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”。