李 揚

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

傳統(tǒng)的污水處理法主要有物理法、化學法和生物法。物理法和化學法雖然可以有效去除污水中的顆粒物，但是處理成本高，易引起二次污染[1]，且對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果差[2]。傳統(tǒng)的生物法對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)去除效果不理想，且產(chǎn)生大量低價值的活性污泥。

微藻是具有葉綠素、光合自養(yǎng)能力、沒有根莖葉分化的隱花植物，屬于低等孢子植物。它們個體微小，生存能力強，繁殖速度快，易于培養(yǎng)。相對于傳統(tǒng)的污水處理方法，微藻可以增強對污水中營養(yǎng)物質(zhì)、有機污染物、重金屬和病原體的去除，并耐受一定的有毒物質(zhì)，可處理的污水范圍極為廣泛[2]，是一種高效率、低成本的新型“綠色”技術(shù)。微藻不僅可以凈化污水，收獲后還能進一步制備生物燃料及高附加值產(chǎn)品，如食品、保健品、化妝品等，且無二次污染、操作簡便，目前已成為污水處理中的重點研究方向。

1 微藻凈化污水的機理

污水中氮磷含量高是水體富營養(yǎng)化的主要原因之一，而氮磷都是重要的細胞組成元素，可以作為營養(yǎng)物質(zhì)被微藻利用。

1.1 微藻脫氮原理

同化吸收、氨揮發(fā)、硝化和反硝化是微藻去除污水中無機氮的主要原理。微藻可以通過同化將硝酸鹽形式的無機氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，繼而轉(zhuǎn)化為銨鹽并吸收利用。氨揮發(fā)是指微藻的光合作用和溫度增加對氨態(tài)氮揮發(fā)的促進作用。此外，微藻還可以通過自養(yǎng)和異養(yǎng)混合營養(yǎng)的方式吸收有機氮。

1.2 微藻除磷原理

微藻對污水中磷的去除主要是磷酸化作用。微藻通過磷酸化方式利用磷元素去除污水中的磷，主要有磷酸氫根形式和磷酸二氫根形式。此外，微藻還可有效去除正磷酸鹽。有研究表明，微藻對市政廢水中正磷酸鹽的去除效率較高。與微藻脫氮原理相似的是，有機磷的去除也可通過微藻光合作用導致pH值升高來加速其沉淀。

2 藻種選擇

藻類可分為藍藻門、綠藻門、甲藻門、金藻門、紅藻門、褐藻門等11個門，其種類十分繁多，大小形態(tài)不一。不同藻種對污水的處理能力差別較大，因此，藻種的選擇是決定其污水處理效率的重要環(huán)節(jié)。選擇時，須針對污水處理的需求，選擇能在污水中生長且適應(yīng)能力強、生長速率快、單位時間生物量積累高、吸收氮磷快、易于培養(yǎng)的藻種，以利于提高處理效率。Mata et al.[3]研究發(fā)現(xiàn)，單細胞葉綠素藻種對多種廢水表現(xiàn)出很強的適應(yīng)性，且對污水中的氮磷等營養(yǎng)物吸收效率較高。

常見的污水處理藻種主要包括小球藻、柵藻、螺旋藻、微綠球藻、衣藻、葡萄藻等。其中，小球藻的生長速率較快，去除氮磷的效率高，而且含有較多油脂，在污水處理的同時還可以提取生物油脂進一步利用；柵藻適應(yīng)污水能力強、生長速率快、去除氮磷的效率高，并且有較好的自沉降性能，便于處理后的采收；螺旋藻可吸附重金屬，還可提取營養(yǎng)品，經(jīng)濟價值高；微綠球藻易于培養(yǎng)，對溫度和pH值的適應(yīng)范圍較廣；葡萄藻對有機和無機碳源均可去除。

選擇藻種進行污水處理的方式主要有3種：

a.直接選用小球藻等對污水處理效果較好的藻種，如鄭子英[4]采用中科院武漢水生生物研究所提供的普通小球藻研究了其對氨廠廢水的處理效果，實驗證明普通小球藻對COD的去除率可達95.60%，且對氨廠廢水的耐受性濃度限值為75.00%。

b.從待處理的污水中分離優(yōu)勢藻種，經(jīng)篩選后用于污水處理，如程海翔[5]在某養(yǎng)豬場廢水處理池內(nèi)觀察到一株生長優(yōu)勢非常明顯的綠藻，并發(fā)現(xiàn)其對廢水中氮磷有較好的去除效果，經(jīng)鑒定該微藻為柵藻，且對氨氮、總氮、總磷、COD和重金屬的去除效率均較高。

c.從其他途徑如土壤樣品中分離篩選藻種，如郭寶文[6]從山西龐泉溝自然保護區(qū)采集土壤樣品并從中分離篩選了一株微藻，實驗證明其對市政污水中的氮磷等污染物去除效果較好，同時具有良好的自絮凝特性。

3 微藻污水處理模式

3.1 單一藻株的污水處理

單一藻株的污水處理特性研究較多，常見的研究是將幾種微藻的處理效率進行對比。邊磊[7]用螺旋藻和小球藻分別對模擬尿液廢水和實際尿液廢水進行處理，研究結(jié)果表明，在人工添加葡萄糖等有機碳源混合營養(yǎng)條件下，微藻對氨氮、COD、總磷的去除效率和生物量均有提高，其中氨氮的去除率可達90.00%以上。劉磊等[8]研究了淡水小球藻、海水小球藻和鏈帶藻對人工污水中氮和磷的去除效果，實驗發(fā)現(xiàn)，這3種微藻對污水均具有較好的耐性，對人工污水中的氮磷去除效果顯著，且小球藻的生長情況及對氮磷的吸收情況均優(yōu)于鏈帶藻，淡水小球藻優(yōu)于海水小球藻，培養(yǎng)7天，淡水小球藻、海水小球藻和鏈帶藻的生物量分別達到158.5mg/L、139.7mg/L、58.8mg/L，對氨氮的去除率分別達到90.00%、80.20%、57.10%，對可溶性磷酸鹽的去除率分別達到94.70%、72.20%、55.10%。張波等[9]通過比較不同藻株在生活廢水中的生長狀況，發(fā)現(xiàn)小球藻的生長速率最高，生物量產(chǎn)率達109mg/(L·d)，同時COD、TN、TP的去除率分別達到39.00%、88.00%和93.00%。

3.2 菌藻共生的污水處理

20世紀50年代，Oswald提出高效藻類塘工藝時首次提出了菌藻共生處理污水的概念，通過微藻和細菌的共同作用，使得污水中氮磷及有機物的去除效率大大提高。微藻光合作用產(chǎn)生的氧氣有利于水中好氧微生物的生長，好氧細菌呼吸產(chǎn)生的二氧化碳又能被微藻利用，微藻吸收氮磷產(chǎn)生的有機物及死亡的藻細胞可以被細菌氧化分解，這樣的互利共生使得菌藻雙方都能保持良好的生長。但當營養(yǎng)物質(zhì)不足時，細菌和微藻間產(chǎn)生競爭，為了爭奪有限的營養(yǎng)物質(zhì)，微藻和細菌都會釋放對對方有害的毒素，雙方的生長都會受到危害和抑制。

郝凱旋等[10]研究發(fā)現(xiàn)，菌藻系統(tǒng)對氨氮、磷的去除率高達80.00%～95.00%，優(yōu)于小球藻和柵藻混合藻和活性污泥，同時具有較高的生物質(zhì)產(chǎn)出量。Lei et al.[11]對藻菌共生系統(tǒng)和純藻系統(tǒng)進行了比較，結(jié)果表明，菌藻共生系統(tǒng)的藻類生長更快，生物量更高，對污水中COD和氮磷的去除效果也比純藻系統(tǒng)更好。劉娥[12]通過培養(yǎng)馴化蛋白核小球藻及活化培養(yǎng)光合細菌，開展了固定化藻菌細胞球粒去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氮磷的實驗，結(jié)果表明，在適宜溫度和光照條件下，固定化藻菌細胞球粒對磷酸鹽和氨氮的去除率高達84.00%和95.00%。黃美玲等[13]針對小球藻處理養(yǎng)殖污水后分離困難的問題，在處理中期引入輪蟲捕食小球藻，實驗結(jié)果表明，小球藻對養(yǎng)殖污水中的亞硝態(tài)氮去除率幾乎達到100%，總磷和氨氮的去除率也在91.00%和80.00%以上，總氮的去除率為54.00%以上，輪蟲可以大量去除小球藻，且不會對污水處理效果產(chǎn)生不利影響。霍立敬[14]選用膠質(zhì)芽孢桿菌和蛋白核小球藻共生掛膜處理脫硫廢水，處理6天后鉛離子、鋅離子、鎘離子、COD的去除率分別達到76.00%、62.00%、52.00%和93.00%，重金屬去除效果明顯優(yōu)于菌藻單獨處理。

4 微藻對不同種類污水的處理

4.1 城市污水

城市污水主要是生活污水、市政污水和工業(yè)廢水。生活污水通常由污水管道收集起來送至污水處理廠處理，因此，污水處理廠的出水處理也受到了研究者的關(guān)注。

4.1.1 市政污水

市政污水的總氮含量約15～90mg/L，總磷含量約5～20mg/L，目前對市政污水的處理研究相對較多。如項藎儀[15]研究了小球藻在室外自然光條件下大規(guī)模處理市政污水的效果，由于市政污水提供了充足的碳源，小球藻夏季對氨氮和總氮的去除率接近100%，COD和BOD5的去除率分別為86.55%和89.87%，當加入活性污泥中的好氧菌構(gòu)建藻菌共生體系后，相較于獨立小球藻系統(tǒng)能在短時間內(nèi)得到更好的脫氮除磷效果。脫金華等[16]利用市政污水與低成本碳源培養(yǎng)小球藻來處理市政污水，獲得了理想效果，總氮、氨氮、總磷、COD的去除率分別為85.28%、90.35%、99.09%和61.98%。王雪純[17]研究了添加外源補充碳源后綠球藻對市政污水的處理效果，氨氮、磷酸鹽和COD的去除率分別為98.64%、46.62%和79.53%。王雪飛[18]研究了鈍頂螺旋藻處理市政污水的效果，氨氮、總氮、總磷的去除率分別為98.52%～99.03%、90.43%～95.22%、88.25%～96.81%。市政污水的有毒物質(zhì)含量較低，多為氮磷，因此，采用微藻處理污水效果一般較好。

4.1.2 污水處理廠出水

深度處理污水處理廠的二級出水，不僅可以減輕水體負荷，還可補充淡水資源。郝凱旋等[10]比較了活性污泥法、混合藻法(小球藻和柵藻)和活性污泥法對山東建筑大學污水處理廠二級出水的處理效果，研究發(fā)現(xiàn)，菌藻系統(tǒng)對氨氮、磷的去除率高達80.00%～95.00%，優(yōu)于混合藻和活性污泥，同時具有較高的生物質(zhì)產(chǎn)出量。宋培學等[19]研究了自然光照條件下小球藻、柵藻和衣藻對棗莊學院污水廠中水深度處理的效果，結(jié)果表明3種微藻對活性磷酸鹽的去除率高達90.00%，同時有很好的脫氮除磷效果。劉斌[20]研究了藍藻等優(yōu)勢微藻對污水處理廠二級出水的處理效果，實驗發(fā)現(xiàn)總氮的去除率為60.00%左右，總磷的去除率達90.00%以上。Su et al.[21]選擇小球藻、柵藻和衣藻處理城市污水廠二級出水，3株微藻在二級出水中均表現(xiàn)出生長速率快、脫氮除磷效率高等優(yōu)點，同時自沉降性能較好，處理后能通過自沉降實現(xiàn)藻水分離。Yang et al.[22]從二級出水中篩選的橢圓小球藻可使氮磷的去除率分別達到99.30%和95.20%，且產(chǎn)油效率很高。Feng et al.[23]用普通小球藻對模擬二級出水進行處理，僅2天氮磷去除率就超過了90.00%。Li et al.[24]將1株淡水柵藻用于二級出水處理，10天時脫氮除磷效率達到98.00%以上，且含油量也有增加。

4.1.3 工業(yè)廢水

工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生廢水，根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品的不同，廢水成分也十分復雜，食品工業(yè)廢水中的氮磷含量相對較多；金屬工業(yè)及其周邊產(chǎn)業(yè)的廢水中金屬離子含量較高；印染和制藥工業(yè)產(chǎn)生的廢水多含有染料、抗生素等有毒物質(zhì)。因此，學者們對不同行業(yè)的廢水進行了微藻的篩選和實驗，以期有針對性地處理不同成分的工業(yè)廢水。Arora et al.等[25]研究了微藻對預處理后的乳制品廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)其脫氮除磷效果良好，COD的處理效率也較高。陳靜[26]將高糖黃絲藻應(yīng)用在食品化工園區(qū)廢水資源化處理中，COD和總氮去除率分別為98.40%和96.80%，獲得的高糖黃絲藻生物質(zhì)還可作為食品、醫(yī)藥、能源、化工等領(lǐng)域的開發(fā)利用原料。黃秋婷等[27]利用自行篩選得到的1株柵藻屬藻種Sq2，研究了其對酒廠廢水的處理效果，結(jié)果表明該藻種對COD、TN、TP的去除率分別達到89.50%、89.70%、93.40%，且具有較高的生物量和油脂產(chǎn)率。Sarwa et al.[28]研究了某微藻對仿真膠廠廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)其對鋅離子的吸收效率較高。韓冉等[29]發(fā)現(xiàn)某微藻能快速高效去除廢水中的鉛離子。Xiong et al.[30]發(fā)現(xiàn)2種微藻可以處理制藥廢水中的卡馬西平。謝麗[31]構(gòu)建了小球藻-活性污泥體系用于處理分散藍2BLN染料廢水，發(fā)現(xiàn)該體系可以將染料分解，同時COD、氨氮和總磷的去除率分別為75.00%、46.00%和94.00%。周文永等[32]對比魚腥藻、蛋白核小球藻和羊角月牙藻等實驗藻種后發(fā)現(xiàn)，單一微藻體系中，蛋白核小球藻對偶氮染料的脫色效果最為顯著。

4.2 農(nóng)村污水

城市污水處理通常由規(guī)?；鬯幚韽S承擔，但其建設(shè)成本高，運行費用大，對管理水平的要求也高，因此，對于經(jīng)濟基礎(chǔ)和管理水平相對較差的農(nóng)村，難以復制城市污水處理的方式，微藻以其投資小、見效快、去除效果好、易于管理等優(yōu)勢，其對農(nóng)村生活污水和養(yǎng)殖廢水的處理效果也受到研究者的關(guān)注。

4.2.1 農(nóng)村生活污水

國內(nèi)對微藻處理農(nóng)村生活污水的報道不多，主要集中在養(yǎng)殖廢水的處理研究。時文強[33]研究了小球藻用于處理村鎮(zhèn)生活污水時的最優(yōu)環(huán)境條件；王亞潔等[34]從海域提取微擬球藻處理生活污水，發(fā)現(xiàn)其對生活污水環(huán)境的適應(yīng)性很強，對氨氮和正磷酸鹽的去除率分別可以達到95.69%和93.92%；何少林[35]研究了高效藻類塘對農(nóng)村生活污水的處理效果，其優(yōu)勢藻為四尾柵藻，通過與水生生物塘結(jié)合，最終總氮的去除率達到82.60%，總磷的去除率達到79.50%。

4.2.2 養(yǎng)殖廢水

隨著規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展，養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生了大量含有氮磷、重金屬、抗生素等污染物的廢水，其中乳業(yè)廢水中總氮含量約為185～2636mg/L，總磷含量約為30～727mg/L；家禽養(yǎng)殖廢水中總氮含量約為802～1825mg/L，總磷含量約為50～446mg/L；牛場養(yǎng)殖廢水中總氮含量約為63～4165mg/L，總磷含量約為14～1195mg/L，養(yǎng)殖廢水如處理不當，會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此，采用微藻處理養(yǎng)殖廢水受到了廣泛關(guān)注，研究較多。

程海翔[5]從養(yǎng)豬場廢水處理池內(nèi)分離純化了1株柵藻，研究其對養(yǎng)豬廢水的處理效果，實驗結(jié)果表明，混養(yǎng)的培養(yǎng)方式最利于該柵藻生長，葡萄糖和硝態(tài)氮為碳源和氮源時，最利于該柵藻生物量和葉綠素的積累，且適宜條件下，廢水中氨氮、總氮、總磷、COD、Cu和Zn等去除率分別為97.30%、87.90%、93.20%、41.80%、50.10%和30.10%。吳盼盼[36]采用多種方法對養(yǎng)豬沼液預處理后，研究了小球藻的處理效果，實驗結(jié)果顯示，小球藻對未經(jīng)稀釋的養(yǎng)豬沼液中COD、總氮、氨氮、總磷最終去除率分別達到了78.32%、59.51%、98.61%和97.90%。Ding et al.[37]將奶牛廠廢水稀釋不同倍數(shù)后試驗微藻的處理效果，結(jié)果表明，氨氮、磷和COD的去除效率隨稀釋倍數(shù)的增加而提高，稀釋20倍時的去除率分別高達99.26%、89.92%和84.18%。馬浩天等[38]研究了埃氏小球藻在不同稀釋倍數(shù)的雞場廢水中的脫氮除磷效率，在合理稀釋倍數(shù)下，該微藻生長迅速，并且氮磷去除率高達80.30%和75.00%。王雪純[17]研究了添加外源補充碳源后綠球藻對養(yǎng)牛廢水的處理效果，氨氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽和COD的去除率分別為96.61%、92.12%、64.57%和57.50%。劉梅等[39]研究了不同微藻對南美白對蝦養(yǎng)殖尾水的處理效果，結(jié)果顯示，銅綠微囊藻、衣藻、蛋白核小球藻對總氮的去除率分別為74.00%、69.00%、60.00%，銅綠微囊藻和衣藻對總磷和硝態(tài)氮的去除率分別超過60.00%和70.00%，衣藻可以100%去除氨態(tài)氮，隱藻和蛋白核小球藻對亞硝態(tài)氮的去除率達80.00%。

5 微藻的采收

分離環(huán)節(jié)是微藻污水處理中的重要環(huán)節(jié)，也是一直以來的技術(shù)難題。微藻細胞個體微小，密度與水接近，通常穩(wěn)定地懸浮在水中，難以通過沉淀實現(xiàn)藻水分離，無法自然分離的后果就是微藻細胞隨處理后的出水一起排放，造成二次污染，也難以進行后續(xù)利用。

目前采收微藻的方法主要有絮凝法、離心法、氣浮法、過濾法、重力沉降法等，其中絮凝法又分為化學絮凝、物理絮凝、生物絮凝；離心法能耗較大，僅適用于實驗室小規(guī)模處理，不適宜大規(guī)模微藻的采收；過濾法和氣浮法受限于微藻種類，易造成濾膜堵塞，需要頻繁更換濾膜從而增加采收成本；重力沉降只有少數(shù)藻種能夠?qū)崿F(xiàn)。絮凝法適宜用于大規(guī)模的微藻采收，其中，化學絮凝主要采用陽離子絮凝劑，包括金屬鹽類(主要是鋁鹽和鐵鹽)、有機高分子聚合物、殼聚糖、陽離子淀粉等，金屬鹽類雖然采收效率高，但對藻細胞有毒性，投加量也比較大，導致二次污染；有機高分子聚合物同樣具有細胞毒性，且成本較高；殼聚糖處理效率較高，但適應(yīng)的絮凝pH值一般為酸性，超出了微藻培養(yǎng)的正常范圍，具有很大的局限性；陽離子淀粉的原料易于獲取，價格低廉，投加量較小但效果很好，且不受pH值的影響，具有較大的潛力。物理絮凝主要有電絮凝和超聲絮凝，優(yōu)點是絮凝率較高且無二次污染，但藻液量大時處理能力不足，且能耗較大，暫時無法大規(guī)模應(yīng)用。生物絮凝主要包括微生物絮凝和自絮凝，微生物絮凝機理尚不明確，過程復雜，成本較高，且實用性和普適性有待研究；自絮凝主要是通過篩選分離獲得具有自絮凝特性的微藻藻株，再經(jīng)富集培養(yǎng)后用于處理，處理完畢后微藻能夠自發(fā)絮凝，但微藻自絮凝機理復雜、絮凝條件不明確，且涉及到復雜的種群控制要求等，可靠性有待研究。

除使用絮凝法外，微藻膜、固定化技術(shù)和菌藻共生體也是比較有效的方法。微藻膜和固定化技術(shù)中，藻細胞貼附于載體上生長，采收時只需要用工具將藻體從載體上刮下，既方便又可節(jié)水。在菌藻共生體中，通過共生菌促進微藻絮凝，可降低采收成本。

6 結(jié) 語

微藻處理污水以其成本低、效率高、附加價值高等顯著優(yōu)勢成為污水處理的熱門研究課題，與傳統(tǒng)污水處理方式相比，大大降低了成本和二次污染的可能，但微藻的種類選擇和培養(yǎng)條件設(shè)置是影響其處理效率的關(guān)鍵因素，處理后的低成本采收也是未來研究的重要方向。隨著處理技術(shù)的不斷進步，微藻的應(yīng)用前景必將更加廣闊。