張偉強

摘要：太湖的富營養(yǎng)化導(dǎo)致藍藻頻繁爆發(fā)，及時打撈與收集是迅速減少水體藍藻濃度的常用手段，從而可使水體中減少大量氮、磷，使水體得到凈化。藍藻打撈量大、含水量高、脫水、脫毒困難，因而打撈上來的藍藻水華如何處置是一個難題，如不施以恰當(dāng)?shù)奶幹茫瑢⒃斐稍宥舅兀∕Cs）的二次污染。根據(jù)水華藍藻生物質(zhì)主要成分，綜述分析藍藻厭氧發(fā)酵處理處置在國內(nèi)外研究進展和存在問題，重點討論其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的潛力，探討了藍藻厭氧發(fā)酵要進一步研究的突出問題。

關(guān)鍵詞：水華藍藻;厭氧發(fā)酵;生物質(zhì);研究進展

當(dāng)前隨著社會工業(yè)化進程的加快，生活污水、生產(chǎn)廢水的排放對于環(huán)境的影響也愈發(fā)加劇，廢污水當(dāng)中存在的多種營養(yǎng)元素造成了水質(zhì)的極度惡化，這主要表現(xiàn)在水質(zhì)富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藍藻等生物的瘋狂繁殖生長，并且藍藻引發(fā)的水華現(xiàn)象難以得到有效處理，大量生長的藍藻也容易腐爛，對周圍應(yīng)用水源造成極大的危害，破壞原有水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，繼而引發(fā)其他的自然災(zāi)害。為此，就當(dāng)前的市場活動而言，如何科學(xué)合理的進行藍藻危害的治理已經(jīng)得到了相關(guān)政府部門的重點。

防止藍藻進一步繁殖危害的重要措施是對藍藻進行及時打撈工作，這項措施在我國很多水資源豐富的地區(qū)的到了大規(guī)模開展，如太湖、巢湖、滇池等地。藍藻水化現(xiàn)象的產(chǎn)生具有一定的規(guī)律性，尤其在一些高峰時刻，藍藻打撈量一直保持在上千噸以上，政府部門也需要考慮對打撈后的藍藻開展無危害處理措施，這決定了藍藻水化現(xiàn)象處理的社會經(jīng)濟效益，如果缺乏體系化藍藻資源利用機制，那么打撈后的藍藻將會進一步腐爛，引發(fā)一些發(fā)臭危害性氣體的排放，加劇當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境危害。

就當(dāng)前的藍藻危害處理研究而言，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)的藍藻利用化技術(shù)都難以得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。日本等發(fā)達國家嘗試將水華藍藻作為農(nóng)業(yè)化肥，藍藻自身的化學(xué)成分要優(yōu)于一般的生產(chǎn)化肥，這主要歸因于藍藻內(nèi)部的氮磷元素含量相對偏高，且內(nèi)部并沒有一些污染性較大的金屬元素，對土質(zhì)的污染危害也較少。藍藻發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣是非常好的能源，其沼渣沼液是良好的有機肥。太湖周邊的大量農(nóng)田對有機肥需求量很高，因此太湖藍藻厭氧發(fā)酵具有很好的應(yīng)用前景。

一、藍藻的成分

水化現(xiàn)象作為當(dāng)前琥珀的主要危害之一，其引發(fā)的主要因素為綠藻、藍藻等藻類的生長，就藍藻而言，其包含多種類型，如水花魚腥藻、銅綠微綠藻、變異魚腥藻。藍藻的歷史較為悠久，其具有陰性革蘭氏染色體，含有較多的葉綠素a，且并沒有鞭毛、葉綠體，但是其能夠產(chǎn)生氧性光合作用，其對于湖泊的危害表現(xiàn)在降解性較差，在一些經(jīng)過氮元素污染后的水區(qū)域，且極容易造成水華或者赤潮，給當(dāng)?shù)氐臐O業(yè)生產(chǎn)造成極大的經(jīng)濟損失。除此之外，藍藻本身的細胞也會釋放出一些有毒成分，進一步污染水質(zhì)，藍藻自身結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為抗降解性，在外界環(huán)境氧氣成分較少的情況下，藍藻細胞分解速度緩慢，為此，在處理此類水質(zhì)危害過程中，技術(shù)人員需要考慮加快其降解能力。同樣，水質(zhì)中還會引起一些微囊藍細菌屬（Microcystis）等水生種類，該水生種類產(chǎn)生的水質(zhì)毒素會對人體造成極大的危害，如引發(fā)肝癌，這種毒素自身具有較高的耐溫能力，即便在外界高溫環(huán)境下，也很難對毒素進行有效的分解消除，即便當(dāng)前常見的自來水水質(zhì)處理工藝中的加氯、沉淀、過濾也難以將其有效消除。為充分利用該藍藻的自身價值。目前市場上主要講藍藻打撈后進行水質(zhì)分離，繼而進行焚燒處理，也可用于發(fā)電等工業(yè)化，但是需要技術(shù)人員注意的是，在焚燒發(fā)電過程中能源消耗較高，且藍藻脫水處理工藝較為復(fù)雜（往往需要脫干95%以上的藍藻水分），燃燒過程中也會產(chǎn)生一些大氣污染成分。

二、藍藻處理技術(shù)進展

藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾極易造成二次污染。同時，太湖藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾中含有較多的有機物，具有較高的資游利用價值。對于太湖藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾國內(nèi)外大多采用“好氧堆肥+土地利用”、“厭氧消化+深度脫水+干化”技術(shù)實現(xiàn)太湖藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾中有機質(zhì)及營養(yǎng)元素的高效利用。根據(jù)美國環(huán)保局1998年的調(diào)查，厭氧消化是美國采用最普通的太湖藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾穩(wěn)定方法，占75%。我國厭氧消化技術(shù)應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，但直至70年代后期才開始較穩(wěn)步地發(fā)展，目前我國僅約10余個厭氧消化工藝，不到全國城市的2%，厭氧消化可把太湖藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾低品質(zhì)的有機物轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)能源，但傳統(tǒng)的厭氧消化由于太湖藍藻（藍綠藻、藍細菌）、污水廠污泥及餐廚垃圾工藝水平偏低、可生化性能差，存在沼氣產(chǎn)量低的問題。

三、藍藻厭氧發(fā)酵處理技術(shù)

發(fā)酵是微生物在厭氧條件下，以有機物作為電子供體和電子受體的生物學(xué)過程，微生物通過生理上的反應(yīng)和調(diào)節(jié)，控制著發(fā)酵類型和發(fā)酵末端產(chǎn)物的形成，同時伴有甲烷和C02產(chǎn)生。將藍藻進行厭氧處理，首先可以將其中的有機物轉(zhuǎn)化為沼氣.其次厭氧過程中的高溫發(fā)酵使藻毒素降解。

有相關(guān)技術(shù)研發(fā)機構(gòu)提出可采取對藍藻進行厭氧發(fā)酵的處理方式，以此獲取一些能源產(chǎn)品（沼氣、沼液藻渣），該技術(shù)手段以藍藻作為基礎(chǔ)材料，進行第二次的秸稈等生物材料的調(diào)節(jié)，改變藍藻內(nèi)部的碳氮元素比例，繼而常溫情況下讓藍藻厭氧發(fā)酵一定時間，獲取沼氣能源，最終實現(xiàn)藍藻無危害化處理。

采用厭氧發(fā)酵技術(shù)既可實現(xiàn)藍藻的處理，又能對氫能進行回收。然而，單獨的藍藻發(fā)酵效率較低，不平衡的營養(yǎng)成分和細胞壁的存在，會對藍藻的降解產(chǎn)生不利影響。從有機物化學(xué)組成分析，藍藻c/N比較低，導(dǎo)致微生物無法高效地利用底物。因此將其他底物與藍藻混合發(fā)酵能夠解決其單獨厭氧發(fā)酵時碳和氮不平衡的問題，有利于提高產(chǎn)氫率。餐廚垃圾中含有淀粉、蛋白質(zhì)、動物油脂等大量有機物，是低碳基藍藻厭氧混合發(fā)酵的合適底物。氫氣是厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)物，氫氣有著燃燒熱值高，無污染的特點，可成為一種新型能源，厭氧混合發(fā)酵制氫技術(shù)是大規(guī)模處理餐廚垃圾和藍藻的有效方式之一。

添加高含碳基質(zhì)可解決藍藻c/N比失調(diào)的問題，但未能解決藍藻難以破壁的瓶頸。生物質(zhì)產(chǎn)氫潛力與有機物水解性能直接相關(guān)。而對于藍藻來說，有機物水解效果會受其細胞壁結(jié)構(gòu)的限制。目前餐廚垃圾和藍藻厭氧混合發(fā)酵產(chǎn)氫主要面臨的問題是在厭氧混合發(fā)酵產(chǎn)氫體系中，由于藍藻剛性細胞壁的存在，有機物水解效果較低，從而導(dǎo)致反應(yīng)體系整體產(chǎn)氫效率不高。因此可通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理來強化藍藻細胞破壁，進而提高水解性能和氫氣產(chǎn)率。與其他預(yù)處理技術(shù)相比，機械法因無毒素產(chǎn)生和成本較低的優(yōu)勢，被認(rèn)為是藍藻細胞破壁的最佳選擇。高壓均質(zhì)是先將高壓施加于原料，再瞬時將壓力釋放。瞬時釋放的壓力差造成了巨大的空穴、剪切和撞擊作用，使原料受到?jīng)_擊，從而被破碎。但是，國內(nèi)外采用高壓均質(zhì)對太湖藍藻進行破碎，從而提高共發(fā)酵產(chǎn)氫的報道還較少。

四、藍藻資源化處理關(guān)鍵技術(shù)

對于藍藻進行充分利用是當(dāng)前迫切需要發(fā)展的重要技術(shù)，就目前的研究發(fā)展而言，藍藻資源化主要障礙在于藻毒素的降解，藍藻自身存在的藻毒素可分為環(huán)狀五肝毒素、環(huán)狀七肽肝毒素，尤其是以其中的MC-RR，MC-YR等幾種毒性較大，水質(zhì)經(jīng)常處于這些毒素環(huán)境下，則會對人體造成肝炎、肝癌等現(xiàn)象，且直接對含有藻毒素的藍藻進行化肥處理，則會造成土壤的嚴(yán)重污染，地下水同時還會富集到作物體內(nèi)，如果人類采集了被微囊藻毒素污染的作物，在食品加工過程難以對藻毒素進行有效降解。施用藻毒素含量高的藍藻沼渣、藍藻有機肥等，可以通過食物鏈進入人體，從而產(chǎn)生生理、生化和遺傳毒性。因此，對藻毒素降解的無害化處置是其資源化利用的前提條件。

藍藻無害化的關(guān)鍵性技術(shù)在于：適合處理干物質(zhì)含量高、藻毒素初始值高的藍藻，

且要求處理后藻毒素殘留量低?，F(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于藍藻藻毒素去除的研究中，分別以藍藻+活性污泥、藍藻+活性污泥、藍藻+發(fā)酵混合物的發(fā)酵方法去除藍藻中藻毒素。上述方法中可處理的藍藻干物質(zhì)含量較低，分別為5.96%、4.24%、3.4%;可處理的初始藻毒素（MC-LR、Mc-KK）也較低，分別為244～366ug/kg、510～1410ug/kg，26.98～41.8ug/kg。經(jīng)降解后，藻毒素殘留量分別為<5ug/kg、<5ug/kg、1.86ug/kg。

關(guān)于藻毒素降解菌已有大量研究，但目前主要集中在藻毒素降解菌的篩選、種類鑒定和藻毒素降解效果等方面，而關(guān)于藍藻產(chǎn)沼氣的生產(chǎn)過程中人為地添加藻毒素降解菌劑的應(yīng)用方面未見報道;特別是關(guān)于添加含鐵和生物炭的復(fù)合物對藻毒素進行催化二級降解方面的研究未見報道;此外，關(guān)于厭氧發(fā)酵階段添加藻毒素降解菌劑的三級降解未見報道。

藍藻生產(chǎn)沼氣的核心技術(shù)是發(fā)酵滯留期短和產(chǎn)沼氣潛力大（單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量），直接關(guān)系到設(shè)備的應(yīng)用效率和經(jīng)濟效益的高低。采用太湖藍藻+產(chǎn)甲烷顆粒污泥產(chǎn)沼氣方法，結(jié)果表明藍藻產(chǎn)沼氣潛力為120.5mL/gTs。韓士群等（2009）采用太湖藍藻+活性污泥產(chǎn)沼氣方法，結(jié)果顯示滯留期為90天，藍藻產(chǎn)沼氣潛力為850mL/gTs。王震宇等（2008），采用太湖藍藻+活性污泥產(chǎn)沼氣法，結(jié)果顯示滯留期為16天，藍藻產(chǎn)沼氣潛力為530mL/gTs。宋偉（2009），采用太湖藍藻干發(fā)酵法，滯留期為42天，藍藻產(chǎn)沼氣潛力為352.31mL/gTS。

五、藍藻厭氧發(fā)酵存在問題及展望

水華藍藻是環(huán)境污染的伴生產(chǎn)物，今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)太湖、巢湖及滇池等湖泊的富營養(yǎng)化會趨勢比較嚴(yán)重，水華藍藻暴發(fā)的條件還將持續(xù)一定的時間過程。水華藍藻作為一種具有開發(fā)潛力的生物質(zhì)能資源，在實現(xiàn)資源利用的同時，亦可有效控制環(huán)境污染。目前，對打撈后水華藍藻生物質(zhì)的綜合利用已經(jīng)有了初步的研究進展，然而，研究成果大多局限于藍藻生物質(zhì)單相底物的厭氧發(fā)酵以及工藝參數(shù)的探究，水華藍藻厭氧發(fā)酵過程控制及其產(chǎn)酸產(chǎn)氣機理等方面的研究還相對缺乏，水華藍藻生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的物料的轉(zhuǎn)化、產(chǎn)氣機理以及發(fā)酵過程中微生物生理生態(tài)特征等方面的研究還有待進一步的深入。若實現(xiàn)大規(guī)模水華藍藻、水生植物等生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的安全處理和資源利用，還有一些技術(shù)問題需要解決，包括經(jīng)濟、高效發(fā)酵工藝的建立，配套高效發(fā)酵裝置的設(shè)計，發(fā)酵的快速啟動以及沼液、沼渣的深度處理和資源化利用等。

針對水華藍藻具有不同于水生植物等生物質(zhì)資源的特性，具有體積小、有機質(zhì)含量高、含水量大等特點，關(guān)于藍藻等多種生物質(zhì)資源聯(lián)合厭氧發(fā)酵還有以下問題需要進一步探討：1.水華藍藻厭氧發(fā)酵過程的控制因素及其作用機理與動力學(xué)模型;2.水華藍藻等生物質(zhì)厭氧發(fā)酵過程的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特征，以及微生物生理生化特征與發(fā)酵產(chǎn)物組成分布的聯(lián)系;3.不同類型底物（如藍藻、水生植物等）厭氧發(fā)酵時的相互轉(zhuǎn)換及快速啟動機制研究。

產(chǎn)業(yè)化推廣的主要措施是對生物質(zhì)原料藍藻進行厭氧發(fā)酵化處理，且避免的后續(xù)的藍藻脫水化處理工藝，也可以實現(xiàn)藻毒素的一定分解，從而實現(xiàn)水華藻類的減量化、無害化和資源化。藻類中富含的蛋白質(zhì)、糖等可以被厭氧微生物作為底物來生產(chǎn)短鏈脂肪酸、氫氣以及甲烷等。其中，揮發(fā)性短鏈脂肪酸既可以作為污水處理廠脫氮除磷過程的一種經(jīng)濟適用的碳源，也可以作為生物塑料回收利用，它的生產(chǎn)已成為近幾年的研究熱點。