菌藻固定化技术及其在养殖污水处理中的应用进展

张 涵，孙 宏，吴逸飞，沈 琦，汤江武*，赵述淼*

（1.华中农业大学生命科学与技术学院，湖北武汉 430070；2. 浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所，浙江杭州 310021）

随着畜牧业的规模化、集约化发展，每年产生大量粪污，其中含有高浓度的氮磷污染物、难降解的有毒物及重金属等，若不加处置将导致自然水体遭受污染，严重威胁人类健康。传统的养殖污水治理技术主要以微生物技术为主，但存在处理时间长、抗污染物冲击负荷低、脱氮除磷的效果不佳等问题，产生的活性污泥和絮凝物又容易造成二次污染[1]。近年来，随着各种性能优良的新型固定化材料的开发利用和微藻净水技术的深入研究，菌藻固定化技术在处理养殖污水中得到了长足发展。

目前，固定化技术按照被固定对象可分为微生物固定化和以微藻净水为主体的菌藻固定化技术2类。微生物固定化技术通过载体固定功能菌群，具有硝化、反硝化、聚磷及降解有机质的能力，以固定化活性污泥最为典型；菌藻固定化技术借助菌藻共生系统，在该系统中，细菌和藻类影响着彼此的生理活动和新陈代谢，藻类释放信号分子使细菌聚集在藻际微环境，细菌释放出植物激素和营养素等小分子物质促使藻类生长，消耗水中氮磷及有机物，同时微藻光合作用产生的氧气可供细菌氧化有机质，避免了水体中有机碳源对菌群降解氮磷的约束，加强了污水处理效果，成为目前养殖污水处理技术中一个重要的研究方向[2]。本文着重阐述菌藻固定化技术的前沿进展及其技术特点、相关反应器设备设计和在养殖污水中的应用效果。

1 菌藻固定化的分类

在菌藻协同系统中，由于微藻和硝化细菌的生长速率远低于异养微生物，菌藻以悬浮态生长易于从反应器中流失，导致污水处理时间增加，后期固液分离困难。菌藻固定化技术是将菌藻通过材料吸附或包埋形成稳定的生物膜或空间结构，实现了菌藻停留和水力停留在时空上的分离，使污水处理高效化的一种技术。目前应用最广泛的菌藻固定化方式有吸附法，包埋法和生物自固定化法（表1）[3-4]。

1.1 载体表面吸附固定（菌藻生物膜） 吸附法是利用高分子材料或无机材料较大的比表面积将菌藻共同吸附在其表面的技术。菌藻能以生物膜的形式在载体表面固定增殖，当污水流经生物膜表面时，菌藻对污水中的氮磷、有机物和重金属进行吸附降解[5]。研究表明，菌藻生物膜构造在光照反应器中具有很强的纵向切面层次性，表现为与光照充分接触的表面微藻大量增殖；毗邻微藻层的为好氧微生物，主要进行氧化、硝化和有机质降解反应；深处是厌氧微生物层，主要进行反硝化作用。上述结构一旦成熟，其菌藻组成、有机物降解和脱氮除磷功能将形成平衡稳定的复合生态系统[6]。

表1 不同菌藻固定化方式的比较

菌藻生物膜可按照吸附材料分为物理吸附和离子吸附2种。前者利用微生物与材料间的范德华力进行吸附固定，典型的材料有硅胶、聚氯乙烯、活性炭、硅藻土、沸石、多孔玻璃、聚脂纤维素膜、陶粒、麦饭石（硅酸铝盐）等，上述载体成本低廉，应用范围广，光合效率高，但吸附作用较弱，菌藻膜易脱落。离子吸附所用的材料一般是表面带有与菌藻生物膜相异电荷的高分子材料，吸附作用较强，但对菌藻的吸附量有限，且材料成本过高，典型的材料有DEAE-纤维素、DEAE-sephadex等[7]。研究表明，菌藻吸附系统的稳定性受到污水的剪切力、污染物指标、pH、菌藻的种类、载体组成性质等多种因素影响[8]。例如，张正红等[9]利用活性污泥、光合细菌与小球藻的菌藻共生生物膜反应器净化猪场沼液，在适宜的水力停留时间和光照强度下，化学需氧量（COD）、总氮和总磷的降解率均达到84%以上，氨氮的降解率达到97%以上。

1.2 菌藻包埋固定化 菌藻包埋固定化是将微藻和功能菌群截留在由高分子材料交联成的空间孔隙中的一种固定化技术。通过包埋，菌藻和载体结合更加牢固，不易泄漏，不影响基质和代谢产物的传质性能，同时包埋的结构形成更大的比表面积，能吸附更高密度的菌藻，承受更大的污染物负荷，对环境因素的波动具有较强的适应性[10]。Yan等[11]以海藻酸钠为载体包埋活性污泥和小球藻用于处理废水后发现，在水力停留时间、溶氧、pH分别为12 h、3 mg/L、6.2～8.0的条件下，菌藻系统对COD和总磷的去除率均达到了60%以上，氨氮的去除率为30%。

研究表明，构建一个性能优良的固定化体系，所选用的固定化材料必须无毒且透光性良好，在污水中能保持结构稳定并承受细胞生长的空间张力。同时，还必须满足在高密度固定菌藻的前提下，最大程度发挥出藻类的光合作用[12]。目前，常用的固定化材料主要分为天然高分子材料和有机高分子材料2种,前者包括壳聚糖、卡拉胶、海藻酸钠和琼脂等，其优点是能保持被包埋微生物的活性，易于交联固定，缺陷在于不耐生物降解，机械强度较差;后者则以聚乙烯醇为代表，在众多有机高分子包埋材料中使用最为广泛[13]。Ramteke等[14]研究发现，不同固定化体系对重金属（铜、铬）的吸附效率具有显著差异，其中聚乙烯醇-羧甲基纤维素钠盐-活性炭载体要优于聚乙烯醇-羧甲基纤维素钠盐体系和聚乙烯醇-海藻酸钙体系。Hsiufeng等[15]发现，将硫酸盐还原菌固定在聚乙烯醇中不仅可以提高硫酸盐和铜元素的去除率，还能增强细菌对高浓度铜元素的耐受能力。1.3 菌藻自固定化 菌藻自固定化主要以丝状真菌为固定化载体，利用其在一定条件下能自发聚集成球的特性，固定不同的菌群和藻类[16]。如Muradov等[17]通过不同真菌和微藻的絮凝试验来处理猪场污水后发现，共生真菌微藻能显著提高猪场污水的修复效率，降低后期微藻的分离成本。

2 固定化菌藻和载体的选择

菌藻固定化系统中菌藻的种类是决定系统能否稳定运行的关键。研究表明，选用的菌藻必须同时具备耐受高浓度污染物和较高生长速率2种特性，才能在被固定到载体后保持较高的生物活性[18]。

2.1 菌种的选择 菌藻固定化系统中所采用的菌种一般有2种，一是经过人工筛选强化且能降低养殖污水污染指标的功能菌，例如主导脱氮功能的自养硝化细菌、异养硝化细菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌等[19]。De Bashan等[20]通过筛选获得的具有促进小球藻生长的巴西狐单螺菌（Azospirillum brasilense)与普通小球藻（Chlorella vulgaris)复配，并用海藻酸钙包埋处理，经过分批、半连续和连续合成养殖废水共固定化培养后发现，菌藻共生系统的脱氮除磷能力和藻类生物量积累明显优于固定化单藻系统，证实微生物对微藻的生长和污染物的降解具有促进作用。Herand等[21]将能高效富集铜、铁、铬、锌等重金属元素的菌株固定在聚合基质上，显著提高了这些金属元素的去除效果。二是采用经过人工富集的多功能菌群。严清等[22]利用海藻酸钙分别包埋小球藻、活性污泥及两者混合物用于处理污水，结果表明固定化菌藻系统对氨氮和总磷的去除率分别达到了97.09%和88.69%，效果优于单一固定化藻类和固定化活性污泥。

2.2 藻类的选择 菌藻固定化中使用的藻类主要集中在绿藻门中的小球藻属和栅藻属，这两属的微藻耐污染物负荷能力更强，且生长过程中不会产生藻毒素[23]。Huang等[24]通过聚乙烯醇-硫酸盐交联法包埋小球藻和活性污泥处理合成畜禽污水后发现，在最适光照强度和光暗比条件下处理12～14 h，污水中硝态氮和总氮的去除率分别达到了100%和99.6%。Singh等[25]将固定化小球藻置于光照反应器后发现，污水中氨氮、磷酸盐的去除率都在99%以上，铬的吸收量达到了57.33 mg/L。但过高的污染物（重金属）浓度对藻类的光合作用也有抑制作用，可导致藻类细胞结构的改变[26]。

2.3 固定化材料对菌藻活性的影响 固定化材料的形态特征和空间结构对菌藻活性均有影响。在固定大量菌藻时，由于形状、尺寸、透光性、孔隙度、吸附值和比表面积等的差异会造成菌藻膜厚度及传质性能的不同[27]。研究表明，固定载体材料的交联液在一定程度上也对菌藻有毒害作用，将降低生物活性，影响包埋体内的传质性能和氧气传递效率[28]。

3 菌藻固定化反应器

菌藻固定化反应器主要用于将固定化成品置于光照反应器内，满足菌藻生长定殖的要求。反应器的体积、尺寸、光照强度、光暗比、温度、水力停留时间、材料填充比和曝气量等参数均需参照污染物指标和理化性质进行设计。目前主要的菌藻固定化反应器分为3种：固定化床反应器、膜生物反应器和流化床反应器。

3.1 固定化床反应器 菌藻固定化床反应器是以载体吸附形成菌藻膜的原理进行研发的反应器，采用在开放式或封闭式反应器中填置吸附系统，污水与载体充分接触达到降解污染物的目的。其工艺简单，可操作性强，但处理效果受光照比表面积和固液接触面积的影响[29]。

3.2 膜生物反应器 菌藻膜生物反应器应用了菌藻共生原理和膜分离技术，其核心部件是膜分离组件和光照生物反应器。膜分离组件具有固液分离作用，可将菌藻和部分污染物截留在膜上，实现了菌藻停留时间与水力停留时间的分离，但由于膜组件价格昂贵，导致该反应器难以大规模推广应用。Sun等[30]采用菌藻膜生物反应器处理畜禽污水后发现，微藻能改善微生物活性和污泥特性，且共生系统的污染物去除效率要优于对活性污泥和微藻的单独固定化处理。

3.3 流化床反应器 流化床反应器是养殖污水通过压力泵自上而下流经被包埋体填充的一类反应器，能保证单位时间内固定化载体与养殖污水达到一定的接触面积，实现污染物高效截留；但其对设备和工艺参数要求高，推广应用限制较多[31]。邓旭等[32]通过固定化菌藻流化床处理合成有机废水后发现，当溶氧为5 mg/L时，氨氮去除率在98%以上；当光照强度为2 000 Lux，藻球填充率为20%，水力停留时间为12 h时，总磷的去除率可以达到70%以上。

4 菌藻固定化技术的应用

畜禽养殖污水的主要特点是含有大量高负荷污染物及Pb2+、Cu2+、Cr6+、Zn2+等重金属离子。目前，菌藻固定化能较好地解决传统活性污泥法处理工艺中存在的氮、磷去除效果差的弊端[33]。在固定菌藻的过程中，控制各种吸附材料的质量或浓度，菌群和藻种的选择及复配比，交联液种类及使用方式决定了菌藻固定化体系的适用性和稳定性。Dong等[34]采用固定化氨氧化菌处理生猪养殖污水后发现，氨氮去除率达到了90%以上，且在经过4次循环利用后仍表现出较高的氨氮去除能力。Wang等[35]利用固定化微囊藻和硝化细菌净化猪场污水后发现，海藻酸钠包埋菌藻处理高、低浓度沼液的效果均效好；高浓度下氨氮、总磷和COD去除率分别达到90.77%、76.10%和70.13%，低浓度下氨氮、总磷和COD去除率分别达到77.41%，69.02%和55.07%。另一方面，菌藻固定化系统可通过菌藻自身的吸附、富集等过程完成对重金属污染物的去除。王亚飞等[36]研究证实，微生物与藻类固定化后的处理效果要优于单一固定化污泥或小球藻，在最佳配比条件下，固定化菌藻对锌离子的去除率达到了90.5%。但总体而言，国内外相关研究仍较少，特别是有关菌藻系统如何协同发挥污染物去除的作用机制目前仍未明确。

5 菌藻固定化技术存在的问题及未来研究方向

菌藻固定化技术在养殖污水处理中具有广阔的应用前景，特别是与传统的活性污泥处理技术相比有较大优势，表现为脱氮、除磷和去除重金属的能力高，不会造成潜在的二次污染。目前，菌藻固定化应用最为成熟的技术仍是载体吸附法的主要原因：一是包埋技术不够成熟，包埋材料稳定性不理想且交联过程中菌藻损失较大，包埋体本身的遮光性抑制了微藻的光合及污染物降解效率；二是有关菌藻包埋后固定化生长代谢的动力学参数研究较少，很难为菌藻包埋体系和相关反应器参数设计提供理论依据；三是菌藻固定化系统的设备运行成本过高，工艺要求复杂，目前仍难以大规模推广。未来菌藻固定化研究的方向主要可能包括具有高效稳定降解功能的菌藻筛选，优质且制作成本低廉的固定化载体的研发和相关反应器及处理工艺的优化和推广。相信随着研究的深入，菌藻固定化技术将在畜禽养殖污水治理研究上发挥越来越大的作用。