微藻用于城市污水深度處理的研究進(jìn)展

李晨旭，彭 偉，方振東，劉 杰

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院研究生大隊，重慶 401331；2.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401331)

微藻用于城市污水深度處理的研究進(jìn)展

李晨旭1，彭 偉1，方振東2*，劉 杰2

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院研究生大隊，重慶 401331；2.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401331)

脫氮除磷是城市污水深度處理的重要環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的污水深度處理工藝相比，微藻處理工藝具有氮、磷去除率高、運行能耗低、同步固碳等諸多優(yōu)點。簡要介紹了微藻深度去除城市污水中氮、磷的機理，從藻種的選擇、生物質(zhì)產(chǎn)量的提高以及藻固定化技術(shù)等3個方面闡述了微藻深度處理城市污水的研究進(jìn)展，指出了微藻深度脫氮除磷的技術(shù)瓶頸，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

城市污水；深度處理；脫氮除磷；微藻

城市污水是“空間錯位”的資源，而污水回用可為解決水資源日益短缺的問題提供新的思路[1]。相比于污水，回用水與人的距離更近，因此對水質(zhì)有著更高的要求，傳統(tǒng)水處理工藝已難以滿足回用水的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，污水深度處理越發(fā)受到關(guān)注。當(dāng)今主流的污水深度處理方法包括生物法和物化法。常見的生物法生物處理工藝包括曝氣生物濾池、人工濕地等，物化法包括膜過濾法、高級氧化法、吸附法、混凝法等[4]，各種典型處理方法的優(yōu)缺點見表1。上述方法中，鮮有方法能夠?qū)崿F(xiàn)氮、磷含量的高效同步降低[12]。

1953年，Oswald首次對氧化塘中的小球藻進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其在深度去除氮、磷的過程中具有巨大的潛力。此后，學(xué)者對微藻深度處理污水的機理以及可行性進(jìn)行了深入的研究。與其它污水深度處理方法相比，微藻深度處理技術(shù)具有以下優(yōu)勢：(1)微藻可以通過光合作用同化水中的氮和磷，適合二級出水的深度處理；(2)微藻屬于自養(yǎng)型生物，培養(yǎng)過程中無需外加碳源，在脫氮除磷的同時，可以實現(xiàn)空氣中CO2的固定，并生成O2，提高了水中溶解氧的含量；(3)回收價值高。傳統(tǒng)硝化、反硝化工藝最終將大部分氮元素轉(zhuǎn)化為氮氣，資源回收率低[13]，而微藻將氮、磷元素轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，可以作為飼料、堆肥或生產(chǎn)生物質(zhì)燃油等的原料[14-15]。作者綜述了微藻深度去除城市污水中氮、磷的研究進(jìn)展，并對未來的研究方向及發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

表1多種污水深度處理方法優(yōu)缺點對比

Tab.1Comparison of advantages and disadvantages of several advanced treatment methods

1 微藻去除氮、磷的機理

1.1 微藻去除氮元素機理

微藻吸收氮元素合成蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等胞內(nèi)活性物質(zhì)。在城市污水中，氮元素主要以氨氮、硝氮、亞硝氮以及有機氮(尿素等)等形式存在。硝氮、亞硝氮分別在硝酸鹽還原酶以及亞硝酸鹽還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為氨氮，同直接吸收的氨氮一同并入碳骨架，真核微藻中無機氮代謝途徑見圖1。

圖1 真核微藻中無機氮的代謝途徑Fig.1 Metabolism pathway of inorganic nitrogen in eukaryotic microalgae

微藻同化氨氮的重要途徑是谷氨酰胺合成酶途徑[16]，過量吸收氨氮會抑制葉綠體光合作用從而對微藻的生長產(chǎn)生不利影響。谷氨酰胺合成酶途徑有效地將多余的氨氮與谷氨酸合成谷氨酰胺，降低毒性；此外，微藻進(jìn)行光合作用使水呈堿性(pHgt;9)，堿性環(huán)境利于水中氨的揮發(fā)，也起到了除水中氮的作用，但是過高的游離氨含量會抑制微藻生長[17]。在多種氮源同時存在的條件下，微藻會優(yōu)先利用還原態(tài)氮[18]。由于氨氮的谷氨酰胺合成酶途徑與硝氮還原對ATP形成競爭，氨氮的存在會抑制硝氮的吸收[19]。

1.2 微藻去除磷元素機理

磷元素是微藻合成ATP、DNA、RNA、NADPH(還原型輔酶Ⅱ)等的必要元素。在城市污水中，磷元素主要以正磷酸鹽及有機磷的形式存在。有機磷在微藻磷酸鹽胞外酶的作用下分解為正磷酸鹽。除吸收維持生命活動所需的磷元素之外，微藻還可以過度吸收磷元素儲存于細(xì)胞中，過度吸收的磷酸鹽在藻細(xì)胞內(nèi)被轉(zhuǎn)化為聚磷酸鹽，一般分為酸溶性聚磷酸鹽以及酸不溶性聚磷酸鹽兩種。酸溶性聚磷酸鹽鏈較短，可以短期儲存磷元素，酸不溶性聚磷酸鹽鏈較長，可長期儲存磷元素。研究表明，在磷酸鹽濃度高于5 mg·L-1的環(huán)境中，酸溶性聚磷酸鹽積累；而酸不溶性聚磷酸鹽在各磷酸鹽濃度(lt;30 mg·L-1)下均有積累，一旦環(huán)境中磷酸鹽濃度不足，酸不溶性聚磷酸鹽會迅速分解[20]。將處于缺磷環(huán)境中的微藻重新投入富磷環(huán)境中，會出現(xiàn)“過度補償”現(xiàn)象，藻細(xì)胞過度吸收磷酸鹽并儲備為聚磷酸鹽，磷元素的去除速率迅速升高，這也是利用“饑餓處理”方式短期提高磷去除效率的理論依據(jù)[21]。

2 微藻深度處理城市污水的研究進(jìn)展

2.1 藻種的選擇

土著型微藻。選用在低碳氮比及較高氮、磷含量環(huán)境下具有深度脫氮除磷能力、環(huán)境適應(yīng)性較強的藻種進(jìn)行培養(yǎng)。柵藻、螺旋藻及小球藻[22-24]具有增殖能力強、環(huán)境耐受性好等優(yōu)點，成為應(yīng)用廣泛的藻種。Salsali等[25]在污水廠二級出水中采集到小球藻和螺旋藻，并對其進(jìn)行純培養(yǎng)與混合培養(yǎng)，水力停留時間為8 d，氨氮及磷的去除率高達(dá)92.9%和95.8%，出水氨氮、磷含量分別為3.15 mg·L-1和0.04 mg·L-1，遠(yuǎn)低于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)(氨氮lt;5 mg·L-1，總磷lt;0.5 mg·L-1)[2]。Zhang等[26]利用柵藻處理二級出水，進(jìn)水總氮、總磷含量分別為16 mg·L-1和0.8 mg·L-1，依托鼓泡式柱狀光生物反應(yīng)器，水力停留時間為24 d，總氮、總磷去除率均達(dá)到98%以上。唐斐[27]采用PCR-DGGE技術(shù)對污水處理廠二沉池水中優(yōu)勢藻種進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)短帶鞘藻為優(yōu)勢藻種，并通過改變氮磷比、對比不同固定化填料等方式進(jìn)行優(yōu)化，提高了反應(yīng)器脫氮除磷能力，在低營養(yǎng)鹽條件(總氮濃度lt;5 mg·L-1，總磷濃度lt;0.5 mg·L-1)下，水力停留時間為7 d，總氮、總磷去除率均達(dá)到99%以上。表明，土著型微藻對低營養(yǎng)環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，并表現(xiàn)出了良好的深度脫氮除磷能力。在實際工程中，建議優(yōu)先選用土著型微藻，不僅易于培養(yǎng)，而且具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，降低培養(yǎng)成本。

經(jīng)濟型微藻。在充分考慮脫氮除磷效果的前提下，盡可能選用生物質(zhì)產(chǎn)量高、附加值產(chǎn)物多、易回收等可以減少成本或增加經(jīng)濟收益的藻種進(jìn)行培養(yǎng)[28]。鐘成華等[29]選取柵藻、普通小球藻、布朗葡萄藻等3種脂質(zhì)含量高的藻種，考察其對城市污水的耐受性以及氮、磷去除能力。結(jié)果表明，柵藻表現(xiàn)出最好的耐受性，藻密度最高可達(dá)1.43×107mL-1，藻細(xì)胞最大干重1.6 g·L-1，油脂含量達(dá)到26.34%。進(jìn)水總氮、總磷平均濃度分別為31.3 mg·L-1和4.94 mg·L-1，水力停留時間為18 d，總氮、總磷去除率均達(dá)到95%以上。韓琳[30]在受污染湖泊中分離出高油脂含量的柵藻藻種，考察其對人工配制污水的氮、磷去除能力。結(jié)果表明，藻細(xì)胞最大干重0.45 g·L-1，油脂含量達(dá)到25.45%，其中油酸含量高達(dá)43.65%，油酸為生產(chǎn)生物柴油的最佳成分之一。進(jìn)水氨氮、總磷平均濃度分別為44 mg·L-1和4.2 mg·L-1，水力停留時間為12 d，氨氮去除率為65%，總磷去除率達(dá)到99%以上。Cho等[31]在污水處理廠的厭氧消化池出水中分離出高生物質(zhì)產(chǎn)量的小球藻藻種，并利用污水廠初沉池水、厭氧消化池出水以及污泥濃縮脫水回流水混合進(jìn)行培養(yǎng)。結(jié)果表明，在厭氧消化池出水和污泥濃縮脫水回流水以1∶9比例混合的污水中培養(yǎng)，小球藻細(xì)胞干重最大，可達(dá)3.01 g·L-1，是在BG11培養(yǎng)基中培養(yǎng)獲得細(xì)胞干重的1.72倍。總氮、總磷平均濃度分別為250 mg·L-1和15 mg·L-1，水力停留時間為5 d，出水可達(dá)到我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)。表明，在充分保證脫氮除磷效果的前提下，可以選用具有細(xì)胞干重大、生物質(zhì)產(chǎn)量高的經(jīng)濟型微藻，實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟價值的雙贏。

2.2 生物質(zhì)產(chǎn)量的提高

除了選擇合適的藻種，研究人員還通過鼓入CO2、優(yōu)選碳源、混合培養(yǎng)、添加Fe、Si、S等元素等方式[32-35]，在工程操作層面增加微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量，降低微藻深度處理城市污水的成本，為微藻深度處理城市污水的工程實踐提供理論指導(dǎo)。Kassim等[36]在培養(yǎng)小球藻和干扁藻時，鼓入不同濃度CO2，發(fā)現(xiàn)通入CO2濃度為5%～15%時，生物質(zhì)含量明顯增加，并對生物質(zhì)組分進(jìn)行深度研究，發(fā)現(xiàn)通入不同濃度CO2可以改變生物質(zhì)中脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等組分的比例。在實際工程中，將工業(yè)煙道尾氣作為微藻的CO2來源，可以實現(xiàn)微藻生物質(zhì)含量提高以及煙道尾氣中CO2含量降低的“雙贏”。Gupta等[37]在培養(yǎng)普通小球藻的過程中額外投加有機碳源，對比了葡萄糖、甘油、乙酸3種碳源對小球藻生物質(zhì)產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，葡萄糖對小球藻生物質(zhì)積累有顯著促進(jìn)作用，與未加葡萄糖的污水相比，加入葡萄糖實驗組小球藻生物質(zhì)積累量是前者的3倍(0.4 g·L-1，1.23 g·L-1)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，加入葡萄糖對小球藻生物質(zhì)積累的促進(jìn)作用存在濃度極限值(5 g·L-1)，超過極限值，促進(jìn)作用不明顯，反而會增加污水中COD含量以及運行成本。Chen等[38]通過代謝通量分析，發(fā)現(xiàn)Fe、Si等元素可以改變微藻代謝途徑從糖合成轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)合成，對微藻生物質(zhì)積累起到十分關(guān)鍵的作用。Zhao等[39]利用柵藻對曝氣生物濾池、A2O工藝以及膜生物反應(yīng)器3種工藝的二級出水進(jìn)行深度處理，并在二級出水中加入2 mg·L-1Fe3+。結(jié)果表明，與未加Fe3+的二級出水相比，加入Fe3+的二級出水中培養(yǎng)的藻脂質(zhì)含量提高了17.4%～33.7%，脂質(zhì)產(chǎn)量提高了21.5%～41.8%。

近年來,隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展，利用基因工程技術(shù)提高微藻的脂質(zhì)產(chǎn)量逐漸成為可能。藻細(xì)胞中脂質(zhì)的代謝合成途徑見圖2[40]。

圖2 藻細(xì)胞中脂質(zhì)的代謝合成途徑Fig.2 Metabolic synthesis pathway of lipid in algae cells

在此代謝途徑中，磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)既可以通過磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的作用進(jìn)入三羧酸循環(huán)(TCA)，又可以在丙酮酸脫氫酶復(fù)合酶(PDH)等酶的共同作用下形成自由脂肪酸(FFA)[41]，其中，乙酰輔酶 A在乙酰輔酶A羧化酶(ACCase)的催化下生成丙二酸單酰輔酶A(Malonyl-CoA)是生成脂質(zhì)的起始步驟，而脂肪酸合成酶(FAS)延長脂質(zhì)鏈長則是生成脂質(zhì)的關(guān)鍵步驟。已有實驗嘗試將外源高產(chǎn)油植物的ACCase基因?qū)牍柙?、綠藻中以提高脂質(zhì)產(chǎn)量，但效果并不明顯[42]。Deng等[43]通過抑制萊茵衣藻細(xì)胞中PEPC的表達(dá)，將脂質(zhì)產(chǎn)量提高了20%?；蚬こ淘谠黾釉迳镔|(zhì)產(chǎn)量方面展現(xiàn)出了極大的潛力。目前，基因工程藻用于實踐存在的主要問題有：微藻脂肪酸代謝途徑機理不清晰[44]；基因改造對微藻脫氮除磷能力的影響尚不明確；基因改造所引入的外源基因存在的環(huán)境風(fēng)險尚不清楚等。基因工程藻能否運用到污水的深度處理并實現(xiàn)工程化，還需要進(jìn)行更深入的研究。

2.3 藻固定化技術(shù)

固定化技術(shù)可以實現(xiàn)微藻的密集培養(yǎng)，縮短水力停留時間，強化微藻脫氮除磷的能力，在微藻深度處理城市污水工程化領(lǐng)域備受關(guān)注。海藻酸鈉、褐藻膠、卡拉膠是常見的固定化材料[45]。其中，海藻酸鈉具有較好的滲透性、無毒性以及高透明性而成為應(yīng)用最廣泛的固定化材料[46]。王穎[47]利用海藻酸鈉、殼聚糖包埋的小球藻對城市污水進(jìn)行深度處理，通過調(diào)節(jié)制膠球時的藻液濃度控制膠球中細(xì)胞數(shù)。結(jié)果表明，以殼聚糖為固定化載體的小球藻具有更高的脫氮除磷能力，在500萬/膠球藻密度下，水力停留時間為5 d，總氮、總磷去除率達(dá)到93.6%和97.5%。陳麗萍等[48]比較了懸浮態(tài)柵藻及固定化柵藻對城市污水深度脫氮除磷的能力。結(jié)果表明，進(jìn)水總氮濃度為25 mg·L-1，水力停留時間為4 d，扣除膠球吸附的氮量，懸浮態(tài)柵藻及固定化柵藻的總氮去除率分別為85.6%和94.3%；進(jìn)水總磷濃度為3 mg·L-1，水力停留時間為1 d，扣除膠球吸附的磷量，懸浮態(tài)柵藻及固定化柵藻的總磷去除率分別為80.0%和76.7%，2 d內(nèi)均完全去除。

目前懸浮藻的收集主要通過化學(xué)絮凝、離心、電絮凝、過濾、浮選等方法[49-51]。據(jù)報道，微藻的收集成本占利用藻生產(chǎn)附加值產(chǎn)品總成本的20%～40%[52]，極大限制了藻深度處理污水的工程應(yīng)用。藻固定化技術(shù)不僅節(jié)約了回收成本，還可以減小工程占地面積，通過固定化技術(shù)將微藻附著在載體上，提高了微藻抗水力沖擊能力，可以保證出水水質(zhì)更加穩(wěn)定[53]。

3 結(jié)語

雖然微藻深度處理城市污水與傳統(tǒng)的處理工藝相比有諸多優(yōu)勢，但大多數(shù)研究還處于實驗室階段，仍存在些許問題限制其在工程應(yīng)用中的推廣：(1)藻密度提高困難[54]。污水深度處理營養(yǎng)物濃度低、光照不足、光照不均勻等原因會抑制藻密度的提高，藻密度的不足導(dǎo)致了單位體積生物量低、氮磷去除率低、微藻回收困難、水力停留時間長等問題；(2)藻富集量高、生物親和性好的固定化材料價格較貴，增加了工藝成本；(3)大多數(shù)用于污水深度處理的微藻，其最佳生存溫度范圍為20～35 ℃，冬季期間的持續(xù)低溫會抑制微藻的活性，影響其深度處理城市污水的能力；(4)微藻在培養(yǎng)過程中，會釋放代謝產(chǎn)物，在批次處理模式中，胞外代謝產(chǎn)物的積累會造成出水COD的不穩(wěn)定，有些代謝產(chǎn)物甚至還會引起水體發(fā)臭[55]。因此，研發(fā)高密度、高效的藻生物反應(yīng)器，尋求低成本、易回收利用的固定化技術(shù)，研究污水深度處理中微藻的代謝途徑和代謝周期、選擇最佳培養(yǎng)模式和收集時間，研究在極端環(huán)境(低溫、高鹽等)中生存微藻的脫氮除磷能力等將是未來的研究方向。

污水深度處理及資源回收利用是未來水處理工藝的發(fā)展方向，加強微藻深度處理城市污水的研究，不僅可以實現(xiàn)水資源以及氮、磷等資源的多重循環(huán)利用，而且可以緩解水體污染和水資源短缺等諸多問題，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及循環(huán)經(jīng)濟原則，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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ResearchProgressinAdvancedMunicipalSewageTreatmentbyMicroalgae

LI Chen-xu1，PENG Wei1，F(xiàn)ANG Zhen-dong2*，LIU Jie2

(1.DepartmentofGraduateManagement，ArmyLogisticsUniversityofPLA，Chongqing401331，China；2.DepartmentofMilitaryFacilities,ArmyLogisticsUniversityofPLA，Chongqing401331，China)

The removal of nitrogen and phosphorus plays an important role in the advanced treatment of municipal sewage.Compared with other advanced wastewater treatment processes，microalgae treatment has more advantages such as high removal rate of nitrogen and phosphorus，low energy consumption，and simultaneous carbon fixation,etc.We briefly introduced the removal mechanism of nitrogen and phosphorus in municipal sewage by microalgae,and reviewed the research progress in advanced municipal sewage treatment by microalgae from three aspects:algal species selection，biomass yield improvement,and algal immobilization technology.Finally，we pointed out the technological difficulties of the advanced removal of nitrogen and phosphorous by microalgae,and prospected its future development.

municipal wastewater；advanced treatment；removal of nitrogen and phosphorus；microalgae

重慶研究生科研創(chuàng)新項目(CYB16126，CYS17301)，海軍后勤科研計劃項目(CHJ13J021)

2017-07-07

李晨旭(1993-)，男，山東濟南人，碩士研究生，研究方向：水處理理論與技術(shù)，E-mail：1154045727@qq.com；通訊作者：方振東，教授，E-mail：fzdhg@tom.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.11.002

李晨旭，彭偉，方振東，等.微藻用于城市污水深度處理的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(11)：5-10.

X52

A

1672-5425(2017)11-0005-06