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        固定化菌藻共生體去除污水染物的機(jī)理及進(jìn)展

        2022-02-04 08:02:30章楚卓詹健
        應(yīng)用化工 2022年12期
        關(guān)鍵詞:生物

        章楚卓,詹健

        (南昌大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330031)

        根據(jù)中華人民共和國住建部發(fā)布的城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示,截止2019年底,全國城市市政公用設(shè)施的污水處理率達(dá)96.81%,污水處理廠集中處理率達(dá)94.81%,污水處理廠將污水進(jìn)行二、三級(jí)處理的處理量達(dá)5 258 499萬m3,與上一年相比,污水處理率增加了1.32%。污水處理方面的投資總額增加,說明我國在污水處理這方面的需求也在不斷的增加。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和污染物排放量的增多,水環(huán)境面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),水污染治理的高效節(jié)能及后續(xù)的環(huán)保問題等成為環(huán)境領(lǐng)域的重點(diǎn)工作之一。我國城市污水處理的工藝類型為活性污泥法,占到八成以上[1],但傳統(tǒng)工藝仍然存在不少問題,如運(yùn)行費(fèi)用高、容易出現(xiàn)污泥膨脹、需定期排泥、管理復(fù)雜、效果不穩(wěn)定等。由此可以得出,推動(dòng)城市污水處理的可持續(xù)性發(fā)展需要污水處理新技術(shù)的應(yīng)用。

        1 污水處理中藻、菌的選擇及相互關(guān)系

        表1 常見微藻的特性及在污廢水中的去除效果Table 1 The characteristics of common microalgae and their removal effect in sewage and wastewater

        藻類與細(xì)菌之間的關(guān)系比較復(fù)雜,兩者不僅包括競爭關(guān)系,還包括互利共生關(guān)系。藻類和細(xì)菌在生長繁殖的過程中,需要氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的支撐,當(dāng)環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)不能同時(shí)滿足兩者需要時(shí),細(xì)菌和藻類之間就會(huì)產(chǎn)生競爭關(guān)系。生活在藻際微環(huán)境中的菌群呈現(xiàn)出多樣性,細(xì)菌可以直接利用源自于藻類的有機(jī)物,供自身的生長和繁殖,藻類產(chǎn)生的胞外膠狀物,大多為多聚糖類的物質(zhì)[17],而這些物質(zhì)能夠刺激環(huán)境中細(xì)菌的生長繁殖;同時(shí)細(xì)菌產(chǎn)生的一些物質(zhì)也是藻類所需要的[18]。藻類與細(xì)菌相互作用的機(jī)制包括營養(yǎng)物質(zhì)的交換、化學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因的水平轉(zhuǎn)移[17]。營養(yǎng)物質(zhì)的交換作為最為普遍的方式之一,藻類細(xì)胞可以產(chǎn)生一些胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS),來維持細(xì)菌的活性狀態(tài)[19];細(xì)菌也可以向藻類提供微量營養(yǎng)素,Croft等[20]提出細(xì)菌能像藻類供給維生素來換取碳源?;瘜W(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)更像是兩者間的信息通報(bào),細(xì)菌可以分泌一些誘導(dǎo)性的物質(zhì)信號(hào)作用于藻體,而藻類也可以產(chǎn)生像信息素等這類的物質(zhì)作用于細(xì)菌?;虻乃睫D(zhuǎn)移是指藻類將細(xì)菌的部分基因轉(zhuǎn)化為自身的基因,這些基因的轉(zhuǎn)移更有利于藻類應(yīng)對周圍環(huán)境的變化,對藻類的生存具有重大意義[21]。

        2 菌藻共生體去除污水染物的機(jī)理

        2.1 氮、磷的降解

        其中藻類以CO2為碳源,吸收污廢水中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì),藻類中的葉綠素等物質(zhì)完成光合作用并釋放出氧氣,并完成藻類細(xì)胞增殖的過程。李小霞等[31]提出藻類在進(jìn)行光合作用時(shí),會(huì)使得污水中的pH升高,這是因?yàn)镃O2作為碳源,污水中的CO2含量減少,磷酸鹽與水中的離子在pH高的環(huán)境下形成沉淀物,氨氮的揮發(fā)增加,實(shí)現(xiàn)氮磷的有效去除[8]。

        2.2 重金屬的去除

        藻類的細(xì)胞壁主要由蛋白質(zhì)、多糖和脂肪組成,并且?guī)в幸欢ǖ呢?fù)電荷,呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[32],其細(xì)胞膜具有高度選擇性的半透膜,藻類由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了它可以富集金屬離子[33]。藻類對一些金屬離子的親和性具有以下的順序:Pb>Fe>Cu>Cd>Zn>Mn>Mo>Sr>Ni>V>Se>As>Co[34]。

        藻類對金屬離子的去除主要是通過生物吸附和生物富集,生物吸附包括表面絡(luò)合、離子交換和氧化還原作用,藻體的細(xì)胞壁最先開始與金屬離子接觸,細(xì)胞壁中的氮、磷、硫等可以作為配位原子與金屬離子配位絡(luò)合;金屬離子可以與藻類細(xì)胞表面的陽離子互換,被互換的陽離子進(jìn)入到溶液中;藻類對金屬離子的去除還存在氧化還原反應(yīng),金屬離子在細(xì)胞表面經(jīng)過氧化還原反應(yīng)的作用后,可以提高其反應(yīng)效率[35]。生物富集不同于一般沉積、吸附或離子交換,而是一個(gè)復(fù)雜的物化和生化過程,生物富集包括主動(dòng)運(yùn)輸、胞內(nèi)和胞外金屬蛋白的合成等機(jī)理,而這些過程都與細(xì)胞的代謝密切相關(guān)[36]。金屬離子如Zn、Mn等是藻類生長必需的,在藻類生長的過程中,可以從污廢水中獲取營養(yǎng)[37]。而有些金屬離子如Au、Ag、Cd等對藻類產(chǎn)生毒害作用,從而影響藻類的生長代謝、抑制光合作用、導(dǎo)致藻類細(xì)胞畸變等。活藻體適用于低濃度的重金屬水體中,如地表水[38],在高濃度的重金屬污水中,活藻體對污染物的濃度耐受力不高,容易造成活藻體的活性降低,甚至是藻體的死亡。因此目前大部分研究集中在死亡藻體去除金屬離子,死亡藻體對重金屬的耐受力高,且易于培養(yǎng),相比于一般的藻體,具有更高的去除效率。

        2.3 難降解有機(jī)物的去除

        污廢水中難降解有機(jī)物通常有以下幾個(gè)方面的特征:污染物的分子量相對較大、毒性較強(qiáng)、其結(jié)構(gòu)和成分相對復(fù)雜等。微藻對難降解有機(jī)物去除的機(jī)理和對去除金屬離子的機(jī)理相似,藻類可以有效的富集和降解多種有機(jī)物,如抗生素、有機(jī)氰化物、芳香族為代表的多環(huán)及其他長鏈有機(jī)化合物等[39]。鐘雪晴等[40]提出微藻去除抗生素的幾種機(jī)制包括生物表面吸附、生物降解、生物累積、光合降解和水解與揮發(fā)。藻類生物表面吸附與抗生素的親、疏水性和電荷有關(guān),KIKI C等[41]認(rèn)為疏水性高的抗生素比較容易被吸附。于穎等[42]認(rèn)為抗生素的濃度與微藻的比生長速率呈負(fù)相關(guān),抗生素的濃度越高,微藻的比生長速率越低。帥正[43]就淡水微藻綠球藻、羊角月牙藻和萊茵衣藻探究對多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的去除效果。有研究表明,細(xì)菌和藻類可能存在著相同的對PAHs的降解代謝的途徑,但是并沒有證據(jù)表明藻類和細(xì)菌兩者具有相同降解有機(jī)物的基因,這還需要進(jìn)一步去驗(yàn)證。

        3 固定化菌藻共生系統(tǒng)處理污水

        固定化技術(shù)主要是利用物理、化學(xué)等多種方式,將生物細(xì)胞固定在有限的空間內(nèi),并且使得生物細(xì)胞保持活性反復(fù)利用的技術(shù)[44]。相對于懸浮化菌藻共生系統(tǒng),固定化菌藻共生系統(tǒng)很好的解決了需要定期排泥和效果不穩(wěn)定等問題,能夠更好的抵抗外界惡劣環(huán)境。固定化技術(shù)常見的方法有吸附法和包埋法。

        吸附法是指通過一些載體的表面和藻類細(xì)胞之間的吸附作用,藻類和細(xì)菌在載體上吸附成長,并形成菌藻共生生物膜。生物膜的形成有助于藻類的生長和繁殖,同時(shí)可以吸收污水中的氮磷等污染物,來達(dá)到凈化污水的效果。同時(shí)載體的加入可以避免藻類不必要的流失,在一定的程度上提高了污水凈化能力。王振威[45]就載體的污水處理能力和固定藻類,制備最佳發(fā)光填料負(fù)載,在反應(yīng)器中加入發(fā)光填料,實(shí)驗(yàn)通過對葉綠素a濃度測定和脫氮除磷效果分析,研究表明,在投加了發(fā)光填料以及發(fā)光材料含量較多的反應(yīng)器中,污水的凈化能力大大提升。膜過濾技術(shù)同樣也應(yīng)用于藻類去除污水,其中動(dòng)態(tài)膜技術(shù)被認(rèn)為是一種具有潛在發(fā)展的技術(shù)。與傳統(tǒng)的過濾膜不同,動(dòng)態(tài)膜是通過不斷地截留過濾的介質(zhì),從而在表面附著形成,整個(gè)過程可視為“動(dòng)態(tài)”。吳文劍[46]采用不銹鋼網(wǎng)作為膜組件放入菌藻共生系統(tǒng)中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明藻類的生物量顯著提高,是未優(yōu)化前藻類生物量的3倍,且出水濃度大大降低,污水中的營養(yǎng)物質(zhì)平均去除率達(dá)80%以上。吸附固定法在一定的程度上提高了污水凈化的能力,但其所使用的載體重復(fù)使用率低、甚至?xí)忻撀洌绊懢骞采到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

        包埋法是指將菌、藻細(xì)胞按照一定的比例與材料固定形成多孔隙凝膠,使其細(xì)胞不能自由移動(dòng),細(xì)胞在多孔凝膠中生長繁殖,污水中氮、磷的去除靠藻類和凝膠的吸附,常見的固定化細(xì)胞有機(jī)材料包括海藻酸鈉、聚乙烯酰胺、瓊脂等。魏彩霞[47]利用海藻酸鈉固定小球藻,形成有一定硬度的海藻酸鈣球體,將小球藻包埋其中,實(shí)現(xiàn)小球藻的固定化培養(yǎng),試驗(yàn)表明在最優(yōu)的固定條件下,不僅提高了小球藻的沉降性能,并且對污水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除率在80%以上。

        4 結(jié)語及展望

        (1)固定化菌藻共生系統(tǒng)在城市處理污水展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢,在結(jié)合與傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的過程中,在不斷的優(yōu)化及提升其凈化能力,但仍然存在一些問題:固定化技術(shù)在選擇載體時(shí),要考慮載體的性能及成本,在與菌藻共生系統(tǒng)長期接觸時(shí),考慮其載體是否容易被微生物分解等問題,載體材料的運(yùn)用在實(shí)際工程中并未能得到很好的實(shí)踐。

        (2)為了更好的了解固定化技術(shù)的吸附去除機(jī)理,今后的研究重點(diǎn)可以是生物吸附劑對氮磷和金屬離子等的吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性,更加深入探討生物吸附的規(guī)律。此外,為了貫徹落實(shí)我國“綠色”共享理念,從藻類的回收再次利用的角度出發(fā),藻類含有豐富的油脂、維生素、葉綠素等,并且含有生物活性物質(zhì)糖蛋白,具有增強(qiáng)機(jī)體免疫等的功能,在利用藻類處理污廢水后,可以取得一些生物質(zhì)燃料、有機(jī)肥料和動(dòng)物飼料等,實(shí)現(xiàn)藻類的回收利用[48]。在我國大力推行“碳中和”的背景下,“碳中和”作為一種新型的環(huán)保形式,藻類在這方面也能有很好的發(fā)展?jié)摿?,藻際有機(jī)質(zhì)是連接藻類與共生微生物的樞紐,胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)就是其中的一類,EPS可以充當(dāng)藻類的營養(yǎng)基礎(chǔ),也可以影響菌藻共生系統(tǒng)的建立和調(diào)節(jié)微生物群落的組成等[49]。EPS也是連接顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon,POC)和溶解有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)的樞紐,EPS對碳循環(huán)起到重要的作用,藻類因固碳速率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),通過菌藻共生系統(tǒng)和模擬煙道氣耦合培養(yǎng)環(huán)境條件下,優(yōu)化藻類對CO2固定效果,努力實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。

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