崔元捷，張紅兵?，何恒，陳鐵軍，郭帆

（1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050061；2.華電水務(wù)科技股份有限公司，北京 100070）

0 引言

隨著世界人口增加和工農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展，水污染日益加劇。污染物中含有大量氮、磷等元素，還有鐵、鎂、鈣等金屬離子，導(dǎo)致水體嚴重富營養(yǎng)化。微藻雖是單細胞自養(yǎng)型生物，但在有機質(zhì)環(huán)境中生長速率更高，有益于生產(chǎn)生物質(zhì)燃料、多糖或飼料蛋白等產(chǎn)品［1］。近年來微藻商業(yè)化培養(yǎng)需消耗大量營養(yǎng)源，效益不佳［2］，如果改用廢水馴化并養(yǎng)殖微藻，可在凈化廢水的同時獲取生物質(zhì)，實現(xiàn)廢水的循環(huán)利用，成為目前的研究熱點［3-5］?；诖擞斜匾獙U水的來源、組成及對微藻生長的影響進行歸納總結(jié)，為廢水養(yǎng)殖微藻提供參考。

1 各類廢水的相互關(guān)系

不同廢水的組分不同、菌群迥異，有些廢水濁度高、營養(yǎng)差、細菌污染嚴重并含有毒物質(zhì)，導(dǎo)致微藻生長緩慢，甚至不適宜直接用于培養(yǎng)微藻［6-7］。在環(huán)保工業(yè)中，廢水可通過一定的方法和途徑相互混合和轉(zhuǎn)化：原廢水經(jīng)過格柵或篩濾器后進入沉砂池砂水分離，再進入初次沉淀池，以上為一級處理（物理處理）。初次沉淀池出水進入生物處理階段，經(jīng)活性污泥法（用于曝氣池、氧化溝）、生物膜法（用于生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床）處理進入二次沉淀池。二次沉淀池出水經(jīng)消毒后排放或進入三級處理，產(chǎn)生的污泥一部分回流至初次沉淀池或生物處理設(shè)備，一部分進入污泥濃縮池及污泥消化池，經(jīng)脫水干燥后再利用，如圖1 所示。部分二級出水可采用生物脫氮除磷法、混凝沉淀法、砂濾法、活性炭吸附法、離子交換法和電滲析法進行三級處理。

圖1 各類廢水相互關(guān)系及對微藻生長的影響Fig.1 Relationship between different wastewater and the influence on microalgae growth

2 常見廢水

2.1 原廢水

工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活廢水來源復(fù)雜、組分各異，富含微藻必需的各類營養(yǎng)素（見表1［8］）。

表1 微藻培養(yǎng)廢水中氮、磷、碳的典型組成［8］Tab.1 Typical composition of nitrogen，phosphorus and carbon in wastewater for microalgae culture［8］

近年來有基于原廢水培養(yǎng)單一或混合微藻的報道。Komolafe 等［9］用含42.30 mg/L 氮、35.40 mg/L磷的原生活廢水混合培養(yǎng)顫藻（Oscillatoria）和節(jié)旋藻（Arthrospira），并與單培養(yǎng)柵藻（Desmodesmussp.）進行比較，分別獲得0.45 g/L 和0.58 g/L 的生物量，但混合培養(yǎng)可去除82.0% 的氮、61.0% 的磷和99.8% 的大腸桿菌。Wang 等［10］評價了小球藻（Chlorellasp.）對初級城鎮(zhèn)廢水的處理能力，生長速率為0.429/d，對氨態(tài)氮（NH4-N）、磷和化學(xué)需氧量（COD）的去除能力分別為74.7%，90.6%和56.5%。

室外條件下廢水來源、流量及微生物分布多變，組分復(fù)雜，尤其是總懸浮物（TSS）高，光照、溫度和pH 值等環(huán)境因素波動頻繁且難以控制［4-5］，造成實驗室試驗結(jié)果與室外實際值差異很大。Lu 等［11］利用乳品廠原廢水評估小球藻生物量和營養(yǎng)物去除能力，結(jié)果顯示在室內(nèi)環(huán)境中生物量高達260.00 mg/（L·d），對氮、磷去除能力分別為88.38 mg/（L·d）和38.34 mg/（L·d），而室外環(huán)境中相應(yīng)指標分別為110.00 mg/（L·d），41.31 mg/（L·d），6.58 mg/（L·d）。微藻種類、廢水成分、溫度和光照等條件都會影響微藻的培養(yǎng)。下面將對各類廢水的特點和對微藻培養(yǎng)的影響進行歸納。

2.1.1 工業(yè)廢水

全世界每年產(chǎn)生工業(yè)廢水數(shù)萬億t，其中TSS、生化需氧量（BOD）和COD 最高可達每升數(shù)十克。Farag等［12］估計僅用全球工業(yè)廢水的50%培養(yǎng)微藻，每年就可產(chǎn)生24 700萬t生物量及3 700萬t脂類。

根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)類型，工業(yè)廢水分為有機廢水（難/易生物降解2 類）、無機廢水（含必需營養(yǎng)素/有害重金屬元素2 類）和混合廢水3 類，以最后一種為主。各類廢水的具體組成與來源有關(guān)，見表2［8］。

表2 不同來源廢水指標［8］Tab.2 Composition of different types wastewater［8］

油脂廠、食品廠和屠宰場等產(chǎn)生的非化工型有機廢水中富含氮、磷、鈣、鐵、鋁等元素，TOC 也高，其中一些元素可以被微藻有效利用，可用于培養(yǎng)微藻。如培養(yǎng)斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）時僅在培養(yǎng)基中添加1%食品廠廢水就可大幅提高生物量和油脂產(chǎn)量（棕櫚酸和油酸含量提高8%），絮凝效果也很好［13］。與此相反，機械化工類工廠廢水往往富含重金屬或有毒有機物，不利于微藻生長，尤其是機械電子工業(yè)廢水中含有大量金屬納米物質(zhì)（TiO2，ZnO，CeO2，NiO，Y2O3，Al2O3，Ag 和Pt），會在微藻細胞內(nèi)產(chǎn)生具有破壞作用的活性氧，對淡水藻和海洋藻的生長都有抑制作用［14-15］。

2.1.2 農(nóng)業(yè)廢水

廣義農(nóng)業(yè)涵蓋農(nóng)牧漁業(yè)，包括糧食作物種植和畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)，其廢水中含有動物糞便及植物秸稈、稻殼、樹葉等成分，但目前直接利用農(nóng)業(yè)廢水培養(yǎng)微藻的研究極少。

如果說，天將降大任于斯人也的痛苦過程需要一個人來印證，那他，就是最直觀的體現(xiàn)。從2008年伊始，初出茅廬的他一步步的成長為一名合格的橋梁工程技術(shù)人員，再一步步到現(xiàn)在的獨當一面的常務(wù)副經(jīng)理?！安唤?jīng)歷風雨，怎能見彩虹”，他喜歡這一句歌詞，因為他總是能品味到風雨后的甘甜。本來學(xué)房建專業(yè)的他，在大學(xué)畢業(yè)就碰到了人生的第一個難題，重新學(xué)習(xí)鐵路建設(shè)。每天干最累的活，不斷向老工友學(xué)習(xí)，不懂就問是他最好的標簽，回到寢室后還自主學(xué)習(xí)到深夜，刻苦鉆研遇到的問題。

在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中，豬和家禽養(yǎng)殖廢水中富含碳、氮、磷等有機營養(yǎng)物，BOD 很高［16］，有理由相信動物糞便廢水可能適宜培養(yǎng)微藻，也有一些微藻在農(nóng)業(yè)廢水生長和有效去除營養(yǎng)物質(zhì)的報道［17-19］。Sun 等［18］以經(jīng)過NaClO 滅菌處理并用3 層紗布過濾后的豬場廢水為培養(yǎng)基（pH 值為8.0±0.3，TN 為（421.50±9.19）mg/L，TP 為（5.00±0.28）mg/L，COD為（813.12±39.83）mg/L），在室外條件下培養(yǎng)普通小球藻。結(jié)果表明，藻細胞能夠迅速適應(yīng)廢水和室外條件，指數(shù)生長期的比生長速率為0.120/d，略高于室內(nèi)人工培養(yǎng)基培養(yǎng)時的比生長速率，同時對TN，TP 和COD 的去除率分別為72.48%，86.93%和85.94%。Ansari 等［19］利用水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水（營養(yǎng)缺乏）補充硝酸鈉方式合成半人工培養(yǎng)基進行小球藻（Chlorella sorokiniana）、斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）和鐮形纖維藻（Ankistrodesmus falcatus）3 種藻的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)廢水中的NH4-N，NO3-N和磷酸鹽可被有效去除，凈化后的廢水可回收用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。與此同時，農(nóng)業(yè)廢水存在的問題也不容忽視。（1）營養(yǎng)物質(zhì)含量兩極化。廢水中營養(yǎng)物質(zhì)缺乏或營養(yǎng)物過高（高滲透壓）均不利于微藻生長。

（2）不溶性有機物難利用。農(nóng)業(yè)廢水中不溶性有機物含量高，碳元素被“鎖定”，制約微藻對碳的利用，造成碳元素嚴重浪費和不足并存的情況［20］。

（3）高濁度廢水遮擋光線。廢水中懸浮物遮擋光線，影響微藻光合自養(yǎng)［20-21］。

（4）農(nóng)用化學(xué)物抑制作用。大量農(nóng)藥、殺蟲劑、抗生素和其他化合物可能會影響微藻生長及生物質(zhì)品質(zhì)，特別是生產(chǎn)飼料蛋白時更應(yīng)謹慎。

2.1.3 城市廢水

城市廢水通常為居民生活廢水（80%～95%）混有少量工業(yè)廢水（5%～20%），產(chǎn)量大、污染低，適宜微藻培養(yǎng)和制備生物質(zhì)，是有效實現(xiàn)污染治理和能源再生耦合的重要途徑，但存在如下問題。

（1）組分變化大。受地域、環(huán)境、季節(jié)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響，其典型成分包括NH4-N、磷酸鹽、BOD、COD 和微生物，還有難以去除的砷、鎘、鉻、銅、鉛、汞、鋅等有毒金屬離子（見表3），但營養(yǎng)組分波動大，不利于微藻的連續(xù)穩(wěn)定培養(yǎng)［22］。

表3 典型城市廢水（混有少量工業(yè)廢水）成分［22］Tab.3 Components of typical municipal wastewater（mixed with little industrial wastewater）［22］

Mennaa 等［23］利用西班牙南部城市廢水（COD 為384.00 mg/L，TP 為12.70 mg/L，TN 為54.58 mg/L）培養(yǎng)7種微藻，結(jié)果顯示最佳生物質(zhì)產(chǎn)量為118.00～108.00 mg/L，其中斜生柵藻效果最好，總?cè)芙饬缀拖鯌B(tài)氮質(zhì)量分數(shù)分別降低了80%和87%。Guldhe等［24］利用城市廢水培養(yǎng)小球藻（Chlorella kessleri和Chlorella vulgaris），結(jié)果生物量（干重）分別達到（2.70±0.08）g/L 和（2.91±0.02）g/L，分別消除96%和95%的TN，并分別消除99%和98%的TP。韓松芳等［25］利用斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）原始株和油脂產(chǎn)量較高的誘變株處理城市廢水，發(fā)現(xiàn)所有微藻生長情況都很好，可以實現(xiàn)水質(zhì)凈化，使廢水中COD 去除率達到80%以上，TN及TP去除率分別達到93%以上，其中氨氮的去除率可達100%。

（2）宏量營養(yǎng)濃度低。雖然廢水中含有氮、磷等微藻生長所必需的宏量元素，但質(zhì)量濃度較低，不足以維持微藻長期生長。

（3）微量元素“雙刃劍”。低質(zhì)量濃度微量元素對微藻有益，但工業(yè)廢水中微量元素質(zhì)量濃度高，有毒副作用。

（4）懸浮物遮擋陽光。城市廢水的主體為居民生活廢水，有一定顏色，懸浮固形物含量高，遮蔽陽光，使微藻培養(yǎng)體系內(nèi)光分布不均，不利于微藻光合作用。

（5）新型污染物過多。越來越多的激素、藥物等新型化合物通過化妝品和表面活性劑進入廢水，難以被微藻利用，成為持續(xù)涌現(xiàn)的新難題。Godos等［26］在實驗室條件下利用高效藻類培養(yǎng)池除去人工合成廢水中的四環(huán)素。Matamoros 等研究了去除咖啡因、布洛芬、佳樂麝香、磷酸三丁酯、4-辛基酚等有機污染物，去除率從可忽略不計到99%不等，并且夏季高于冬季，說明季節(jié)、有機物類型、去除方法都對有機污染物去除率有重要影響［27-28］。

（6）其他微生物抑制。廢水中存在大量細菌或原生動物，二者相互競爭，爭奪營養(yǎng)；同時前者會分泌化合物攻擊微藻；另外代謝廢物還會改變環(huán)境的pH 值和營養(yǎng)物質(zhì)［29］。只有極少數(shù)條件下微藻和細菌能夠形成菌藻共生體并產(chǎn)生良性互動［30］。

2.2 廢水處理廠出水

2.2.1 一級出水

生物處理過程之前，廢水通過格柵、沉淀或氣浮等重力沉降型機械處理，可去除70%總沉降物（砂石）和脂肪等得到一級出水。與原廢水類似，其營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度高，含有COD，TSS和其他生長抑制劑。如一級出水中COD 質(zhì)量濃度達270.00 mg/L就可影響微藻異養(yǎng)和混合培養(yǎng)的代謝途徑［31］。另外，一級出水光透性差，細菌含量高且存在與微藻競爭養(yǎng)分和有機碳的問題。利用一級出水培養(yǎng)微藻成功案例較多，情況與原廢水類似，不再贅述。

2.2.2 二級出水

廢水中的污染物在生物處理過程中被細菌混合種群降解并轉(zhuǎn)化為污泥，使二級出水中BOD 和營養(yǎng)物濃度降低，有毒化合物減少，最適宜培養(yǎng)微藻，但有時需額外補充營養(yǎng)物質(zhì)。需要注意的是，二級出水的微生物含量高不利于微藻生長，需預(yù)處理除菌。Cho 等［32］在利用二級出水大規(guī)模培養(yǎng)小球藻（Chlorellasp.）制備生物燃料生產(chǎn)過程中，使用TN為19.10 mg/L，TP 為1.20 mg/L，COD 為15.30 mg/L的二級出水，經(jīng)過0.2 μm 過濾器過濾后，微藻的生物量和脂肪的生產(chǎn)能力分別為74.00 mg/（L·d）和22.90 mg/（L·d），遠高于使用未過濾二級出水培養(yǎng)微藻，表明過濾降低了細菌和其他有害微生物，二級出水利用效果更好。

2.2.3 濾清/污泥液

活性污泥通過濃縮工藝得到濾清/污泥液，其氮、磷濃度很高，適宜培養(yǎng)微藻時的持續(xù)性消耗。比較原廢水、一級出水、二級出水和濾清分別培養(yǎng)小球藻的效果，發(fā)現(xiàn)其在濾清中生長速率最高，原廢水次之，表明微藻生長與養(yǎng)分去除及培養(yǎng)液中營養(yǎng)濃度正相關(guān)［33］。另外，適應(yīng)城市廢水的小球藻（Chlorellasp.）可成功生長于濾清中［34］，小球藻（Chlorella sp.），Heynigiasp.，Hindakiasp.（以上2種藻屬國外藻種庫，尚無中文名稱），微芒藻（Micractiniumsp.）和柵藻（Scenedesmussp.）可在氨氮質(zhì)量濃度91.00 mg/L，正磷酸鹽質(zhì)量濃度212.00 mg/L，COD 質(zhì)量濃度2 324.00 mg/L 的濾清中培養(yǎng)，生長率達到0.455～0.498/d，脂質(zhì)為74.50～77.80 mg/（L·d）［31］。濾清中鈉離子質(zhì)量濃度達到400.00 mg/L 時對淡水藻產(chǎn)生毒性［35］。濾清除可以直接用于培養(yǎng)微藻外，還可作為二級出水的補充營養(yǎng)，同時也應(yīng)注意濾清中鹽分尤其是重金屬高，微生物復(fù)雜，對微藻生長有一定副作用。

2.2.4 厭氧消化出水/消化離心分離液

廢水經(jīng)過厭氧消化和過濾器除去固體后，其分離液中仍含有大量有機物、氨氮、磷酸鹽以及鉀、鈣、鎂、鐵、銅、錳等微量金屬元素，可作為微藻營養(yǎng)源［34，36-37］。Min 使用厭氧消化出水（其中氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽和COD 的質(zhì)量濃度分別為113.00 mg/L，0.35 mg/L，215.00 mg/L 和3 027.00 mg/L）成功培養(yǎng)了微藻［38］。Morales-Amaral 等［37］在培養(yǎng)Muriellopsissp. 和Pseudokirchneriella subcapitata. 這2 種微藻時加入40%～50%的厭氧消化出水作為唯一營養(yǎng)源，微藻生產(chǎn)能力分別達1.13和1.02 g/（L·d），氮、磷分別去除了90%，COD 質(zhì)量濃度低于100.00 mg/L。但是，使用厭氧消化出水時必須經(jīng)過稀釋，其質(zhì)量分數(shù)高于50%時，其中的高濃度尿素、有機酸、酚類和殺蟲劑等會產(chǎn)生毒性影響微藻生長［39］。

因為金屬離子的主要結(jié)合位點在細胞壁，不同微藻細胞的形狀、大小和細胞壁組分存在差異，影響金屬離子結(jié)合效率，表現(xiàn)出不同藻種對金屬離子的耐性差異很大［9］。即使是必需元素，質(zhì)量濃度過高時也會干擾光合作用，抑制生長和脂質(zhì)生成，所以藻種選擇至關(guān)重要。注意耐鹽藻株如鹽生微球藻（Nannochloropsis salina）雖對高濃度重金屬有適應(yīng)性，但用于生產(chǎn)飼料添加劑時存在潛在風險［36］。

畜禽養(yǎng)殖糞污廢水的有機物和氨氮含量很高，采用沼氣發(fā)酵只能將部分有機污染物轉(zhuǎn)化為沼氣，卻無法脫除高質(zhì)量濃度的氨氮和無機磷，最終排出的沼液中仍含有大量有機物、高濃度氨氮、磷酸鹽及鉀、鈣、鎂、鐵、銅、錳等金屬元素，直接排放仍會造成污染［35-40］?？蓪⒄右夯蛳x心分離液與二級出水混合，一方面降低了離心分離液毒性，同時又解決了二級出水的營養(yǎng)缺乏問題。

3 結(jié)束語

來自于工農(nóng)業(yè)和生活的原廢水，其營養(yǎng)物濃度兩極分化，不利于培養(yǎng)微藻；污水處理廠利用物理、化學(xué)和生物等方法處理后得到一級、二級或三級出水，濃縮了營養(yǎng)物質(zhì)，同時有害物質(zhì)的濃度也上升；因此必須采取一定措施（如不同廢水的混合，微藻的馴化和基因工程改造）進行處理，以實現(xiàn)廢水處理和生物質(zhì)生產(chǎn)的有效耦合。我國是廢水生產(chǎn)大國，利用微藻對廢水進行深度無害化處理，可以實現(xiàn)水資源以及氮、磷等資源的多重循環(huán)利用，緩解水體污染和水資源短缺，有利于實現(xiàn)能源經(jīng)濟的可持續(xù)循環(huán)發(fā)展，因此加強微藻處理廢水的研究是環(huán)保領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。