藻菌共生系統(tǒng)在廢水處理中的研究進(jìn)展

梁珺宇

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

0 引言

微藻和菌群的共生關(guān)系不僅是自然水體的凈化基礎(chǔ)，也在城市生活污水的處理工藝中發(fā)揮著重要作用[1]。這種共生現(xiàn)象最早被發(fā)現(xiàn)于氧化塘處理廢水的工藝過(guò)程中[2]，微藻通過(guò)光合作用釋放氧氣形成其與菌群的共生。直到1981年，研究人員在應(yīng)用絮凝性藻菌系統(tǒng)對(duì)氮吸收的研究中正式提出藻菌共生體系[3]。

微藻與菌群的共生具有多種結(jié)合形式，兩者的相互作用主要包括營(yíng)養(yǎng)交換、信號(hào)傳導(dǎo)和基因轉(zhuǎn)移，其中營(yíng)養(yǎng)交換被認(rèn)為是最重要最常見(jiàn)的互動(dòng)類型[4]。大量研究發(fā)現(xiàn)利用這種共生協(xié)同作用可以提高工藝環(huán)節(jié)中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效率[5]，微藻可以促進(jìn)廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[6]、重金屬[7]乃至于病原體的去除，同時(shí)可以提供O2作用于耗氧菌群使有機(jī)物質(zhì)被氧化去除，并可利用菌群呼吸產(chǎn)生的CO2[8]。將這種共生關(guān)系應(yīng)用于廢水處理工藝有助于降低機(jī)械曝氣帶來(lái)的運(yùn)行成本，并有研究發(fā)現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程中一些有害污染物也可以被氧化去除。此外，大量微藻生物質(zhì)的產(chǎn)出也使得養(yǎng)分從廢水中轉(zhuǎn)移到微藻細(xì)胞中[9]。進(jìn)一步對(duì)微藻和菌群生物質(zhì)的利用可以獲得色素、脂質(zhì)、肥料、飼料以及生物燃料等高附加值產(chǎn)物[10]。因此，應(yīng)用藻菌共生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廢水的資源化處理是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。

本文綜述了目前藻菌共生系統(tǒng)的主要類型，以及影響藻菌共生穩(wěn)定性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)處理效率的因素，并進(jìn)一步探討了藻菌共生的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性。

1 藻菌共生系統(tǒng)的主要類型

目前在應(yīng)用藻菌共生進(jìn)行廢水處理工藝的研究中，藻菌共生系統(tǒng)的主要構(gòu)建形式包括懸浮藻菌系統(tǒng)、固定化藻菌系統(tǒng)和藻菌生物膜系統(tǒng)等[11]。高效藻類塘(HRAP)是一種典型的應(yīng)用了懸浮狀態(tài)藻菌共生的污水處理系統(tǒng)，在獲得穩(wěn)定高效的污水處理效率的同時(shí)收獲一定的生物質(zhì)用于生物燃料的生產(chǎn)[12-13]。固定化藻菌系統(tǒng)主要是為收獲系統(tǒng)中的微藻等生物質(zhì)。通過(guò)物理或化學(xué)手段將微藻和菌群固定化也可形成藻菌共生系統(tǒng)[14]。通常應(yīng)用海藻酸鈣、卡拉膠、瓊脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等材料作為載體物質(zhì)，在一定程度上可以提高污水處理效果和生物量，但由于固定化成本較高，且有較大可能阻礙藻菌之間的氣體和代謝產(chǎn)物的交換等因素，從而限制了固定化藻菌系統(tǒng)在污水處理中的廣泛應(yīng)用[11,15]。

通過(guò)生物膜構(gòu)建藻菌共生系統(tǒng)是目前較受歡迎的一種方法，相比其它藻菌共生系統(tǒng)，藻菌生物膜系統(tǒng)的自我遮蔽效應(yīng)較少，同時(shí)便于收獲生物質(zhì)[16]，但生物膜藻菌共生系統(tǒng)的形成和運(yùn)行穩(wěn)定的控制條件要求較高，共生關(guān)系較為復(fù)雜，其機(jī)理研究目前不是很透徹[17]，因而并沒(méi)有得到大規(guī)模的應(yīng)用。此外，藻菌共生SBR反應(yīng)器也是一種較為流行的藻菌結(jié)合方式，其結(jié)合了傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器和藻菌共生兩者各自的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單、控制方式較為靈活。將微藻引入SBR反應(yīng)器中的微生物群落中，通過(guò)馴化形成一種新型的光生物反應(yīng)器，這種反應(yīng)器在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除和生物質(zhì)收獲方面具有更好的表現(xiàn)，并能有效減少曝氣能耗和碳排放[18]。

2 藻菌共生系統(tǒng)的影響因素

國(guó)內(nèi)外關(guān)于藻菌共生系統(tǒng)進(jìn)行廢水處理的研究已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史，在不同的工藝條件下運(yùn)行，藻菌共生系統(tǒng)的自身穩(wěn)定性、對(duì)廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效率及菌群的多樣性組成存在較大的差異。目前廣泛關(guān)注的影響因素主要以曝氣強(qiáng)度、微藻接種比、水力停留時(shí)間、光照條件和污泥形態(tài)等因素為主。

2.1 曝氣強(qiáng)度

曝氣強(qiáng)度不僅會(huì)影響溶解氧的含量，同時(shí)對(duì)于藻菌共生系統(tǒng)維持穩(wěn)定狀態(tài)也具有重要的作用，適當(dāng)?shù)钠貧膺^(guò)程可以提高廢水污染物去除效率并能縮短水力停留時(shí)間，但高強(qiáng)度的曝氣抑制了微藻生物量積累對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，且對(duì)于微藻和菌群之間的平衡也有著不利影響[19]。

2.2 微藻接種比

微藻的接種比會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除和污泥沉降性能[20]，研究發(fā)現(xiàn)使用混合藍(lán)綠藻接種，接種比例為1∶5，運(yùn)行10天時(shí)氮和磷的去除效率最高可達(dá)91% ± 7% 和 93.5% ± 2.5%，不同接種比下微生物的群落組成也有較大的差異。而在限制曝氣的條件下，則發(fā)現(xiàn)接種比例為1∶3時(shí)可以得到良好的氮去除效率[19]。

2.3 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間對(duì)于藻菌共生系統(tǒng)中微藻的生長(zhǎng)速度具有一定的調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)在高水力停留時(shí)間(4 d)和低食微比(0.15 kg BOD5/kg MLSS·d)的條件下有助于形成穩(wěn)定的藻菌共生系統(tǒng)，且懸浮態(tài)的微藻較少[21]，而在綠藻形成的藻菌共生系統(tǒng)中，總氮的去除效率隨HRT的增大而升高[22]。此外，水力停留時(shí)間對(duì)系統(tǒng)碳分配的影響也會(huì)干涉微藻的脂質(zhì)和碳水化合物的積累過(guò)程[23]。

2.4 光照條件

微藻的生長(zhǎng)和代謝與光照條件直接相關(guān)，光照強(qiáng)度、光照周期和光照品質(zhì)對(duì)藻菌共生系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除、藻類生長(zhǎng)、生物活性具有顯著的影響[24]。在達(dá)到光飽和點(diǎn)之前，微藻的生長(zhǎng)速率通常與光照強(qiáng)度成正比[25]，適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度和光暗周期有助于微藻對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除、生物質(zhì)的積累以及光能的利用[26-27]。

2.5 接種污泥的形態(tài)

接種污泥的形態(tài)也是一種重要的影響因素，絮狀污泥和顆粒污泥會(huì)形成差異明顯的藻菌共生系統(tǒng)，使用顆粒污泥作為微藻的固定材料，在2 L的反應(yīng)器中以高曝氣強(qiáng)度(6 L/min)和長(zhǎng)曝氣時(shí)間(355 min)條件運(yùn)行獲得了最高的總氮去除效率[28]，這與使用懸浮活性污泥形成的藻菌共生系統(tǒng)的運(yùn)行效果完全不同[19]，研究表明微藻會(huì)降低顆粒污泥的沉降性能，同時(shí)抑制功能菌群的增殖，進(jìn)而導(dǎo)致氮磷去除效率的下降[29]。

除此之外，污泥停留時(shí)間、底物濃度、堿度、溫度等因素也會(huì)對(duì)藻菌共生系統(tǒng)中生物量增長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除也存在一定的影響[30]。綜上所述，藻菌共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能性與多種工藝參數(shù)密切相關(guān)，因此需要嚴(yán)格控制特定的條件，才能促使這一技術(shù)獲得良好的廢水凈化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除性能。

3 藻菌共生系統(tǒng)的應(yīng)用潛力

3.1 氧氣補(bǔ)充作用

藻菌共生系統(tǒng)中微藻的一個(gè)重要作用即是通過(guò)微藻光合產(chǎn)氧補(bǔ)充系統(tǒng)中的溶解氧濃度。微藻在充足的光照下可以釋放出大量的氧氣，在管狀生物反應(yīng)器中其產(chǎn)氧速率最高可以達(dá)到10 g O2·m-3·min-1[31]，在溪流中晝夜溶解氧飽和度的變化與水體中的絲狀藻生物量的相關(guān)性高達(dá)64%[32]，這表明微藻生物活動(dòng)是水體溶解氧的重要來(lái)源之一。在膜生物反應(yīng)器中，光照強(qiáng)度(以光量子通量密度計(jì)，PPFD)為135 μmol·m-2·s-1，小球藻濃度為35.21 mg/L時(shí)，特定產(chǎn)氧速率(SOPR)可達(dá)17.31 mg O2·g-1MLSS·h-1[33]。有研究計(jì)算了濃度為6×106～7×106cell·mL-1的兩種微藻在(50 ± 5)μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下持續(xù)光照20 min，溶解氧濃度升高3.2 mg/L，綠藻(Chlorellavulgaris)和藍(lán)藻(Microcystisaeruginosa)的SOPR分別為(42 ± 1)fmol O2·cell-1·h-1和(49 ± 2)fmol O2·cell-1·h-1[34]，較低的微藻濃度即可產(chǎn)生足量的氧氣進(jìn)而改變體系中溶解氧的濃度。

3.2 資源回收潛力

藻菌共生系統(tǒng)的另一個(gè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是利用微藻生物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集，進(jìn)一步對(duì)微藻生物質(zhì)的利用可以實(shí)現(xiàn)資源回收。農(nóng)業(yè)中氮肥主要是通過(guò)哈伯-博世法生產(chǎn)，不僅耗能巨大且會(huì)排放大量的CO2[38]，而磷肥主要來(lái)源于磷礦的開(kāi)采，意味著目前磷元素獲取方式是不可持續(xù)的[39]。目前污水中的氮磷元素也被廣泛認(rèn)為是具有回收價(jià)值的[40]，而利用富含氮磷的污水進(jìn)行微藻培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分回收，要比傳統(tǒng)的吹脫法和沉淀法具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)[41]。獲得的微藻生物質(zhì)可以用作能源生產(chǎn)原料，例如進(jìn)行微藻制氫、脂質(zhì)提取和微生物燃料電池[42]，微藻中的粗蛋白、氨基酸、碳水化合物等也可以被提取并加以利用[43-44]。因此，相比傳統(tǒng)污水處理工藝，藻菌共生系統(tǒng)對(duì)污水的資源回收潛力更高并具有廣闊的前景。

4 結(jié)論與展望

藻菌共生技術(shù)是一種具有潛力的廢水資源化處理技術(shù)，相比傳統(tǒng)廢水處理工藝，其具有處理效率高、運(yùn)行能耗低、剩余污泥量少和資源化潛力高等綜合優(yōu)勢(shì)，但目前受制于其復(fù)雜嚴(yán)格的工藝控制條件，以及對(duì)溫度、光照等環(huán)境因素要求較高，短期內(nèi)仍然難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來(lái)在廢水資源化處理的趨勢(shì)下，需從光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、藻類光能利用率的提高、反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制和微藻生物質(zhì)的綜合利用等方面進(jìn)一步深入研究，才能促使這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正的資源化。