菌藻共生系統凈化水質的研究進展

熊云武 林曉燕 郭躍華 杜林峰 李詩剛 趙亮 許建新 謝利華

摘要 介紹菌藻共生系統凈化水質的機理和菌藻共生處理污水系統（固定化菌藻系統和著生藻類系統）的特點及存在的問題，并展望今后的發展趨勢。

關鍵詞 菌藻共生；污水；固定化菌藻；著生藻類

中圖分類號 X52 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）04-0197-02

Research Progress of Bacterial-algal Symbiotic System for Sewage Purification

XIONG Yun-wu LIN Xiao-yan GUO Yue-hua DU Lin-feng * LI Shi-gang ZHAO Liang XU Jian-xin XIE Li-hua

（Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518040）

Abstract The article introduced the sewage purification mechanism in the bacterial-algal symbiotic system.It also summarized the characteristics and problems of bacterial-algal symbiotic sewage purification system，such as immobilized bacteria-algae wastewater treatment system and periphyton wastewater treatment system. In the end，the author also looked into the future trends of its development.

Key words bacterial-algal symbiotic system；sewage；immobilized bacteria-algae；periphytic algae

隨著經濟、社會的不斷發展，工業、生活污水大量排入水體，由于其中富含N、P等營養物質和重金屬，最終使水體惡化。近年來，很多研究表明菌藻共生系統在污水處理方面潛力很大，利用藻類修復污染水體，可以有效降低污水中有機物、N、P的含量，出水可達到景觀環境用水的水質標準，同時獲得的藻類體粗蛋白含量高，可作為食品或高級飼料的原料，實現藻類生物量的資源化[1-4]。藻類不僅能吸收污水中的營養物質，而且對重金屬也有良好的吸收、富集效應[5-10]。菌藻共生污水處理系統（固定化菌藻污水處理系統和著生藻類污水處理系統）不僅符合生態學的原理，而且可實現水資源化，具有環保意義。

1 菌藻共生系統凈化水質的機理

結合細菌的污染物降解能力與藻類消減污水中N、P和攝取有機物功效，形成細菌和藻類復雜的共生系統。好氧菌將含碳有機物、含磷有機物分別降解為水和二氧化碳、正磷酸鹽，將含氮有機物進行氨化、硝化，為藻類光合作用提供營養物質及碳源。同時，藻類光合作用釋放出的氧氣又可促進好氧菌的代謝。藻細胞以光能為能源，消耗污水中大量的N、P等營養物質，將無機物合成有機物，使水源得到凈化[11]。藻類在進行光合作用的同時，使藻體、藻膜附近的pH值升高，從而促進水中磷酸根和鈣離子形成羥基磷灰石沉淀，沉淀主要發生在藻體表面或藻生物膜上，從而實現P的去除；同時，pH值升高使NH4+-N揮發，增加TN的去除率[1，11-13]。

2 固定化菌藻污水處理系統

固定化菌藻是按照一定比例將藻類細胞和細菌細胞與固定化材料混合固化形成多孔隙凝膠，凝膠空隙用于菌藻細胞的生長繁殖，進而達到凈化水質的目的。包埋采用的載體材料主要有海藻酸鈉、海藻酸鈣和聚乙烯醇（PVA）等[14-19]。與游離藻類相比，固定化使得微藻具有負荷能力強、藻細胞流失少、細胞密度高、反應速率快、運行穩定可靠、易于固液分離等特點，而包埋載體本身也具有一定吸收N、P的能力。而且，許多研究也表明，固定化菌藻對N、P的去除效果優于固定化細菌和固定化藻類[20-22]。在固定化菌藻中，脫氮的主要貢獻者是細菌，而藻對除磷起了主要作用，為達到有效的脫氮除磷，藻菌比應大于2∶1[22-24]。

王 秀等[25]在自制的流化床光生物反應器中加入固定化藻菌小球處理飲料廢水，結果COD、NH4+-N、BOD和PO43--P的去除率分別達91.8%、89.4%、72.1%和59.5%。潘 輝等[26]研究表明，固定化菌藻共生系統適于處理高有機負荷、低氮磷濃度的市政污水，且P的最高去除率可達到93.6%，NH4+-N的最高去除率可接近100%。

固定化菌藻系統雖然對污水的處理效果較好，藻體收獲也比較簡便，但是該技術成本較高，且固定化載體會限制光能的獲得和物質的傳遞，微藻對N、P的吸收會受到多種因素的影響，固定化菌藻膠球容易開裂，這些不利因素在一定程度上影響了其大規模地應用到生產實踐中，限制了其發展。

3 著生藻類污水處理系統

著生藻類（periphytic algae），又稱周叢藻類，是附著在水體機制上生活的一些微型藻類[27]。其主要通過構建人工模擬生態系統實現水質的凈化，目前研究應用較廣的主要有藻從刷系統、著生藻類-生物膜系統2種類型。

3.1 藻從刷系統

藻從刷系統（algal turf scrubbers，ATS）的核心是模擬著生藻類自然環境中水質凈化過程，在固定襯墊表面上接種絲藻屬（Ulothrix sp.）、直鏈藻屬（Melosira sp.）、鞘藻屬（Oedogonium sp.）、微孢藻屬（Microspora sp.）等著生藻類，構建著生藻類與真菌、細菌生態系統[28]。通過藻類和微生物的共同作用去除污水中的污染物。

目前，在養殖廢水、生活污水等污水的控制中已經證實了ATS系統的脫氮除磷效果。Mulbry等[28]研究表明：采用以維利微孢藻、孤枝根枝藻等著生藻類為核心的ATS系統處理奶牛場廢水，水力停留時間約60 d，TN和TP去除率可以達到70%～90%，運行費用較人工濕地處理工藝也有很大幅度降低。Westhead等[29]研究表明，接種絲狀綠藻和鞘藻的ATS系統處理養牛場廢水，水力停留時間為48 d，系統TN去除率達到90%以上、TP去除率達到68%～76%。Pizarro等[30]利用ATS系統處理養牛場厭氧發酵出水，著生藻類TN和TP吸收率分別達到61.6%和39.3%。但ATS系統處理污水如果想要效果良好，則要求其長度較長，這在一定程度上限制了其推廣應用。

3.2 著生藻類-生物膜系統

著生藻類-生物膜系統（periphyton biofilm system，PBS）一般由著生藻類生物、人工浮床及生物膜組成，人工浮床漂浮在水體表面，生物膜填料固定在浮床上，著生藻類生長于浮床和填料表面，整個系統懸浮于水中。由于生物膜填料具有較大的比表面積，可以為著生藻類提供良好的附著表面，使其生物量大幅度提高，同時，PBS系統中生物膜的形成強化了微生物降解污染物的作用。

PBS系統中著生藻類與生物膜的聯合應用，水質凈化優勢明顯。雷國元等[31]將剛毛藻（Chadophorasle）與生物膜相結合組成藻膜系統，可以有效地降低模擬富營養化湖水（CODMn 11.0～15.0 mg/L、NH4+-N 8.0～12.0 mg/L、NO3--N 0.4～1.0 mg/L、TP 1.2～1.5 mg/L）中的CODMn、NH4+-N、TP，其去除率分別達50%、95%和98%。馬沛明等[32]在實驗室條件下研究了以巨顫藻（Oscillatoria princeps）占優勢的藻類生物膜對人工合成污水、污水處理廠二級污水和富營養化湖水N、P的去除效果，結果表明：通過5 d的處理，藻類生物膜對人工合成污水、污水處理廠二級污水和富營養化湖水TN去除率分別為57.1%、94.5%和93.8%，對TP去除率分別為93%、73%和79%。

但是，PBS系統暫時還不能應用于采光較難的水體及深水區，此外，著生藻類在生物膜填料上的附著生長等問題，仍有待進一步研究。

4 結論與展望

我國水環境污染嚴重，利用藻類進行污水的處理，不僅可以改善環境，而且可以生產優良飼料，生態、經濟及社會效益良好。利用菌藻共生系統凈化水質，在污水深度處理方面具有巨大的優勢，但無論是固定化菌藻污水處理系統還是著生藻類污水處理系統，仍存在以下問題需要進一步解決。

（1）固定化菌藻污水處理系統：①高效微生物的優選及活性保存技術的研究；②包埋工藝的改進；③廉價固定化載體的研制和開發；④固定化微生物反應器的開發研究；⑤固定化材料傳質阻力問題的探索。

（2）著生藻類污水處理系統：①建立對污水長期性、持續性處理的系統；②解決污水處理過程中底棲動物潛在的牧食問題；③優化著生藻類水質凈化工藝，開發占地少、動力消耗低的新系統。

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