微藻处理污水研究进展

李 扬

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

传统的污水处理法主要有物理法、化学法和生物法。物理法和化学法虽然可以有效去除污水中的颗粒物，但是处理成本高，易引起二次污染[1]，且对氮、磷等营养物质的去除效果差[2]。传统的生物法对氮、磷等营养物质去除效果不理想，且产生大量低价值的活性污泥。

微藻是具有叶绿素、光合自养能力、没有根茎叶分化的隐花植物，属于低等孢子植物。它们个体微小，生存能力强，繁殖速度快，易于培养。相对于传统的污水处理方法，微藻可以增强对污水中营养物质、有机污染物、重金属和病原体的去除，并耐受一定的有毒物质，可处理的污水范围极为广泛[2]，是一种高效率、低成本的新型“绿色”技术。微藻不仅可以净化污水，收获后还能进一步制备生物燃料及高附加值产品，如食品、保健品、化妆品等，且无二次污染、操作简便，目前已成为污水处理中的重点研究方向。

1 微藻净化污水的机理

污水中氮磷含量高是水体富营养化的主要原因之一，而氮磷都是重要的细胞组成元素，可以作为营养物质被微藻利用。

1.1 微藻脱氮原理

同化吸收、氨挥发、硝化和反硝化是微藻去除污水中无机氮的主要原理。微藻可以通过同化将硝酸盐形式的无机氮转化为亚硝酸盐，继而转化为铵盐并吸收利用。氨挥发是指微藻的光合作用和温度增加对氨态氮挥发的促进作用。此外，微藻还可以通过自养和异养混合营养的方式吸收有机氮。

1.2 微藻除磷原理

微藻对污水中磷的去除主要是磷酸化作用。微藻通过磷酸化方式利用磷元素去除污水中的磷，主要有磷酸氢根形式和磷酸二氢根形式。此外，微藻还可有效去除正磷酸盐。有研究表明，微藻对市政废水中正磷酸盐的去除效率较高。与微藻脱氮原理相似的是，有机磷的去除也可通过微藻光合作用导致pH值升高来加速其沉淀。

2 藻种选择

藻类可分为蓝藻门、绿藻门、甲藻门、金藻门、红藻门、褐藻门等11个门，其种类十分繁多，大小形态不一。不同藻种对污水的处理能力差别较大，因此，藻种的选择是决定其污水处理效率的重要环节。选择时，须针对污水处理的需求，选择能在污水中生长且适应能力强、生长速率快、单位时间生物量积累高、吸收氮磷快、易于培养的藻种，以利于提高处理效率。Mata et al.[3]研究发现，单细胞叶绿素藻种对多种废水表现出很强的适应性，且对污水中的氮磷等营养物吸收效率较高。

常见的污水处理藻种主要包括小球藻、栅藻、螺旋藻、微绿球藻、衣藻、葡萄藻等。其中，小球藻的生长速率较快，去除氮磷的效率高，而且含有较多油脂，在污水处理的同时还可以提取生物油脂进一步利用；栅藻适应污水能力强、生长速率快、去除氮磷的效率高，并且有较好的自沉降性能，便于处理后的采收；螺旋藻可吸附重金属，还可提取营养品，经济价值高；微绿球藻易于培养，对温度和pH值的适应范围较广；葡萄藻对有机和无机碳源均可去除。

选择藻种进行污水处理的方式主要有3种：

a.直接选用小球藻等对污水处理效果较好的藻种，如郑子英[4]采用中科院武汉水生生物研究所提供的普通小球藻研究了其对氨厂废水的处理效果，实验证明普通小球藻对COD的去除率可达95.60%，且对氨厂废水的耐受性浓度限值为75.00%。

b.从待处理的污水中分离优势藻种，经筛选后用于污水处理，如程海翔[5]在某养猪场废水处理池内观察到一株生长优势非常明显的绿藻，并发现其对废水中氮磷有较好的去除效果，经鉴定该微藻为栅藻，且对氨氮、总氮、总磷、COD和重金属的去除效率均较高。

c.从其他途径如土壤样品中分离筛选藻种，如郭宝文[6]从山西庞泉沟自然保护区采集土壤样品并从中分离筛选了一株微藻，实验证明其对市政污水中的氮磷等污染物去除效果较好，同时具有良好的自絮凝特性。

3 微藻污水处理模式

3.1 单一藻株的污水处理

单一藻株的污水处理特性研究较多，常见的研究是将几种微藻的处理效率进行对比。边磊[7]用螺旋藻和小球藻分别对模拟尿液废水和实际尿液废水进行处理，研究结果表明，在人工添加葡萄糖等有机碳源混合营养条件下，微藻对氨氮、COD、总磷的去除效率和生物量均有提高，其中氨氮的去除率可达90.00%以上。刘磊等[8]研究了淡水小球藻、海水小球藻和链带藻对人工污水中氮和磷的去除效果，实验发现，这3种微藻对污水均具有较好的耐性，对人工污水中的氮磷去除效果显著，且小球藻的生长情况及对氮磷的吸收情况均优于链带藻，淡水小球藻优于海水小球藻，培养7天，淡水小球藻、海水小球藻和链带藻的生物量分别达到158.5mg/L、139.7mg/L、58.8mg/L，对氨氮的去除率分别达到90.00%、80.20%、57.10%，对可溶性磷酸盐的去除率分别达到94.70%、72.20%、55.10%。张波等[9]通过比较不同藻株在生活废水中的生长状况，发现小球藻的生长速率最高，生物量产率达109mg/(L·d)，同时COD、TN、TP的去除率分别达到39.00%、88.00%和93.00%。

3.2 菌藻共生的污水处理

20世纪50年代，Oswald提出高效藻类塘工艺时首次提出了菌藻共生处理污水的概念，通过微藻和细菌的共同作用，使得污水中氮磷及有机物的去除效率大大提高。微藻光合作用产生的氧气有利于水中好氧微生物的生长，好氧细菌呼吸产生的二氧化碳又能被微藻利用，微藻吸收氮磷产生的有机物及死亡的藻细胞可以被细菌氧化分解，这样的互利共生使得菌藻双方都能保持良好的生长。但当营养物质不足时，细菌和微藻间产生竞争，为了争夺有限的营养物质，微藻和细菌都会释放对对方有害的毒素，双方的生长都会受到危害和抑制。

郝凯旋等[10]研究发现，菌藻系统对氨氮、磷的去除率高达80.00%～95.00%，优于小球藻和栅藻混合藻和活性污泥，同时具有较高的生物质产出量。Lei et al.[11]对藻菌共生系统和纯藻系统进行了比较，结果表明，菌藻共生系统的藻类生长更快，生物量更高，对污水中COD和氮磷的去除效果也比纯藻系统更好。刘娥[12]通过培养驯化蛋白核小球藻及活化培养光合细菌，开展了固定化藻菌细胞球粒去除水产养殖废水中氮磷的实验，结果表明，在适宜温度和光照条件下，固定化藻菌细胞球粒对磷酸盐和氨氮的去除率高达84.00%和95.00%。黄美玲等[13]针对小球藻处理养殖污水后分离困难的问题，在处理中期引入轮虫捕食小球藻，实验结果表明，小球藻对养殖污水中的亚硝态氮去除率几乎达到100%，总磷和氨氮的去除率也在91.00%和80.00%以上，总氮的去除率为54.00%以上，轮虫可以大量去除小球藻，且不会对污水处理效果产生不利影响。霍立敬[14]选用胶质芽孢杆菌和蛋白核小球藻共生挂膜处理脱硫废水，处理6天后铅离子、锌离子、镉离子、COD的去除率分别达到76.00%、62.00%、52.00%和93.00%，重金属去除效果明显优于菌藻单独处理。

4 微藻对不同种类污水的处理

4.1 城市污水

城市污水主要是生活污水、市政污水和工业废水。生活污水通常由污水管道收集起来送至污水处理厂处理，因此，污水处理厂的出水处理也受到了研究者的关注。

4.1.1 市政污水

市政污水的总氮含量约15～90mg/L，总磷含量约5～20mg/L，目前对市政污水的处理研究相对较多。如项荩仪[15]研究了小球藻在室外自然光条件下大规模处理市政污水的效果，由于市政污水提供了充足的碳源，小球藻夏季对氨氮和总氮的去除率接近100%，COD和BOD5的去除率分别为86.55%和89.87%，当加入活性污泥中的好氧菌构建藻菌共生体系后，相较于独立小球藻系统能在短时间内得到更好的脱氮除磷效果。脱金华等[16]利用市政污水与低成本碳源培养小球藻来处理市政污水，获得了理想效果，总氮、氨氮、总磷、COD的去除率分别为85.28%、90.35%、99.09%和61.98%。王雪纯[17]研究了添加外源补充碳源后绿球藻对市政污水的处理效果，氨氮、磷酸盐和COD的去除率分别为98.64%、46.62%和79.53%。王雪飞[18]研究了钝顶螺旋藻处理市政污水的效果，氨氮、总氮、总磷的去除率分别为98.52%～99.03%、90.43%～95.22%、88.25%～96.81%。市政污水的有毒物质含量较低，多为氮磷，因此，采用微藻处理污水效果一般较好。

4.1.2 污水处理厂出水

深度处理污水处理厂的二级出水，不仅可以减轻水体负荷，还可补充淡水资源。郝凯旋等[10]比较了活性污泥法、混合藻法(小球藻和栅藻)和活性污泥法对山东建筑大学污水处理厂二级出水的处理效果，研究发现，菌藻系统对氨氮、磷的去除率高达80.00%～95.00%，优于混合藻和活性污泥，同时具有较高的生物质产出量。宋培学等[19]研究了自然光照条件下小球藻、栅藻和衣藻对枣庄学院污水厂中水深度处理的效果，结果表明3种微藻对活性磷酸盐的去除率高达90.00%，同时有很好的脱氮除磷效果。刘斌[20]研究了蓝藻等优势微藻对污水处理厂二级出水的处理效果，实验发现总氮的去除率为60.00%左右，总磷的去除率达90.00%以上。Su et al.[21]选择小球藻、栅藻和衣藻处理城市污水厂二级出水，3株微藻在二级出水中均表现出生长速率快、脱氮除磷效率高等优点，同时自沉降性能较好，处理后能通过自沉降实现藻水分离。Yang et al.[22]从二级出水中筛选的椭圆小球藻可使氮磷的去除率分别达到99.30%和95.20%，且产油效率很高。Feng et al.[23]用普通小球藻对模拟二级出水进行处理，仅2天氮磷去除率就超过了90.00%。Li et al.[24]将1株淡水栅藻用于二级出水处理，10天时脱氮除磷效率达到98.00%以上，且含油量也有增加。

4.1.3 工业废水

工业生产过程会产生废水，根据工业产品的不同，废水成分也十分复杂，食品工业废水中的氮磷含量相对较多；金属工业及其周边产业的废水中金属离子含量较高；印染和制药工业产生的废水多含有染料、抗生素等有毒物质。因此，学者们对不同行业的废水进行了微藻的筛选和实验，以期有针对性地处理不同成分的工业废水。Arora et al.等[25]研究了微藻对预处理后的乳制品废水的处理效果，发现其脱氮除磷效果良好，COD的处理效率也较高。陈静[26]将高糖黄丝藻应用在食品化工园区废水资源化处理中，COD和总氮去除率分别为98.40%和96.80%，获得的高糖黄丝藻生物质还可作为食品、医药、能源、化工等领域的开发利用原料。黄秋婷等[27]利用自行筛选得到的1株栅藻属藻种Sq2，研究了其对酒厂废水的处理效果，结果表明该藻种对COD、TN、TP的去除率分别达到89.50%、89.70%、93.40%，且具有较高的生物量和油脂产率。Sarwa et al.[28]研究了某微藻对仿真胶厂废水的处理效果，发现其对锌离子的吸收效率较高。韩冉等[29]发现某微藻能快速高效去除废水中的铅离子。Xiong et al.[30]发现2种微藻可以处理制药废水中的卡马西平。谢丽[31]构建了小球藻-活性污泥体系用于处理分散蓝2BLN染料废水，发现该体系可以将染料分解，同时COD、氨氮和总磷的去除率分别为75.00%、46.00%和94.00%。周文永等[32]对比鱼腥藻、蛋白核小球藻和羊角月牙藻等实验藻种后发现，单一微藻体系中，蛋白核小球藻对偶氮染料的脱色效果最为显著。

4.2 农村污水

城市污水处理通常由规模化污水处理厂承担，但其建设成本高，运行费用大，对管理水平的要求也高，因此，对于经济基础和管理水平相对较差的农村，难以复制城市污水处理的方式，微藻以其投资小、见效快、去除效果好、易于管理等优势，其对农村生活污水和养殖废水的处理效果也受到研究者的关注。

4.2.1 农村生活污水

国内对微藻处理农村生活污水的报道不多，主要集中在养殖废水的处理研究。时文强[33]研究了小球藻用于处理村镇生活污水时的最优环境条件；王亚洁等[34]从海域提取微拟球藻处理生活污水，发现其对生活污水环境的适应性很强，对氨氮和正磷酸盐的去除率分别可以达到95.69%和93.92%；何少林[35]研究了高效藻类塘对农村生活污水的处理效果，其优势藻为四尾栅藻，通过与水生生物塘结合，最终总氮的去除率达到82.60%，总磷的去除率达到79.50%。

4.2.2 养殖废水

随着规模化养殖的发展，养殖过程中产生了大量含有氮磷、重金属、抗生素等污染物的废水，其中乳业废水中总氮含量约为185～2636mg/L，总磷含量约为30～727mg/L；家禽养殖废水中总氮含量约为802～1825mg/L，总磷含量约为50～446mg/L；牛场养殖废水中总氮含量约为63～4165mg/L，总磷含量约为14～1195mg/L，养殖废水如处理不当，会对环境造成严重的污染。因此，采用微藻处理养殖废水受到了广泛关注，研究较多。

程海翔[5]从养猪场废水处理池内分离纯化了1株栅藻，研究其对养猪废水的处理效果，实验结果表明，混养的培养方式最利于该栅藻生长，葡萄糖和硝态氮为碳源和氮源时，最利于该栅藻生物量和叶绿素的积累，且适宜条件下，废水中氨氮、总氮、总磷、COD、Cu和Zn等去除率分别为97.30%、87.90%、93.20%、41.80%、50.10%和30.10%。吴盼盼[36]采用多种方法对养猪沼液预处理后，研究了小球藻的处理效果，实验结果显示，小球藻对未经稀释的养猪沼液中COD、总氮、氨氮、总磷最终去除率分别达到了78.32%、59.51%、98.61%和97.90%。Ding et al.[37]将奶牛厂废水稀释不同倍数后试验微藻的处理效果，结果表明，氨氮、磷和COD的去除效率随稀释倍数的增加而提高，稀释20倍时的去除率分别高达99.26%、89.92%和84.18%。马浩天等[38]研究了埃氏小球藻在不同稀释倍数的鸡场废水中的脱氮除磷效率，在合理稀释倍数下，该微藻生长迅速，并且氮磷去除率高达80.30%和75.00%。王雪纯[17]研究了添加外源补充碳源后绿球藻对养牛废水的处理效果，氨氮、硝态氮、磷酸盐和COD的去除率分别为96.61%、92.12%、64.57%和57.50%。刘梅等[39]研究了不同微藻对南美白对虾养殖尾水的处理效果，结果显示，铜绿微囊藻、衣藻、蛋白核小球藻对总氮的去除率分别为74.00%、69.00%、60.00%，铜绿微囊藻和衣藻对总磷和硝态氮的去除率分别超过60.00%和70.00%，衣藻可以100%去除氨态氮，隐藻和蛋白核小球藻对亚硝态氮的去除率达80.00%。

5 微藻的采收

分离环节是微藻污水处理中的重要环节，也是一直以来的技术难题。微藻细胞个体微小，密度与水接近，通常稳定地悬浮在水中，难以通过沉淀实现藻水分离，无法自然分离的后果就是微藻细胞随处理后的出水一起排放，造成二次污染，也难以进行后续利用。

目前采收微藻的方法主要有絮凝法、离心法、气浮法、过滤法、重力沉降法等，其中絮凝法又分为化学絮凝、物理絮凝、生物絮凝；离心法能耗较大，仅适用于实验室小规模处理，不适宜大规模微藻的采收；过滤法和气浮法受限于微藻种类，易造成滤膜堵塞，需要频繁更换滤膜从而增加采收成本；重力沉降只有少数藻种能够实现。絮凝法适宜用于大规模的微藻采收，其中，化学絮凝主要采用阳离子絮凝剂，包括金属盐类(主要是铝盐和铁盐)、有机高分子聚合物、壳聚糖、阳离子淀粉等，金属盐类虽然采收效率高，但对藻细胞有毒性，投加量也比较大，导致二次污染；有机高分子聚合物同样具有细胞毒性，且成本较高；壳聚糖处理效率较高，但适应的絮凝pH值一般为酸性，超出了微藻培养的正常范围，具有很大的局限性；阳离子淀粉的原料易于获取，价格低廉，投加量较小但效果很好，且不受pH值的影响，具有较大的潜力。物理絮凝主要有电絮凝和超声絮凝，优点是絮凝率较高且无二次污染，但藻液量大时处理能力不足，且能耗较大，暂时无法大规模应用。生物絮凝主要包括微生物絮凝和自絮凝，微生物絮凝机理尚不明确，过程复杂，成本较高，且实用性和普适性有待研究；自絮凝主要是通过筛选分离获得具有自絮凝特性的微藻藻株，再经富集培养后用于处理，处理完毕后微藻能够自发絮凝，但微藻自絮凝机理复杂、絮凝条件不明确，且涉及到复杂的种群控制要求等，可靠性有待研究。

除使用絮凝法外，微藻膜、固定化技术和菌藻共生体也是比较有效的方法。微藻膜和固定化技术中，藻细胞贴附于载体上生长，采收时只需要用工具将藻体从载体上刮下，既方便又可节水。在菌藻共生体中，通过共生菌促进微藻絮凝，可降低采收成本。

6 结 语

微藻处理污水以其成本低、效率高、附加价值高等显著优势成为污水处理的热门研究课题，与传统污水处理方式相比，大大降低了成本和二次污染的可能，但微藻的种类选择和培养条件设置是影响其处理效率的关键因素，处理后的低成本采收也是未来研究的重要方向。随着处理技术的不断进步，微藻的应用前景必将更加广阔。