歐陽(yáng)克氙，劉建平，蔡力創(chuàng)

(江西省科學(xué)院生物資源研究所，330029，南昌)

小球藻在廢水處理上的應(yīng)用進(jìn)展

歐陽(yáng)克氙，劉建平，蔡力創(chuàng)

(江西省科學(xué)院生物資源研究所，330029，南昌)

小球藻具有獨(dú)特的代謝方式，可以通過(guò)光合作用利用太陽(yáng)能和無(wú)機(jī)物合成自身的原生質(zhì)。小球藻除了對(duì)污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物有較好的去除效果外，還能利用無(wú)機(jī)鹽、降解多種有機(jī)物。著重介紹近幾年國(guó)內(nèi)外小球藻處理廢水的研究進(jìn)展。

小球藻；廢水處理；應(yīng)用進(jìn)展

0 引言

目前，污水處理方法主要有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。與傳統(tǒng)方法相比，利用生物處理法適用范圍廣、成本低、可以避免二次污染，不僅可以高效去除污水中的有機(jī)、無(wú)機(jī)以及重金屬等污染物，還可以將藻類培養(yǎng)的污水深度處理和生物柴油生產(chǎn)系統(tǒng)耦合，產(chǎn)生一定的附加價(jià)值，具有廣闊的發(fā)展前景。藻類在污水處理中的應(yīng)用主要包括藻類塘、活性藻、固定化藻、非活體藻及藻類光生物反應(yīng)器等方面。

小球藻是單細(xì)胞藻類，目前世界上已知的小球藻有十幾種，加上它的變種可達(dá)數(shù)百種之多，生態(tài)分布廣泛，對(duì)生長(zhǎng)條件要求簡(jiǎn)單，環(huán)境耐受性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，應(yīng)用價(jià)值高。小球藻具有獨(dú)特的代謝方式，可以通過(guò)光合作用利用太陽(yáng)能和無(wú)機(jī)物合成自身的原生質(zhì)。小球藻除了對(duì)污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物有較好的去除效果外，還能超負(fù)荷吸收重金屬、利用無(wú)機(jī)鹽、降解農(nóng)藥、烷烴、酚類、鄰苯二甲酸酯等多種有機(jī)物。作者正在開(kāi)展采用經(jīng)發(fā)酵、重金屬處理后的豬糞污培養(yǎng)小球藻，以去除和吸附氮、磷以及降解有機(jī)物，最后將小球藻用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。本文將著重介紹近幾年國(guó)內(nèi)外小球藻處理含氮、磷及有機(jī)物等廢水的研究進(jìn)展。

1 利用小球藻去除廢水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物

藻類是以水為電子供體的光能自養(yǎng)型生物。在光合作用過(guò)程中，它們以光能為能源，利用簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物，不斷生長(zhǎng)繁殖。因此，藻細(xì)胞能吸收和同化大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行光合自養(yǎng)作用，從而使污水中的氮、磷含量減少。

藻類在污水深度處理中去除N、P的機(jī)理分為直接作用和間接作用。藻細(xì)胞能吸收利用水中的無(wú)機(jī)N和有機(jī)N化合物作為N源，利用二氧化碳和碳酸鹽作為碳源，進(jìn)行光能自養(yǎng)生長(zhǎng)。在有氧的條件下，磷酸鹽可以直接被藻細(xì)胞吸收，并通過(guò)多種磷酸化途徑轉(zhuǎn)化成ATP和磷脂等有機(jī)物，而在無(wú)氧的條件下形成磷酸鹽沉淀，硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽可以用于氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成。與此同時(shí)，藻光合作用可提升水體pH，高pH(pH10～11)具有一定的消毒促進(jìn)作用[1]。藻類去除廢水中氮、磷的效果受氮磷比、氮磷的形態(tài)、藻類的形態(tài)以及金屬離子等因素影響。

1.1不同氮磷比

張靜霞[2]采用懸浮和固定化培養(yǎng)方式，比較了不同氮磷比對(duì)小球藻(Chloreallasorokiniana)去除污水中氮磷能力的影響。結(jié)果表明，懸浮培養(yǎng)小球藻的氮磷去除率低于固定化培養(yǎng)組；饑餓處理24 h固定化培養(yǎng)小球藻的氮磷去除率較高，72 h對(duì)氮磷的去除率分別達(dá)到97%、99%；降低氮磷比對(duì)懸浮培養(yǎng)小球藻的氨氮去除率影響不大，但可提高固定化培養(yǎng)小球藻的氨氮去除率。

1.2不同形態(tài)的氮磷

劉淑坡[3]等發(fā)現(xiàn)，固定化蛋白核小球藻對(duì)不同形態(tài)氮和磷的去除具有一定的選擇性。研究結(jié)果表明，當(dāng)廢水中同時(shí)存在氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮時(shí)，固定化微藻首先去除氨氮，然后依次是亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，在為期5 d的試驗(yàn)中其去除率分別為100%、79.2%±0.8%和61.2%±0.2%；當(dāng)廢水中同時(shí)存在正磷酸鹽和六偏磷酸鹽時(shí)，固定化核蛋白小球藻優(yōu)先去除正磷酸鹽，然后去除六偏磷酸鹽，在為期4 d的試驗(yàn)中，其去除率分別為71.4%±1.6%和80.3%±1.0%。

1.3不同形態(tài)的藻類

研究發(fā)現(xiàn)，不同固定化載體對(duì)氮磷去除效果是不同的。王穎[6]等比較了海藻酸鈉和殼聚糖2種固定化載體對(duì)污水深度處理的影響。結(jié)果表明，在一定的細(xì)胞負(fù)載范圍內(nèi)，對(duì)氮、磷的去除率隨細(xì)胞負(fù)載的增加而增加。由葉綠素a含量得知，2種載體均不影響細(xì)胞增長(zhǎng)。相同細(xì)胞負(fù)載，殼聚糖作為固定化載體的藻細(xì)胞對(duì)氮的去除率及葉綠素 a增長(zhǎng)量高于海藻酸鈉載體，但對(duì)磷的去除率差別不明顯。傅海燕[7]等采用海藻酸鈉、聚乙烯醇PVA、兩者復(fù)合載體等3種不同載體，將小球藻與活性污泥固定成菌藻共生系統(tǒng)，以及單獨(dú)菌、單獨(dú)藻的凝膠小球，用于處理人工污水。結(jié)果表明，復(fù)合載體固定的菌藻共生系統(tǒng)氮磷去除效果最好，PVA載體的脫氮除磷效果次于復(fù)合載體優(yōu)于海藻酸鈉；固定化菌藻共生系統(tǒng)的脫氮除磷效果明顯優(yōu)于單獨(dú)固定菌和單獨(dú)固定藻，固定菌的效果較差。

藻菌固定化技術(shù)是一門(mén)20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，由于其具有較高微生物濃度、易于固液分離、不易受毒物影響、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)而在污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?？芟Ｔ猍8]等用海藻酸鈉凝膠包埋固定小球藻和活性污泥，對(duì)沖廁海水污水(模擬)中的氮磷污染物進(jìn)行去除實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在藻菌比為2:1，固定化藻菌對(duì)氮磷的去除率分別達(dá)到95.5%和92.2%。在N/P為10時(shí)，固定化藻菌對(duì)沖廁海水污水中氮磷的去除效果最好,25～30 ℃時(shí)固定化藻菌對(duì)氨氮和磷的去除率最好，溫度過(guò)高時(shí)藻和細(xì)菌細(xì)胞的活性受到抑制。固定化藻菌體系處理沖廁海水污水的較佳pH范圍在6.5～8.5之間。

1.4pH與金屬離子的影響

顏勝華[9]等研究了不同光照強(qiáng)度及不同pH值下，小球藻在懸浮和固定狀態(tài)下鎘對(duì)污水中正磷酸鹽的吸收速率的影響。結(jié)果表明，在不同光照強(qiáng)度下，鎘總體上降低了小球藻對(duì)磷的吸收速率。不同pH值時(shí)，無(wú)論在懸浮態(tài)還是固定態(tài)，鎘都能使小球藻對(duì)磷的吸收速率下降20%～30%，由此可見(jiàn)固定處理并沒(méi)有減少鎘的影響。

2 利用小球藻降解多種有機(jī)化合物

藻類在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，能將水體中的有機(jī)化合物作為同化碳源、氮源及硫源來(lái)富集吸收，故藻類能降解如農(nóng)藥、碳?xì)浠衔?、多環(huán)芳烴、金屬有機(jī)物等多種有機(jī)化合物。藻類在富集有機(jī)物的同時(shí)發(fā)生代謝降解。藻類、金屬離子和腐殖質(zhì)等可通過(guò)相互作用形成復(fù)合物，在光照條件下發(fā)生一系列的光化學(xué)過(guò)程，引發(fā)水體中有機(jī)污染物的光降解[12]。

彭章娥[13]等研究發(fā)現(xiàn)，含普通小球藻的水溶液經(jīng)過(guò)光照后能引發(fā)其中壬基酚的光降解；藻、腐殖酸和鐵離子的水溶液經(jīng)過(guò)光照后，對(duì)壬基酚光降解的增強(qiáng)促進(jìn)作用更大，在含藻腐殖酸和鐵離子的水溶液中，4 h光照后壬基酚的降解率可達(dá)58%。根據(jù)此結(jié)果推測(cè)藻、腐殖酸和鐵離子體系光照后能產(chǎn)生更多的活性物質(zhì)，從而促進(jìn)水中有機(jī)污染物的光降解。

普通小球藻對(duì)染料的降解必須在光的協(xié)同作用下進(jìn)行，模擬太陽(yáng)光的協(xié)同降解效果最好；染料的降解效果隨普通小球藻的濃度與照射光強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，摻藻濃度16×108cells/L的染料溶液，光照5 h的脫色率達(dá)到86%以上，降解速度在染料濃度比較高的初期較大；普通小球藻在對(duì)直接大紅4B溶液的降解過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物；隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液的pH值在不斷降低[14]。此外，普通小球藻也對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)具有明顯的富集，但生物降解作用并不顯著，且降解符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[15]。這可能是由于DBP初始濃度過(guò)低導(dǎo)致藻細(xì)胞中DBP濃度很小，從而藻對(duì)DBP的降解作用不明顯；DBP初始濃度較高，對(duì)普通小球藻產(chǎn)生了毒性效應(yīng)，從而抑制了藻的生長(zhǎng)和藻體中相關(guān)酶的活性，導(dǎo)致降解程度較低。在普通小球藻適宜生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，溫度升高有利于藻對(duì)DBP的生物降解。

屠云杰[16]等研究發(fā)現(xiàn)，蛋白核小球藻能快速有效的消除三氯殺蟲(chóng)酯，降解的半衰期為16.3 h，而吸附作用在一定時(shí)間后會(huì)失去，可能是藻類細(xì)胞體內(nèi)凝結(jié)的緣故?？傊?，生物降解和生物吸附是農(nóng)藥逸散的主要因素，水解的貢獻(xiàn)較小，而光解基本上可以忽略。所以蛋白核小球藻能夠?qū)θ葰⑾x(chóng)酯進(jìn)行持續(xù)有效的去除毒性作用。此外，歐曉明[17]等也發(fā)現(xiàn)蛋白核小球藻具有降解 HNPC-A9908 的能力：在20 mg/L、100 mg/L、400 mg/L的濃度下，5 d內(nèi)HNPC-A9908的降解率分別為90.50%、66.02%和43.19%，日平均降解速率分別為3.60 mg/L、13.20 mg/L、34.55 mg/L，其降解動(dòng)力學(xué)方程可用二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程很好地?cái)M合，擬合度達(dá)到83%以上；蛋白核小球藻對(duì)HNPC-A9908也具有一定的富集能力，當(dāng)濃度為20 mg/L、100 mg/L、400mg/L時(shí)達(dá)到最大富集的時(shí)間分別為24 h、48 h、48 h，富集量分別為11.58 mg/gFW、15.15 mg/gFW、16.42 mg/gFW，此后隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步降低。

吳敏[18]等研究發(fā)現(xiàn)，微囊藻毒素降解菌S3和橢圓小球藻L1共固定化后，比單獨(dú)固定化菌對(duì)MC-LR有更好的降解效果，共固定的藻可促進(jìn)降解菌S3的生長(zhǎng)。固定化細(xì)胞對(duì)毒素的降解能力較穩(wěn)定，受環(huán)境溫度和pH變化的影響較小，重復(fù)使用仍可維持較高的降解活性。

3 利用小球藻處理其他廢水

鄭子英[19]等研究了25 ℃、5 000 Lx條件下，普通小球藻對(duì)濃度分別為25%C、50%C、75%C、100%C的氨廠廢水中COD和NH3-N的去除率。192 h后，COD去除率分別為84%、96.4%、97%和 95.6%，NH3-N去除率分別為22.7%、4.9%、10.6%和0%。結(jié)果表明，各污水組對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)有抑制作用，隨污水濃度升高抑制作用強(qiáng)度降低。采用浮游植物熒光儀測(cè)定藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒鈪?shù)，結(jié)果表明25% C、50%C、75%C、100%C 組的藻細(xì)胞光合作用停止時(shí)間分界點(diǎn)分別為144 h、144 h、144 h和72 h，光合作用停止后，藻細(xì)胞通過(guò)異養(yǎng)生長(zhǎng)降解污染物。

李宇佶[20]等利用小球藻可以較徹底的去除氨基酸廢水中氮、磷及COD等營(yíng)養(yǎng)，達(dá)到污水處理效果。體積分?jǐn)?shù)40%氨基酸廢水處理效果最好，停留時(shí)間34 d，藻細(xì)胞干重比、生長(zhǎng)速率和最大生產(chǎn)強(qiáng)度分別為0.731 g/L、0.565 d-1、0.243 g/(L·d)；廢水中TN、TP及COD的去除率分別為92.0%、98.0%及80.0%，對(duì)應(yīng)去除強(qiáng)度分別為30.7 mg/(L·d)、3.28 mg/(L·d)、133.3 mg/(L·d)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用小球藻處理污水符合生態(tài)學(xué)原理，具有成本低、能耗少、效率高、收益大、出水溶解氧含量高等優(yōu)點(diǎn)。小球藻不僅能夠吸收和同化污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物，還能利用無(wú)機(jī)鹽、降解多種有機(jī)物。但是小球藻只能吸附而無(wú)法根除污水中存在的重金屬離子。因此，廢水必須先用其他方法處理掉重金屬后，再經(jīng)小球藻處理，這樣處理水才可以用于農(nóng)田灌溉和工業(yè)生產(chǎn)，而且由此獲得的藻體的重金屬含量不超標(biāo)，可作為動(dòng)物飼料、餌料、人類的潛在食品或精細(xì)化工品原料。

[1]Munoz R,Guieysse B.Algal-bacterial processes for the treatment of hazardous contaminants:a review[J].Water Research,2006,40(15):2799-2815.

[2]張靜霞.小球藻去除污水中氮磷能力的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(32):15944-15945.

[3]劉淑坡,李飛.固定化核蛋白小球藻對(duì)人工廢水中不同形態(tài)氮和磷的去除[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,26(4):43-47.

[4]嚴(yán)清,孫連鵬.固定化與游離態(tài)小球藻脫氮除磷對(duì)比研究[J].能源環(huán)境保護(hù),2008,22(3):20-24.

[5]嚴(yán)清,孫連鵬.固定化菌藻系統(tǒng)及對(duì)污水中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化效果[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2009,18(6):2086-2090.

[6]王穎,張恩棟,王紹遷,等.小球藻深度脫氮除磷能力研究[J].廣東化工,2013,40(20):137-138.

[7]傅海燕,許鵬成,柴天,等.3種載體固定化菌藻共生系統(tǒng)脫氮除磷效果的對(duì)比[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2013,7(9):3256-3262.

[8]寇希元,張曉青,張雨山,等.固定化藻菌去除海水沖廁污水中氮磷的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2011,5(12):2703-2706.

[9]顏勝華,魯敏,陸世雄,等.固定化與游離態(tài)小球藻脫氮除磷對(duì)比以及金屬鎘對(duì)吸收磷速率的影響[J].紡織科技進(jìn)展,2009(5):10-14.

[10]李川,薛建輝,蘇瑩瑩,等.不同pH條件下銅對(duì)固定化小球藻除氮效果的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,33(4):105-108.

[11]李川,許鵬成,薛建輝,等.銅、鋅、鎘對(duì)固定態(tài)和懸浮態(tài)小球藻的除磷效果比較[J].環(huán)境科學(xué)研究,2011,24(7):798-806.

[12]Peng Z,Wu F,Deng N S.Photodegradation of bisphenol A in simulated lake water containing algae,humic acid and ferric Ions[J].Environmental Pollution,2006,144(3):840-846.

[13]彭章娥,馮勁梅,何淑英,等.含藻水中壬基酚的光降解轉(zhuǎn)化研究[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(10):3466-3472.

[14]姜玉鳳,陳躍.普通小球藻對(duì)直接大紅4B染料的降解作用研究[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào),2012,28(2):20-24.

[15]劉華,沈新天,孫麗娜,等.普通小球藻對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯的富集與降解研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,87(6):2391-2395.

[16]屠云杰,馬云,劉維屏.藻類對(duì)三氯殺蟲(chóng)酯的吸附和降解[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(1):44-48.

[17]歐曉明,雷滿香,王曉光.小球藻對(duì)新殺蟲(chóng)劑HNPC-A9908的富集與降解[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2003,23(5):475-479.

[18]吳敏,陳明,宦海琳,等.菌藻共固定化降解微囊藻毒素[J].湖泊科學(xué),2007,19(6):627-631.

[19]鄭子英,劉雷,曾慧卿,等.小球藻對(duì)氨廠廢水的凈化及其葉綠素?zé)晒庾兓痆J].2011,5(4):856-860.

[20]李宇佶,李昌靈,徐國(guó)華,等.利用普通小球藻ChlorellavulgarisC9-JN2010處理氨基酸工業(yè)廢水的研究[J].水處理技術(shù),2012,38(5):91-95.

[21]李君榮,申婷,胡蕾.蛋白核小球藻處理豬場(chǎng)廢水的效果觀察[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2012,33(5):80-82.

[22]阮榕生,簡(jiǎn)恩光,巫小丹,等.小球藻處理養(yǎng)豬業(yè)沼液研究[J].現(xiàn)代化工,2013,33(8):62-66.

ApplicationofChlorellaintheWastewaterTreatment

OUYANG Kexian,LIU Jianping,CAI Lichuang

(Institute of Biological Resources,Jiangxi Academy of Sciences,330029,Nanchang,PRC)

Chlorella has unique metabolic ways,which can utilize solar energy and inorganic substance to synthesize their protoplasts through photosynthesis.Chlorella has a better effect in removing nutrients such as nitrogen and phosphorus in wastewater,using inorganic salt,and degrading a variety of organic matter.The research progress in wastewater treatment of chlorella in recent years has been reviewed in this paper.

chlorella;wastewater treatment;application

2014-05-09;

2014-06-11

歐陽(yáng)克氙(1963-)，男，江西贛州人，副研究員，主要從事天然產(chǎn)物開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作。

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20111BBF60044)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.022

Q949.21+7;X703

A

1001-3679(2014)04-0515-05