合成有机物，PO43-易与污水中其他离子形成不溶性沉淀导致磷元素无法被吸收，磷元素的缺失使得微藻细胞不能正常成长。由微藻细胞的分子式可知，N元素是微藻细胞生长不可少的元素，主要存在形式 NH4+、NO3-、尿素等，由于NH4+需要的能量少最先被微藻细胞同化吸收。氨氮的不足会引起细胞内多糖和不饱和脂肪酸等有机物的积累，影响藻细胞生长；而过多的氨氮含量会对微藻产生毒害作用。

微藻还可以吸附污水中的金属，微藻通过物理吸附、化学吸附，可将金属元素吸附在本身的细胞壁上或者存在于细胞裂隙中[8]，通过化学吸收，金属离子以蛋白作为载体进入细胞内，储存在细胞质或者细胞器中[9]。微藻细胞对污染物质的转化如图2所示。

图2 微藻细胞对污染物质的转化

2 藻类处理污水的新技术

2.1 固化小球藻对污水的研究

由于在光自养生长条件下的生物量浓度通常较低，收获和处理剩余的藻类细胞的成本较高。而大多数微藻细胞体积小，水分含量高，进一步加剧了处理成本。因此，微藻固定化解决了微藻在处理过程中的两个问题：废水成分的代谢转化和低成本收获生物量。

固定化技术最早是在1959年HATTORI等利用大肠杆菌进行固定化处理。从此以后，固定化技术迅速发展，并且形成了相对完善的理论和方法。一般来说微生物的固定化技术主要利用物理的或者化学的方法，将微生物固定在一定的区域范围使其保持生物活性，从而具有更高的适应性。

当前生物固定化技术常采用的方法是包埋法和侵入吸附法。侵入吸附法主要取决于藻类的特征，必须找到适合固定的藻类，一般来说纤丝状藻类是最适合进行固定化的微生物，纤丝藻类的表面适合固定基质，与基质紧密连接，不脱落。由于吸附法本身的缺点，一般不太使用吸附法进行生物固定，被固定的藻类还容易脱落[10]。包埋法[11]利用高分子载体将游离的小球藻载留在高分子网格中，网格之间的间隙比较小会防止细胞外流，但同时网格可以保证营养液的正常流入，为细胞提供代谢的营养物质。利用固定法对细胞进行固定操作相对简单，大多数的微生物都可利用固定化方法进行固定，因此固定法是现在固定化技术中最常用到的方法。工业上尤其是在石油工业上，随着人们对石油的需求不断的增加，石油开采已经到达了后期，为了提高产量注水开采成为了一个不错的选择，但是注水开采随之而来的是大量的采出废水，如何处理采出废水成为了石油工业上的一大难题[12]。有学者利用固定化小球藻对废水进行处理，结果表明固定化小球藻对污水的处理能力明显大于悬浮藻类。

固定化技术的处理效果虽好，但是其费用高，尤其在固定化材料的选择上，藻菌固定化的材料要求较高，好的材料成本自然也高。因此需要开发出适合进行大量处理污水所需的固定化材料，提高固定化处理污水的经济效益。

2.2 活性污泥对污水的处理研究

活性污泥常用于处理工业废水和生活污水，目前最常见的活性污泥处理方法有氧化沟法、间歇式活性污泥法和A2/O法等[13]。活性污泥处理废水的原理是通过降解污水中的有机物质使其成为 CO2和H2O，并且吸附悬浮的颗粒。

传统活性污泥对于污水处理存在一些问题，例如活性污泥的需氧量、pH以及耐受性等问题都会影响活性污泥的处理能力，对于此类问题谭淞文[14]等培养新型活性污泥对污水进行处理，他们为了提高活性污泥的耐盐性，将活性污泥放进海水中进行培养，实验结果表明对于盐度小于 6%的废水来说，经过12 h的处理后COD降解率达到70%以上，氨氮的降解率也达到30%以上。冬季利用生物法对污水进行处理的效率比较低，需要培养耐低温的活性污泥来处理污水，SCULLYC[15]等通过研究低温厌氧颗粒污泥处理苯酚废水，发现当温度降至9.5 ℃，苯酚的去除率有所降低，其中比苯酚降解率与比甲烷产率分别为 68 mg·g-1·d-1和 12～20 mL·g-1·d-1，耐低温活性污泥具有处理低温有毒的苯酚废水的能力[16]。

好氧菌（活性污泥）在处理废水的过程中需要大量的氧气，其中曝气可占污水厂耗电的50%~70%，进而增加了整个污水处理过程的能耗，因此单靠好氧菌来处理污水其经济性能较差。

2.3 藻菌共培养基对污水的处理研究

有学者研究表明，藻菌共培养系统可以提高生物对污水的处理效率，由于藻类是自养生物可以利用光合作用产生氧气，来消耗污水中的N、P等物质[17]。藻类一方面产生氧气可以提供给菌类生物，这样减少了菌类在反应过程中所需要的能量；另一方面，微藻产生藻毒素抑制菌[18]的生长。而菌也会产生细菌毒素抑制微藻的生长，从而防止因为氧气过量而造成水体富营养化形成的水华现象。对于藻菌共生的生物处理系统来说，微藻在污水处理的过程中扮演着两个角色[19]：微藻可直接吸收或者转化污水中的污染物；在藻菌共生系统中，藻类会通过光合作用提供足够的氧气供给菌类，大大减少了单菌净化系统中氧气的供应，降低了成本，而菌可以吸收微藻产生的多余的氧气，促进微藻的生长，藻菌共生系统提高了污水的净化性能，达到了1+1大于2的效果。

陈志华[20]利用藻菌共培养基处理生活污水，经过6 d的培养后发现，污水中TP、TN、COD出水处理效率分别为77.11%、87.82%、76.9%。魏斌[21]等利用固定化藻菌进行污水去污研究发现，藻菌固定化系统在最佳的处理条件DO浓度为5 mg·L-1、光照为2 000 lx时污水中的COD浓度从150 mg·L-1降到 15 mg·L-1，氨氮从 20~30 mg·L-1降到 0.5 mg·L-1，总磷从 2~3 mg·L-1降到 0.5 mg·L-1。

藻菌共生生物系统在处理废水的过程中具有巨大的潜力，共生系统中两类微生物依靠两者之间的相互转换，提高了污水的处理效率[22]。

3 总结与展望

利用微藻处理污水为污水处理提供了一条环境友好型道路，对于养殖污水、工业污水和市政污水的处理表现出很好的处理效果。生物处理污水有着易操作、成本低、不产生二次污染等特点，成为污水处理的热点，但由于污水的成分复杂往往一种生物是不能满足污水处理的要求，并且在生物的培养过程中的条件比较难控制，生物容易受到温度、pH、光照条件等的影响。未来在污水资源化的处理下要注重如何培养耐受性较好的生物，提高生物的耐受性，并且从提高藻类光的利用率以及进行生物的综合利用等方面入手提高微生物的处理能力。