藻菌共生系统在废水处理中的研究进展

梁珺宇

(上海市环境科学研究院，上海 200233)

0 引言

微藻和菌群的共生关系不仅是自然水体的净化基础，也在城市生活污水的处理工艺中发挥着重要作用[1]。这种共生现象最早被发现于氧化塘处理废水的工艺过程中[2]，微藻通过光合作用释放氧气形成其与菌群的共生。直到1981年，研究人员在应用絮凝性藻菌系统对氮吸收的研究中正式提出藻菌共生体系[3]。

微藻与菌群的共生具有多种结合形式，两者的相互作用主要包括营养交换、信号传导和基因转移，其中营养交换被认为是最重要最常见的互动类型[4]。大量研究发现利用这种共生协同作用可以提高工艺环节中氮、磷等营养物质的去除效率[5]，微藻可以促进废水中营养物质[6]、重金属[7]乃至于病原体的去除，同时可以提供O2作用于耗氧菌群使有机物质被氧化去除，并可利用菌群呼吸产生的CO2[8]。将这种共生关系应用于废水处理工艺有助于降低机械曝气带来的运行成本，并有研究发现在这个过程中一些有害污染物也可以被氧化去除。此外，大量微藻生物质的产出也使得养分从废水中转移到微藻细胞中[9]。进一步对微藻和菌群生物质的利用可以获得色素、脂质、肥料、饲料以及生物燃料等高附加值产物[10]。因此，应用藻菌共生系统实现废水的资源化处理是近年来国内外的研究热点之一。

本文综述了目前藻菌共生系统的主要类型，以及影响藻菌共生稳定性和营养物质处理效率的因素，并进一步探讨了藻菌共生的应用优势和局限性。

1 藻菌共生系统的主要类型

目前在应用藻菌共生进行废水处理工艺的研究中，藻菌共生系统的主要构建形式包括悬浮藻菌系统、固定化藻菌系统和藻菌生物膜系统等[11]。高效藻类塘(HRAP)是一种典型的应用了悬浮状态藻菌共生的污水处理系统，在获得稳定高效的污水处理效率的同时收获一定的生物质用于生物燃料的生产[12-13]。固定化藻菌系统主要是为收获系统中的微藻等生物质。通过物理或化学手段将微藻和菌群固定化也可形成藻菌共生系统[14]。通常应用海藻酸钙、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等材料作为载体物质，在一定程度上可以提高污水处理效果和生物量，但由于固定化成本较高，且有较大可能阻碍藻菌之间的气体和代谢产物的交换等因素，从而限制了固定化藻菌系统在污水处理中的广泛应用[11,15]。

通过生物膜构建藻菌共生系统是目前较受欢迎的一种方法，相比其它藻菌共生系统，藻菌生物膜系统的自我遮蔽效应较少，同时便于收获生物质[16]，但生物膜藻菌共生系统的形成和运行稳定的控制条件要求较高，共生关系较为复杂，其机理研究目前不是很透彻[17]，因而并没有得到大规模的应用。此外，藻菌共生SBR反应器也是一种较为流行的藻菌结合方式，其结合了传统SBR反应器和藻菌共生两者各自的优势，系统构建相对简单、控制方式较为灵活。将微藻引入SBR反应器中的微生物群落中，通过驯化形成一种新型的光生物反应器，这种反应器在营养物质的去除和生物质收获方面具有更好的表现，并能有效减少曝气能耗和碳排放[18]。

2 藻菌共生系统的影响因素

国内外关于藻菌共生系统进行废水处理的研究已经有较长的历史，在不同的工艺条件下运行，藻菌共生系统的自身稳定性、对废水中营养物质的去除效率及菌群的多样性组成存在较大的差异。目前广泛关注的影响因素主要以曝气强度、微藻接种比、水力停留时间、光照条件和污泥形态等因素为主。

2.1 曝气强度

曝气强度不仅会影响溶解氧的含量，同时对于藻菌共生系统维持稳定状态也具有重要的作用，适当的曝气过程可以提高废水污染物去除效率并能缩短水力停留时间，但高强度的曝气抑制了微藻生物量积累对营养物质的吸收，且对于微藻和菌群之间的平衡也有着不利影响[19]。

2.2 微藻接种比

微藻的接种比会影响营养物质的去除和污泥沉降性能[20]，研究发现使用混合蓝绿藻接种，接种比例为1∶5，运行10天时氮和磷的去除效率最高可达91% ± 7% 和 93.5% ± 2.5%，不同接种比下微生物的群落组成也有较大的差异。而在限制曝气的条件下，则发现接种比例为1∶3时可以得到良好的氮去除效率[19]。

2.3 水力停留时间

水力停留时间对于藻菌共生系统中微藻的生长速度具有一定的调节作用。研究发现在高水力停留时间(4 d)和低食微比(0.15 kg BOD5/kg MLSS·d)的条件下有助于形成稳定的藻菌共生系统，且悬浮态的微藻较少[21]，而在绿藻形成的藻菌共生系统中，总氮的去除效率随HRT的增大而升高[22]。此外，水力停留时间对系统碳分配的影响也会干涉微藻的脂质和碳水化合物的积累过程[23]。

2.4 光照条件

微藻的生长和代谢与光照条件直接相关，光照强度、光照周期和光照品质对藻菌共生系统的营养物质去除、藻类生长、生物活性具有显著的影响[24]。在达到光饱和点之前，微藻的生长速率通常与光照强度成正比[25]，适当的光照强度和光暗周期有助于微藻对氮磷营养物质的去除、生物质的积累以及光能的利用[26-27]。

2.5 接种污泥的形态

接种污泥的形态也是一种重要的影响因素，絮状污泥和颗粒污泥会形成差异明显的藻菌共生系统，使用颗粒污泥作为微藻的固定材料，在2 L的反应器中以高曝气强度(6 L/min)和长曝气时间(355 min)条件运行获得了最高的总氮去除效率[28]，这与使用悬浮活性污泥形成的藻菌共生系统的运行效果完全不同[19]，研究表明微藻会降低颗粒污泥的沉降性能，同时抑制功能菌群的增殖，进而导致氮磷去除效率的下降[29]。

除此之外，污泥停留时间、底物浓度、碱度、温度等因素也会对藻菌共生系统中生物量增长和营养物质的去除也存在一定的影响[30]。综上所述，藻菌共生系统的稳定性和功能性与多种工艺参数密切相关，因此需要严格控制特定的条件，才能促使这一技术获得良好的废水净化和营养物质去除性能。

3 藻菌共生系统的应用潜力

3.1 氧气补充作用

藻菌共生系统中微藻的一个重要作用即是通过微藻光合产氧补充系统中的溶解氧浓度。微藻在充足的光照下可以释放出大量的氧气，在管状生物反应器中其产氧速率最高可以达到10 g O2·m-3·min-1[31]，在溪流中昼夜溶解氧饱和度的变化与水体中的丝状藻生物量的相关性高达64%[32]，这表明微藻生物活动是水体溶解氧的重要来源之一。在膜生物反应器中，光照强度(以光量子通量密度计，PPFD)为135 μmol·m-2·s-1，小球藻浓度为35.21 mg/L时，特定产氧速率(SOPR)可达17.31 mg O2·g-1MLSS·h-1[33]。有研究计算了浓度为6×106～7×106cell·mL-1的两种微藻在(50 ± 5)μmol·m-2·s-1的光强下持续光照20 min，溶解氧浓度升高3.2 mg/L，绿藻(Chlorellavulgaris)和蓝藻(Microcystisaeruginosa)的SOPR分别为(42 ± 1)fmol O2·cell-1·h-1和(49 ± 2)fmol O2·cell-1·h-1[34]，较低的微藻浓度即可产生足量的氧气进而改变体系中溶解氧的浓度。

3.2 资源回收潜力

藻菌共生系统的另一个应用优势是利用微藻生物质能实现对污水中氮磷等营养物质的富集，进一步对微藻生物质的利用可以实现资源回收。农业中氮肥主要是通过哈伯-博世法生产，不仅耗能巨大且会排放大量的CO2[38]，而磷肥主要来源于磷矿的开采，意味着目前磷元素获取方式是不可持续的[39]。目前污水中的氮磷元素也被广泛认为是具有回收价值的[40]，而利用富含氮磷的污水进行微藻培养实现养分回收，要比传统的吹脱法和沉淀法具有明显的成本优势[41]。获得的微藻生物质可以用作能源生产原料，例如进行微藻制氢、脂质提取和微生物燃料电池[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，相比传统污水处理工艺，藻菌共生系统对污水的资源回收潜力更高并具有广阔的前景。

4 结论与展望

藻菌共生技术是一种具有潜力的废水资源化处理技术，相比传统废水处理工艺，其具有处理效率高、运行能耗低、剩余污泥量少和资源化潜力高等综合优势，但目前受制于其复杂严格的工艺控制条件，以及对温度、光照等环境因素要求较高，短期内仍然难以实现产业化应用。未来在废水资源化处理的趋势下，需从光生物反应器的设计、藻类光能利用率的提高、反应系统运行状态的控制和微藻生物质的综合利用等方面进一步深入研究，才能促使这一技术实现真正的资源化。