微藻的固定化和分離技術及其在污水處理中的應用

劉金金

微藻的固定化和分離技術及其在污水處理中的應用

劉金金

（沈陽建筑大學， 遼寧 沈陽 110168）

微藻目前在水處理領域日益廣泛，微藻在使用時存在很多問題，尤其是固定化和分離技術方面，對微藻的固定化技術、微藻的分離技術、微藻在污水處理廠中的應用問題進行了綜述，為進一步發展微藻工藝的凈化污水技術提供重要依據。

微藻固定化； 微藻分離； 污水應用

微藻指的是只有在顯微鏡下才能分辨其形態的藻類，是一種自養型微生物，在大自然中廣泛存在。在其生長發育中，以CO2和碳酸鹽為碳源，以環境中的氮為氮源，并且能以無機磷酸鹽為磷源，通過藻類細胞中的葉綠素進行光能自養，從而可以進行細胞增殖，并且光合作用可以釋放氧［1-4］。微藻在生態和經濟方面都有著顯著優勢，可以生產油脂、高光合作用率、可吸收廢水中富營養元素等。隨著研究人員對微藻不斷地開發利用，部分微藻如小球藻和螺旋藻等已廣泛應用于食品工業；微藻由于其營養物質也被逐漸應用于醫療行業；微藻含有較高的脂類物質，可以作為生物柴油原料［5-7］。如何最大化地開發利用微藻具有重要的意義。但由于微藻形態微小，使其在水中收獲困難，并且在利用微藻來處理廢水的反應器中，難以將微藻的濃度維持在較高的水平，使處理器的處理效率降低，若微藻分離不當，還易再次引發水體二次污染，所以微藻的固定技術和分離技術對微藻處理污水具有重要作用［8-9］。本文對微藻的固定化技術、微藻的分離技術、微藻在污水處理廠中的應用問題進行了綜述，為進一步發展微藻工藝的凈化污水技術提供重要依據。

1 微藻的固定化技術

1.1 包埋法

包埋法常用于微生物、動物和植物細胞的固定化，其中凝膠包埋法是應用最廣泛的固定化方法。這種技術是通過將微藻截留在水不溶性的凝膠聚合物空隙的網絡空間中，通過聚合作用或者通過離子網絡形成，再或者通過沉淀作用，或者改變溶劑、溫度、pH等外界因素，從而實現微藻細胞截留，來實現細胞固定化。其優點是固定化強度高，顆粒強度高，細胞和載體之間沒有束縛，適合用于大多數藻類固定。缺點是實驗操作復雜，并且微藻經過固定化后，其新陳代謝會受到負面影響，導致生長受到抑制，從而影響作用效果?，F有的包埋材料主要有：瓊脂、藻酸鹽、骨膠原、果膠等。胡駿等將微藻包埋于瓊脂中，制成微藻顆粒,并設計柱狀光連續處理反應器,研究反應器對NH4+-N、PO43--P的去除效果,實驗結果表明，在處理實際廢水的過程中，NH4+-N、PO43--P可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級標準,COD達到二級處理標準［10］。梅毅強等將斜生柵藻包埋固定化于細菌纖維素中，對養殖豬糞廢水進行處理，實驗結果表明,與游離態去除效率相比,包埋固定化后的斜生柵藻對NH3-N、TN、TP和COD去除效率分別下降了45%、20%、30.8%和11%［11］。范玉輝等利用濃度為5%的包埋劑（PAC-SA）來固定化微藻,藻液量設為6 mL（5.48×107 cell·mL-1），來處理厭氧消化液，得出藻液與包埋劑最佳配比為1∶1，實驗結果顯示,固定化微藻-活性炭對NH4+-N、TN、PO43--P和TP的去除率分別比懸浮態高出21.26%、16.21%、11.13%和

14.69%［12］。蘆尚德等利用海藻酸鈉+羧甲基纖維素鈉+硅藻土作為固定化基質有利于小球藻的放氧，其最高放氧量介于第3～4天，對于1 L水體增氧的最適固定化小球藻體積為150 mL，固定化小球藻的光合速率明顯高于游離態小球藻［13］。

1.2 吸附法

吸附法是利用細胞和載體相互間的吸附作用，來達到微藻固定化。纖絲狀藻類可以侵入和集落固定化載體，利用這一特性可將微藻固定在載體上。其優點是操作方便，成本較低，缺點是固定化強度低，載體可吸附的細胞量受限，并且細胞經過固定化后容易脫落。常用的材料是纖維素載體和無機載體，例如多孔陶瓷與多孔玻璃等。吳義誠等將納米Al2O3利用到微生物燃料電池中，實驗結果表明，在海藻酸鈉固定的小球藻中加入納米Al2O3后，其比表面積增加,并且使固定化小球藻陰極MFCs輸出電壓由0.113 V提高到0.173 V,且電池的輸出電壓隨著膠球粒徑的減小和加入量的增加而提高,光照可降低MFCs內阻,提高產電性能［14］。并且吳義誠等利用生物炭-海藻酸鈉聯合固定化小球藻膠球,去除廢水中氮磷，實驗結果表明，這一技術具有生物炭吸附與小球藻吸收協同作用,并且可以促進小球藻的生長和水中氨氮的去除,且隨著膠球加入量和膠球粒徑的增加，水中氨氮的去除率也隨之提高［15］。朱雯喆等選擇生物炭為固定微藻的載體，對重金屬鎘進行耦合修復,降低了污水中鎘的含量，并且提高了微藻的生物質回收量［16］。嚴清等在海藻酸鈉中加入活性炭，提高了固定化藻球的強度，實驗結果表明，當活性炭添加量為海藻酸鈉凝膠的1%時，加固膠球系統對氨氮的去除率會不斷增加,最高可增至80%左右;對正磷酸鹽也有較好地去除效果,去除率可達96%以上;并且活性炭加固膠球后,提高了藻細胞密度,也改善了固定化性能［17］。

1.3 交聯法

交聯法是指通過交聯劑表面的活躍基團與微藻細胞表面的活性基團之間的交聯作用，來形成網狀結構，從而達到固定化效果。其優點是操作方法簡單，細胞不易脫落，缺點是劇烈的固定化作用會對固定化的細胞傷害較大，不利于細胞后期生長。

2 微藻的分離技術

2.1 化學法

絮凝是收集藻類常用的方法，將分散的單元聚集一起形成巨大的單元，再由絮凝劑或混凝劑沉淀下來。一般情況下，存在四種絮凝原理：電荷中和、修補、清掃和吸附橋接?；瘜W絮凝存在三種主要類型的絮凝劑：無機絮凝劑、無機聚合物和有機聚合物。無機絮凝劑以其快速、高效的特點被廣泛應用于微藻的捕收，這些無機顆粒維持在微藻的表面，從而影響油脂的提取，無機絮凝劑的主要缺點是污染后續過程，限制了培養基的回收利用。無機絮凝劑是一種成熟、安全的絮凝材料，具有高效、可生化的特點，然而高用量使用使得無機絮凝劑價格昂貴。有機絮凝劑包括天然絮凝劑、合成絮凝劑和聚電解質絮凝劑。收獲微藻最有效的絮凝劑是陽離子絮凝劑，因為它們會被負電荷的微藻細胞吸引。常見的有機高分子絮凝劑主要有殼聚糖、纖維素、表面活性劑等，這些有機聚合物可以降低藻類的負電性，充當細胞間的橋梁。

2.2 物理法

物理法主要有離心、過濾、重力沉降、浮選、電方法等。離心是利用離心力將兩種非混相物質分離的過程，這類方法用于產生次生代謝物，不同類型的不同效率的離心分離機已經被用于微藻細胞收集。過濾是一種物理過程，藻類懸浮液通過過濾器或多孔膜運行，對于大型微藻過濾的效果很好，但是對于小球藻等尺寸較小的微藻，過濾的效果較差。膜微濾由于能耗低、成本低、不添加化學物質等優點，適用于小規模采集生產。重力沉降是一種固液分離方法，沉降的效率取決于沉降時間和速度，與細胞質密度有關。重力沉降方法是一種經濟有效的方法，而且能耗低，但是低質量微藻不能通過重力沉降得到有效收獲，一些生物量可能在沉降過程中惡化。浮選是將氣泡噴射到懸浮液中，附著在固體或懸浮顆粒上，由于密度較低而上升到液體表面，從而分離。浮選是一種很有前途的淡水微藻捕集方法，具有空間小，時間短，靈活性好的優點。電方法是利用微藻細胞表面的負電荷，通過電場運動來使微藻聚集。文豪等人利用空心硅硼酸鈉微珠作為載體代替傳統氣浮法的氣泡，發展了一種新型的無泡浮選采收技術，通過對比硅硼酸鈉、粉煤灰、空心玻璃珠、乳膠顆粒等四種材料的浮珠，發現硅硼酸鈉的疏水性更強，浮珠的采收率最高，而且高于不添加浮選劑條件下的氣浮法的采收率［18］。

2.3 生物法

生物法主要分為生物絮凝和自絮凝。生物絮凝可以分為四種類型：細菌絮凝、真菌絮凝、放線菌絮凝、植物性絮凝。微藻的生物絮凝依賴于高濃度細菌產生的胞外聚合物以及微藻附著在其表面，從而形成絮凝體。目前微生物對微藻的生物絮凝研究主要集中在細菌上，而真菌、放線菌等研究還很有限。自絮凝是指細胞在液體培養過程中，由于其特殊的表面特性，可以相互堆積和黏附。一般情況下，某些微藻在某些環境脅迫條件下會自然發生自絮凝反應，如pH變化、營養物質變化等。微藻細胞可以形成穩定的懸浮體，因為表面帶負電荷，可以通過調節pH來調節自絮凝。何嘉雯等通過從城市污水培養微藻體系中篩選出一株檸檬酸桿菌W4促進小球藻絮凝收獲，結果表明，檸檬桿菌W4能夠適應小球藻培養體系并成為優勢菌種，發揮絮凝作用［19］。趙飛燕等利用微藻Desmodesmus sp. ZFY和Monoraphidium sp.QLY-1為研究對象，進行共培養，通過考察生長特性、油脂產率、細胞絮凝效率，尋找適宜的共培養條件，建立了快速自絮凝采收微藻生物質的新策略，結果表明共培養的絮凝效率高于單獨培養［20］。

2.4 磁方法

磁泳分離技術的優點有操作簡單、節省時間、簡化了材料的合成和材料的可重復使用性。磁方法的原理是用磁性顆粒標記微藻細胞，并用外部磁場將它們從培養物中分離出來。近年來，磁性納米復合材料由于其高比表面積、超順磁性、生物相容性和可重復利用性等優點，已被應用于小球藻和綠藻等微藻的高效捕捉。然而，有些磁性納米顆粒在微藻收獲過程中受到限制，這是由于其收獲性能較低。

3 微藻在污水中的應用

3.1 微藻在河道中的應用

微藻生態修復技術是指利用微藻可以高效和快速地吸收水體中的氮磷等富營養物質的優點，并通過調節藻類爆發生長的生態因子，從而使藻類可以迅速吸收水體中的氮磷，形成巨量生物膜；而利用形成的生物膜又可以吸附水體中的懸浮物和其他污染物質；再按照系統科學的原則把生物、物理、化學等技術組成一套凈水系統，通過系統工作，把藻類等污染物從水體中分離富集出來，系統中的水體經過多次循環凈化，直到水質清澈透明，水體逐步恢復自凈能力。其優點有不挖泥、不換水、見效快、固定投資少，并且不影響河道船只同行、泄洪等功能，同時可以在專利設備上做出各種景觀設施，不僅凈化水質，同時也提高了河道觀賞性。郭兆凱等 通過公司研發的藻類生長調節劑和生態修復專利設備,對蘇州友誼河城灣河段近3×104m3的水體實施微藻生態修復技術, 經過40多天的治理, CODCr氨氮和總磷等指標得到有效降低, 均低于<城鎮污水處理廠污染物排放標準>一級A的標準, 水體從原來的黑臭、重度富營養化變為清澈透明, 水體生態功能恢復［21］。

3.2 微藻在黑臭水體中的應用

黑臭水體是指水體散發出異味或者水體顏色異常，致使水體周邊的環境受到影響的水體總稱。隨著經濟快速發展，黑臭水體治理逐漸成為我國環境問題之一。黑臭水體的形成原因主要是由于水動力不足、外源污染、內源污染、運營管理等。其治理技術目前主要有控源截污、內源治理、復氧技術、藥劑投加、活水技術、生態修復等。生態修復技術是治理黑臭水體應用最廣的處理技術之一。盧杰等研發出一種利用土著微生物膜與微藻聯合處理黑臭水的方法，包括生物接觸氧化法協同培養土著微生物膜的預處理工藝：將黑臭水通過接觸氧化法進預處理，同時培養土著微生物，在微生物的作用下，通過一系列生化反應，最終形成氮氣脫離水體，從而降低水體中的氨氮含量；再將預處理后的出水進行微藻強化處理，可以實現黑臭水的凈化與再利用［22］。

4 結束語

本文對微藻的固定化和分離技術進行了綜述，并探討了微藻應用于污水中存在的問題，為進一步發展微藻技術提供了重要依據，微藻的污水應用存在良好前景［23-25］。

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Immobilization and Separation of Microalgae and Its Application in Wastewater Treatment

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Microalgae now is more and more widely used in the field of water treatment, but there are many problems in using micro algae, especially its immobilization and separation process. In this paper, the microalgae immobilization technology, micro algae separation technology, the application of micro algae in sewage treatment plant were summarized, in order to provide important basis for further development of micro algae technology in sewage treatment.

Immobilization of microalgae; Microalgae separation; Application of sewage

2021-03-29

劉金金（1996-），女，沈陽省沈陽市人，2018年畢業于沈陽建筑大學環境工程專業，研究方向：環境科學與工程。

X703.1

A

1004-0935（2021）06-0836-04