小球藻在廢水處理上的應用進展

歐陽克氙，劉建平，蔡力創

(江西省科學院生物資源研究所，330029，南昌)

小球藻在廢水處理上的應用進展

歐陽克氙，劉建平，蔡力創

(江西省科學院生物資源研究所，330029，南昌)

小球藻具有獨特的代謝方式，可以通過光合作用利用太陽能和無機物合成自身的原生質。小球藻除了對污水中氮、磷等營養物有較好的去除效果外，還能利用無機鹽、降解多種有機物。著重介紹近幾年國內外小球藻處理廢水的研究進展。

小球藻；廢水處理；應用進展

0 引言

目前，污水處理方法主要有物理法、化學法、物理化學法和生物法。與傳統方法相比，利用生物處理法適用范圍廣、成本低、可以避免二次污染，不僅可以高效去除污水中的有機、無機以及重金屬等污染物，還可以將藻類培養的污水深度處理和生物柴油生產系統耦合，產生一定的附加價值，具有廣闊的發展前景。藻類在污水處理中的應用主要包括藻類塘、活性藻、固定化藻、非活體藻及藻類光生物反應器等方面。

小球藻是單細胞藻類，目前世界上已知的小球藻有十幾種，加上它的變種可達數百種之多，生態分布廣泛，對生長條件要求簡單，環境耐受性強，生長速度快，應用價值高。小球藻具有獨特的代謝方式，可以通過光合作用利用太陽能和無機物合成自身的原生質。小球藻除了對污水中氮、磷等營養物有較好的去除效果外，還能超負荷吸收重金屬、利用無機鹽、降解農藥、烷烴、酚類、鄰苯二甲酸酯等多種有機物。作者正在開展采用經發酵、重金屬處理后的豬糞污培養小球藻，以去除和吸附氮、磷以及降解有機物，最后將小球藻用于水產養殖。本文將著重介紹近幾年國內外小球藻處理含氮、磷及有機物等廢水的研究進展。

1 利用小球藻去除廢水中的氮、磷等營養物

藻類是以水為電子供體的光能自養型生物。在光合作用過程中，它們以光能為能源，利用簡單的無機物合成有機物，不斷生長繁殖。因此，藻細胞能吸收和同化大量的氮、磷等營養物質，進行光合自養作用，從而使污水中的氮、磷含量減少。

藻類在污水深度處理中去除N、P的機理分為直接作用和間接作用。藻細胞能吸收利用水中的無機N和有機N化合物作為N源，利用二氧化碳和碳酸鹽作為碳源，進行光能自養生長。在有氧的條件下，磷酸鹽可以直接被藻細胞吸收，并通過多種磷酸化途徑轉化成ATP和磷脂等有機物，而在無氧的條件下形成磷酸鹽沉淀，硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽可以用于氨基酸和蛋白質等物質的合成。與此同時，藻光合作用可提升水體pH，高pH(pH10～11)具有一定的消毒促進作用[1]。藻類去除廢水中氮、磷的效果受氮磷比、氮磷的形態、藻類的形態以及金屬離子等因素影響。

1.1不同氮磷比

張靜霞[2]采用懸浮和固定化培養方式，比較了不同氮磷比對小球藻(Chloreallasorokiniana)去除污水中氮磷能力的影響。結果表明，懸浮培養小球藻的氮磷去除率低于固定化培養組；饑餓處理24 h固定化培養小球藻的氮磷去除率較高，72 h對氮磷的去除率分別達到97%、99%；降低氮磷比對懸浮培養小球藻的氨氮去除率影響不大，但可提高固定化培養小球藻的氨氮去除率。

1.2不同形態的氮磷

劉淑坡[3]等發現，固定化蛋白核小球藻對不同形態氮和磷的去除具有一定的選擇性。研究結果表明，當廢水中同時存在氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮時，固定化微藻首先去除氨氮，然后依次是亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，在為期5 d的試驗中其去除率分別為100%、79.2%±0.8%和61.2%±0.2%；當廢水中同時存在正磷酸鹽和六偏磷酸鹽時，固定化核蛋白小球藻優先去除正磷酸鹽，然后去除六偏磷酸鹽，在為期4 d的試驗中，其去除率分別為71.4%±1.6%和80.3%±1.0%。

1.3不同形態的藻類

研究發現，不同固定化載體對氮磷去除效果是不同的。王穎[6]等比較了海藻酸鈉和殼聚糖2種固定化載體對污水深度處理的影響。結果表明，在一定的細胞負載范圍內，對氮、磷的去除率隨細胞負載的增加而增加。由葉綠素a含量得知，2種載體均不影響細胞增長。相同細胞負載，殼聚糖作為固定化載體的藻細胞對氮的去除率及葉綠素 a增長量高于海藻酸鈉載體，但對磷的去除率差別不明顯。傅海燕[7]等采用海藻酸鈉、聚乙烯醇PVA、兩者復合載體等3種不同載體，將小球藻與活性污泥固定成菌藻共生系統，以及單獨菌、單獨藻的凝膠小球，用于處理人工污水。結果表明，復合載體固定的菌藻共生系統氮磷去除效果最好，PVA載體的脫氮除磷效果次于復合載體優于海藻酸鈉；固定化菌藻共生系統的脫氮除磷效果明顯優于單獨固定菌和單獨固定藻，固定菌的效果較差。

藻菌固定化技術是一門20世紀末發展起來的新興技術，由于其具有較高微生物濃度、易于固液分離、不易受毒物影響、剩余污泥量少等優點而在污水處理領域得到廣泛應用?？芟Ｔ猍8]等用海藻酸鈉凝膠包埋固定小球藻和活性污泥，對沖廁海水污水(模擬)中的氮磷污染物進行去除實驗。結果表明，在藻菌比為2:1，固定化藻菌對氮磷的去除率分別達到95.5%和92.2%。在N/P為10時，固定化藻菌對沖廁海水污水中氮磷的去除效果最好,25～30 ℃時固定化藻菌對氨氮和磷的去除率最好，溫度過高時藻和細菌細胞的活性受到抑制。固定化藻菌體系處理沖廁海水污水的較佳pH范圍在6.5～8.5之間。

1.4pH與金屬離子的影響

顏勝華[9]等研究了不同光照強度及不同pH值下，小球藻在懸浮和固定狀態下鎘對污水中正磷酸鹽的吸收速率的影響。結果表明，在不同光照強度下，鎘總體上降低了小球藻對磷的吸收速率。不同pH值時，無論在懸浮態還是固定態，鎘都能使小球藻對磷的吸收速率下降20%～30%，由此可見固定處理并沒有減少鎘的影響。

2 利用小球藻降解多種有機化合物

藻類在生長繁殖過程中，能將水體中的有機化合物作為同化碳源、氮源及硫源來富集吸收，故藻類能降解如農藥、碳氫化合物、多環芳烴、金屬有機物等多種有機化合物。藻類在富集有機物的同時發生代謝降解。藻類、金屬離子和腐殖質等可通過相互作用形成復合物，在光照條件下發生一系列的光化學過程，引發水體中有機污染物的光降解[12]。

彭章娥[13]等研究發現，含普通小球藻的水溶液經過光照后能引發其中壬基酚的光降解；藻、腐殖酸和鐵離子的水溶液經過光照后，對壬基酚光降解的增強促進作用更大，在含藻腐殖酸和鐵離子的水溶液中，4 h光照后壬基酚的降解率可達58%。根據此結果推測藻、腐殖酸和鐵離子體系光照后能產生更多的活性物質，從而促進水中有機污染物的光降解。

普通小球藻對染料的降解必須在光的協同作用下進行，模擬太陽光的協同降解效果最好；染料的降解效果隨普通小球藻的濃度與照射光強度的增加而增強，摻藻濃度16×108cells/L的染料溶液，光照5 h的脫色率達到86%以上，降解速度在染料濃度比較高的初期較大；普通小球藻在對直接大紅4B溶液的降解過程中不會產生中間產物；隨著降解時間的延長，溶液的pH值在不斷降低[14]。此外，普通小球藻也對鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)具有明顯的富集，但生物降解作用并不顯著，且降解符合一級反應動力學[15]。這可能是由于DBP初始濃度過低導致藻細胞中DBP濃度很小，從而藻對DBP的降解作用不明顯；DBP初始濃度較高，對普通小球藻產生了毒性效應，從而抑制了藻的生長和藻體中相關酶的活性，導致降解程度較低。在普通小球藻適宜生長溫度范圍內，溫度升高有利于藻對DBP的生物降解。

屠云杰[16]等研究發現，蛋白核小球藻能快速有效的消除三氯殺蟲酯，降解的半衰期為16.3 h，而吸附作用在一定時間后會失去，可能是藻類細胞體內凝結的緣故?？傊?，生物降解和生物吸附是農藥逸散的主要因素，水解的貢獻較小，而光解基本上可以忽略。所以蛋白核小球藻能夠對三氯殺蟲酯進行持續有效的去除毒性作用。此外，歐曉明[17]等也發現蛋白核小球藻具有降解 HNPC-A9908 的能力：在20 mg/L、100 mg/L、400 mg/L的濃度下，5 d內HNPC-A9908的降解率分別為90.50%、66.02%和43.19%，日平均降解速率分別為3.60 mg/L、13.20 mg/L、34.55 mg/L，其降解動力學方程可用二級反應動力學方程很好地擬合，擬合度達到83%以上；蛋白核小球藻對HNPC-A9908也具有一定的富集能力，當濃度為20 mg/L、100 mg/L、400mg/L時達到最大富集的時間分別為24 h、48 h、48 h，富集量分別為11.58 mg/gFW、15.15 mg/gFW、16.42 mg/gFW，此后隨時間的延長而逐步降低。

吳敏[18]等研究發現，微囊藻毒素降解菌S3和橢圓小球藻L1共固定化后，比單獨固定化菌對MC-LR有更好的降解效果，共固定的藻可促進降解菌S3的生長。固定化細胞對毒素的降解能力較穩定，受環境溫度和pH變化的影響較小，重復使用仍可維持較高的降解活性。

3 利用小球藻處理其他廢水

鄭子英[19]等研究了25 ℃、5 000 Lx條件下，普通小球藻對濃度分別為25%C、50%C、75%C、100%C的氨廠廢水中COD和NH3-N的去除率。192 h后，COD去除率分別為84%、96.4%、97%和 95.6%，NH3-N去除率分別為22.7%、4.9%、10.6%和0%。結果表明，各污水組對藻細胞的生長有抑制作用，隨污水濃度升高抑制作用強度降低。采用浮游植物熒光儀測定藻細胞葉綠素熒光參數，結果表明25% C、50%C、75%C、100%C 組的藻細胞光合作用停止時間分界點分別為144 h、144 h、144 h和72 h，光合作用停止后，藻細胞通過異養生長降解污染物。

李宇佶[20]等利用小球藻可以較徹底的去除氨基酸廢水中氮、磷及COD等營養，達到污水處理效果。體積分數40%氨基酸廢水處理效果最好，停留時間34 d，藻細胞干重比、生長速率和最大生產強度分別為0.731 g/L、0.565 d-1、0.243 g/(L·d)；廢水中TN、TP及COD的去除率分別為92.0%、98.0%及80.0%，對應去除強度分別為30.7 mg/(L·d)、3.28 mg/(L·d)、133.3 mg/(L·d)。

4 結束語

綜上所述，利用小球藻處理污水符合生態學原理，具有成本低、能耗少、效率高、收益大、出水溶解氧含量高等優點。小球藻不僅能夠吸收和同化污水中氮、磷等營養物，還能利用無機鹽、降解多種有機物。但是小球藻只能吸附而無法根除污水中存在的重金屬離子。因此，廢水必須先用其他方法處理掉重金屬后，再經小球藻處理，這樣處理水才可以用于農田灌溉和工業生產，而且由此獲得的藻體的重金屬含量不超標，可作為動物飼料、餌料、人類的潛在食品或精細化工品原料。

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ApplicationofChlorellaintheWastewaterTreatment

OUYANG Kexian,LIU Jianping,CAI Lichuang

(Institute of Biological Resources,Jiangxi Academy of Sciences,330029,Nanchang,PRC)

Chlorella has unique metabolic ways,which can utilize solar energy and inorganic substance to synthesize their protoplasts through photosynthesis.Chlorella has a better effect in removing nutrients such as nitrogen and phosphorus in wastewater,using inorganic salt,and degrading a variety of organic matter.The research progress in wastewater treatment of chlorella in recent years has been reviewed in this paper.

chlorella;wastewater treatment;application

2014-05-09;

2014-06-11

歐陽克氙(1963-)，男，江西贛州人，副研究員，主要從事天然產物開發應用工作。

江西省科技支撐計劃項目(20111BBF60044)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.022

Q949.21+7;X703

A

1001-3679(2014)04-0515-05