固定化菌藻共生體去除污水染物的機理及進展

章楚卓，詹健

(南昌大學 資源與環境學院，江西 南昌 330031)

根據中華人民共和國住建部發布的城市建設統計年鑒顯示，截止2019年底，全國城市市政公用設施的污水處理率達96.81%，污水處理廠集中處理率達94.81%，污水處理廠將污水進行二、三級處理的處理量達5 258 499萬m3，與上一年相比，污水處理率增加了1.32%。污水處理方面的投資總額增加，說明我國在污水處理這方面的需求也在不斷的增加。隨著經濟的快速發展和污染物排放量的增多，水環境面臨嚴峻的挑戰，水污染治理的高效節能及后續的環保問題等成為環境領域的重點工作之一。我國城市污水處理的工藝類型為活性污泥法，占到八成以上[1]，但傳統工藝仍然存在不少問題，如運行費用高、容易出現污泥膨脹、需定期排泥、管理復雜、效果不穩定等。由此可以得出，推動城市污水處理的可持續性發展需要污水處理新技術的應用。

1 污水處理中藻、菌的選擇及相互關系

表1 常見微藻的特性及在污廢水中的去除效果Table 1 The characteristics of common microalgae and their removal effect in sewage and wastewater

藻類與細菌之間的關系比較復雜，兩者不僅包括競爭關系，還包括互利共生關系。藻類和細菌在生長繁殖的過程中，需要氮磷等營養物質的支撐，當環境中的營養物質不能同時滿足兩者需要時，細菌和藻類之間就會產生競爭關系。生活在藻際微環境中的菌群呈現出多樣性，細菌可以直接利用源自于藻類的有機物，供自身的生長和繁殖，藻類產生的胞外膠狀物，大多為多聚糖類的物質[17]，而這些物質能夠刺激環境中細菌的生長繁殖；同時細菌產生的一些物質也是藻類所需要的[18]。藻類與細菌相互作用的機制包括營養物質的交換、化學信號的轉導和基因的水平轉移[17]。營養物質的交換作為最為普遍的方式之一，藻類細胞可以產生一些胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)，來維持細菌的活性狀態[19]；細菌也可以向藻類提供微量營養素，Croft等[20]提出細菌能像藻類供給維生素來換取碳源。化學信號的轉導更像是兩者間的信息通報，細菌可以分泌一些誘導性的物質信號作用于藻體，而藻類也可以產生像信息素等這類的物質作用于細菌。基因的水平轉移是指藻類將細菌的部分基因轉化為自身的基因，這些基因的轉移更有利于藻類應對周圍環境的變化，對藻類的生存具有重大意義[21]。

2 菌藻共生體去除污水染物的機理

2.1 氮、磷的降解

其中藻類以CO2為碳源，吸收污廢水中的氮磷等營養物質，藻類中的葉綠素等物質完成光合作用并釋放出氧氣，并完成藻類細胞增殖的過程。李小霞等[31]提出藻類在進行光合作用時，會使得污水中的pH升高，這是因為CO2作為碳源，污水中的CO2含量減少，磷酸鹽與水中的離子在pH高的環境下形成沉淀物，氨氮的揮發增加，實現氮磷的有效去除[8]。

2.2 重金屬的去除

藻類的細胞壁主要由蛋白質、多糖和脂肪組成，并且帶有一定的負電荷，呈網狀結構[32]，其細胞膜具有高度選擇性的半透膜，藻類由于自身結構的特點決定了它可以富集金屬離子[33]。藻類對一些金屬離子的親和性具有以下的順序：Pb>Fe>Cu>Cd>Zn>Mn>Mo>Sr>Ni>V>Se>As>Co[34]。

藻類對金屬離子的去除主要是通過生物吸附和生物富集，生物吸附包括表面絡合、離子交換和氧化還原作用，藻體的細胞壁最先開始與金屬離子接觸，細胞壁中的氮、磷、硫等可以作為配位原子與金屬離子配位絡合；金屬離子可以與藻類細胞表面的陽離子互換，被互換的陽離子進入到溶液中；藻類對金屬離子的去除還存在氧化還原反應，金屬離子在細胞表面經過氧化還原反應的作用后，可以提高其反應效率[35]。生物富集不同于一般沉積、吸附或離子交換，而是一個復雜的物化和生化過程，生物富集包括主動運輸、胞內和胞外金屬蛋白的合成等機理，而這些過程都與細胞的代謝密切相關[36]。金屬離子如Zn、Mn等是藻類生長必需的，在藻類生長的過程中，可以從污廢水中獲取營養[37]。而有些金屬離子如Au、Ag、Cd等對藻類產生毒害作用，從而影響藻類的生長代謝、抑制光合作用、導致藻類細胞畸變等。活藻體適用于低濃度的重金屬水體中，如地表水[38]，在高濃度的重金屬污水中，活藻體對污染物的濃度耐受力不高，容易造成活藻體的活性降低，甚至是藻體的死亡。因此目前大部分研究集中在死亡藻體去除金屬離子，死亡藻體對重金屬的耐受力高，且易于培養，相比于一般的藻體，具有更高的去除效率。

2.3 難降解有機物的去除

污廢水中難降解有機物通常有以下幾個方面的特征：污染物的分子量相對較大、毒性較強、其結構和成分相對復雜等。微藻對難降解有機物去除的機理和對去除金屬離子的機理相似，藻類可以有效的富集和降解多種有機物，如抗生素、有機氰化物、芳香族為代表的多環及其他長鏈有機化合物等[39]。鐘雪晴等[40]提出微藻去除抗生素的幾種機制包括生物表面吸附、生物降解、生物累積、光合降解和水解與揮發。藻類生物表面吸附與抗生素的親、疏水性和電荷有關，KIKI C等[41]認為疏水性高的抗生素比較容易被吸附。于穎等[42]認為抗生素的濃度與微藻的比生長速率呈負相關，抗生素的濃度越高，微藻的比生長速率越低。帥正[43]就淡水微藻綠球藻、羊角月牙藻和萊茵衣藻探究對多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的去除效果。有研究表明，細菌和藻類可能存在著相同的對PAHs的降解代謝的途徑，但是并沒有證據表明藻類和細菌兩者具有相同降解有機物的基因，這還需要進一步去驗證。

3 固定化菌藻共生系統處理污水

固定化技術主要是利用物理、化學等多種方式，將生物細胞固定在有限的空間內，并且使得生物細胞保持活性反復利用的技術[44]。相對于懸浮化菌藻共生系統，固定化菌藻共生系統很好的解決了需要定期排泥和效果不穩定等問題，能夠更好的抵抗外界惡劣環境。固定化技術常見的方法有吸附法和包埋法。

吸附法是指通過一些載體的表面和藻類細胞之間的吸附作用，藻類和細菌在載體上吸附成長，并形成菌藻共生生物膜。生物膜的形成有助于藻類的生長和繁殖，同時可以吸收污水中的氮磷等污染物，來達到凈化污水的效果。同時載體的加入可以避免藻類不必要的流失，在一定的程度上提高了污水凈化能力。王振威[45]就載體的污水處理能力和固定藻類，制備最佳發光填料負載，在反應器中加入發光填料，實驗通過對葉綠素a濃度測定和脫氮除磷效果分析，研究表明，在投加了發光填料以及發光材料含量較多的反應器中，污水的凈化能力大大提升。膜過濾技術同樣也應用于藻類去除污水，其中動態膜技術被認為是一種具有潛在發展的技術。與傳統的過濾膜不同，動態膜是通過不斷地截留過濾的介質，從而在表面附著形成，整個過程可視為“動態”。吳文劍[46]采用不銹鋼網作為膜組件放入菌藻共生系統中，實驗結果表明藻類的生物量顯著提高，是未優化前藻類生物量的3倍，且出水濃度大大降低，污水中的營養物質平均去除率達80%以上。吸附固定法在一定的程度上提高了污水凈化的能力，但其所使用的載體重復使用率低、甚至會有脫落，影響菌藻共生系統的穩定性。

包埋法是指將菌、藻細胞按照一定的比例與材料固定形成多孔隙凝膠，使其細胞不能自由移動，細胞在多孔凝膠中生長繁殖，污水中氮、磷的去除靠藻類和凝膠的吸附，常見的固定化細胞有機材料包括海藻酸鈉、聚乙烯酰胺、瓊脂等。魏彩霞[47]利用海藻酸鈉固定小球藻，形成有一定硬度的海藻酸鈣球體，將小球藻包埋其中，實現小球藻的固定化培養，試驗表明在最優的固定條件下，不僅提高了小球藻的沉降性能，并且對污水中營養物質的去除率在80%以上。

4 結語及展望

(1)固定化菌藻共生系統在城市處理污水展現出強大的優勢，在結合與傳統污水處理技術的過程中，在不斷的優化及提升其凈化能力，但仍然存在一些問題：固定化技術在選擇載體時，要考慮載體的性能及成本，在與菌藻共生系統長期接觸時，考慮其載體是否容易被微生物分解等問題，載體材料的運用在實際工程中并未能得到很好的實踐。

(2)為了更好的了解固定化技術的吸附去除機理，今后的研究重點可以是生物吸附劑對氮磷和金屬離子等的吸附動力學和熱力學特性，更加深入探討生物吸附的規律。此外，為了貫徹落實我國“綠色”共享理念，從藻類的回收再次利用的角度出發，藻類含有豐富的油脂、維生素、葉綠素等，并且含有生物活性物質糖蛋白，具有增強機體免疫等的功能，在利用藻類處理污廢水后，可以取得一些生物質燃料、有機肥料和動物飼料等，實現藻類的回收利用[48]。在我國大力推行“碳中和”的背景下，“碳中和”作為一種新型的環保形式，藻類在這方面也能有很好的發展潛力，藻際有機質是連接藻類與共生微生物的樞紐，胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)就是其中的一類，EPS可以充當藻類的營養基礎，也可以影響菌藻共生系統的建立和調節微生物群落的組成等[49]。EPS也是連接顆粒有機碳(particulate organic carbon,POC)和溶解有機碳(dissolved organic carbon,DOC)的樞紐，EPS對碳循環起到重要的作用，藻類因固碳速率高、環境適應能力強等優點，通過菌藻共生系統和模擬煙道氣耦合培養環境條件下，優化藻類對CO2固定效果，努力實現二氧化碳“零排放”。