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微藻污水处理研究进展

更新时间:2019-07-12 10:44 来源:环境工程 作者: 冯思然,等 阅读:325 网友评论0

当前,日益增多的污水排放导致了严重的环境问题。与传统污水处理方法相比,微藻污水处理是一种具有独特优势的方法。微藻生长繁殖快,光合效率高,可以有效去除污水中的氮、磷、金属离子及有毒物质等污染物。分析了微藻污水处理几个关键环节的研究和发展,包括藻种的选择、微藻污水处理的体系、微藻对各种类型污水处理的可行性及微藻回收等。指出微藻污水处理的优点以及现阶段存在的问题,并对微藻污水处理的发展前景进行了展望。

1本文分析了微藻污水处理的关键环节和研究进展,包括微藻藻种的选择、微藻污水处理体系、微藻对各类污水的处理能力及微藻回收等。

2总结了微藻污水处理技术的优缺点,并对微藻污水处理的应用进行了展望。

主要内容

1 藻种的选择

与传统陆地作物相比,微藻有着光合效率高、生长周期短以及对氨氮和金属离子等污染物耐受力强等优点,可用于多种类型污水的处理。微藻种类繁多,不同藻种的污水处理能力差别很大,例如:Shanab等发现,相较于S. quadricauda, Ph. ambiguum对Hg2+、Pb2+、Cd2+ 3种金属离子的耐受性较差;Mata等在最适培养条件下使用微藻Scenedesmus obliquus对已灭菌的合成啤酒厂废水进行处理,发现对COD和TN的最大去除率分别为57.5%和20.8%,处理效果并不理想,还需要与其他方法联用。为此需要根据不同种类微藻的特性有针对性地对污水进行处理(表1)。用于污水处理微藻的选用方法一般有以下几种:

1)从原污水中筛选藻种。从原污水中筛选到的微藻对污水的耐受能力较强,通常不经驯化就对污水有较好的处理效果。程海翔从养猪厂废水中分离得到的栅藻对适当稀释、灭菌后的养猪场沼液中NH3-N、TP、COD的去除率分别可达到98.2%、80.4%和37.1%。Wen等使用从猪场沼液中分离到的一株小球藻(MBFJNU-1)对未稀释的猪场沼液进行为期12 d的处理,发现该藻可去除沼液中90.51%的TN和91.54%的TP。

2)使用小球藻和栅藻等耐受性强、污染物去除效果好的藻种。

3)诱变。韩松芳等对斜生栅藻和蛋白核小球藻进行离子诱变,发现诱变后的斜生栅藻和蛋白核小球藻对经沉淀、过滤联合预处理的城市污水有较好的处理效果,两者对城市污水中COD、NH3-N、TN、TP的去除率分别为86.4%和81.8%、100%和100%、94.3%和94.9%、93.4%和94.2%。

2 微藻污水处理体系

2.1单一藻株进行污水处理

为探究微藻污水处理的可行性,许多研究者使用单一藻株对污水进行处理并得到了较为理想的效果。姜红鹰等使用小球藻处理6个不同浓度的模拟废水,发现小球藻对模拟污水中NH3-N的去除率可达到80%,对的最高去除率接近100%。简恩光使用小球藻处理养猪沼液,发现沼液中COD、NH3-N和TP的去除率分别可达77.61%、94.76%和80.03%。He等使用小球藻对已灭菌的、不同浓度的城市污水进行为期14 d的处理,发现小球藻可以将ρ(NH3-N)<148 mg/L污水中的NH3-N完全去除,也可以完全去除污水中的P。使用单一藻株进行污水处理,虽然可以有效去除污水中的N、P等营养物质,但是对COD等污染物的去除并不理想,甚至会出现COD不降反升的情况。另外,自然条件下的微藻难以保持纯种的培养状态,需要浪费大量时间精力进行微藻的纯化和保存。此外,使用单一藻株进行污水处理需要对污水进行消毒或灭菌,体系稳定性差,微藻极易因外来物种污染而死亡,对培养设备要求较高,不利于实际应用。

2.2多藻体系进行污水处理

相较于使用单一藻株进行污水处理,多藻体系可以通过微藻间的协同作用来弥补使用单一藻株的不足。例如,多藻体系可以提高对营养物质的吸收效率、增强对外界环境的抵抗力等。Matamoros等发现,使用Chlorella sp.和Scenedesmus sp. 2种微藻联合培养可成功去除城市污水和合成污水中20%的卡马西平。Hena等从奶牛场废水中筛选出的微藻共生体可以去除奶牛场废水中98%以上的营养物质。但是多藻体系中微藻间可能也存在拮抗作用。B?r H等研究发现,在由C.vulgaris和P. subcapitata组成的微藻共生体中,C. vulgaris分泌的小球藻素会严重抑制P. subcapitata的生长。虽然多藻体系对污水中污染物去除率更高,对外界环境的抵抗力更强,但是需要进一步探究藻株间的相互关系才能构建出高效的多藻体系。

2.3使用菌藻共生体进行污水处理

菌藻共生体通常由微藻和细菌间的自絮凝作用形成。这个体系结合了微藻和共生菌两者的优点,可有效去除污水中的N、P和COD等污染物。Beltrán-Rocha等选用的城市污水中的土著型菌藻共生体可以去除二级城市污水中64%~79%的TN和80%~94%的等使用2种栅藻在高效藻类塘(HRAP)中对浓度为60%的造纸厂废水进行处理,发现该体系对和的去除率分别可达到75%、65%和71.29%。细菌的种类和污染物的浓度对菌藻共生体的构建有较大影响。王亚洁在用微拟球藻处理城市生活污水时发现变形菌门和厚壁菌门是优势菌。He等的研究表明,当污水中可溶性有机碳浓度>231 mg/L时,细菌会抑制小球藻的生长等。此外,初始菌藻接种比对污水处理效果也有较大影响。苏肖铃发现,在短带鞘藻和活性污泥构建的共生体系中,菌藻初始接种比为1∶1时对污水中NH3-N和P的去除效果最好。Su等用从污水处理厂二次滤膜上筛选的微藻和活性污泥进行污水处理,发现当菌藻比为1∶5时污水中N和P去除率最高,当菌藻比为5∶1时沉降性最好。菌藻共生体是一种较为有应用前景的污水处理手段,相较于单藻和多藻处理体系,使用菌藻共生体处理污水对外界环境的耐受性更强,生物质沉降性好,处理成本更低。但是目前对菌藻共生体的污水处理机制、群落结构以及细菌在共生体中所发挥的作用并不明确,有待进一步研究。

3 微藻对不同类型污水的处理

3.1城市污水

城市污水包括城市范围内的生活污水、工业污水和径流污水,其成分复杂,除含有生活污水中大量的N、P等营养物外,还含有少量工业污水中的有毒有害物质。目前,许多研究已经尝试用微藻处理城市污水。涂仁杰等用小球藻在跑道池中对城市污水进行处理,发现小球藻可以有效去除城市污水中的污染物,出水水质较为稳定且能达到国家排放标准。刘斌的实验证明,实验室条件下培养的优势微藻(主要是蓝藻)可去除人工模拟城市污水处理厂二级出水及实际城市污水处理厂二级出水中约60%的TN和超过90%的TP。Shen等将微藻Chlorella vulgaris和细菌Pseudomonas putida一起固定化可去除城市污水中97%的COD和100%的NH3-N和TP。相较于其他类型的污水,城市污水毒性较小,COD等污染物含量较低,易采用微藻处理。

3.2沼 液

沼液是秸秆、畜禽粪便等有机质经发酵后形成的褐色明亮液体,其中以畜禽粪便发酵形成的沼液居多。近年来,随着我国对畜禽产品的需求量不断增长,沼液排放量不断增多。虽然厌氧发酵可以去除养殖废水中大部分有机物,但是出水沼液中COD及氮、磷等营养物质含量仍然较高。为有效解决沼液污染问题,许多研究者尝试用微藻进行沼液处理。王忠江等使用小球藻FACHB-5和FACHB-8对未灭菌的秸秆发酵沼液与BG-11培养基混合成的污水进行处理,发现当秸秆发酵沼液含量分别为20%、30%、40%时,2种小球藻均可去除污水中90%以上的COD、96%以上的TN和92%以上的TP。李岩等的研究证明,经过7 d的培养,小球藻可去除未经稀释的猪场沼液中85%的NH3-N和55%的COD。Wang等将Scenedesmus obliquus与真菌共同培养,发现该体系对COD、TN和TP的去除率分别为85.82%, 83.31%和84.26%。虽然微藻可以有效去除污水中的N、P等营养物质,但是由于沼液的可生化性差导致单纯使用微藻对沼液COD的去除较差,因此需要与其他方法联用才能达到较好的治理效果。

3.3工业废水

工业废水是指工业生产过程中产生的废水或废液,种类繁多且成分复杂。例如,啤酒厂废水、酱油厂废水以及乳制品废水中含有较多的N、P等营养物质,电镀厂、金属冶炼厂等废水中含有较多金属离子,制药废水及印染废水等污水中含有较多有毒物质等。随着工业的快速发展,工业废水排放的种类和数量不断增多,严重污染环境,威胁人类健康和安全,因此工业污水的治理显得尤为重要。

3.3.1食品工业废水

在啤酒厂废水、乳制品废水等食品工业废水中,有毒有害物质较少,有机物和悬浮物含量较高,易腐败,富含N、P等营养物质,极易引起水体富营养化。微藻可以吸收污水中N、P等营养物质,并通过光合作用将其合成氨基酸、蛋白质、ATP及核酸等可用于自身生长代谢的化合物,从而实现对N、P的去除。目前,许多研究已经证明微藻对食品工业废水有较好的去除效果。Arora等将经过滤、抽滤预处理的乳制品废水用于Chlamydomonas debaryana IITRIND3的培养,发现该微藻可去除乳制品废水中87.56%的COD、82.17%的N和78.57%的P。Subramaniyam等的研究证明,Chlorella sp. MM3可以将经过沉淀、过滤预处理的啤酒厂废水中的N、P及有机物完全用于自身生长。Maza-Márquez等使用的菌藻共生体可去除橄榄油厂废水中85.86%的COD、94.84%的酚类物质和99.12%的BOD等。但是某些食品工业废水因色度、有机负荷较高而对微藻生长产生抑制,因此在用微藻处理这类污水时通常需要将其稀释或与其他方法联用。

3.3.2含金属离子的工业废水

电镀厂、冶金厂等废水中含有大量的金属离子,这些金属离子的存在对环境有极大的威胁。已有许多研究者尝试用微藻去除污水中的金属离子。Sarwa等研究发现,Scenedesmus sp. MCC 26对仿真胶厂废水中Zn2+有最好的吸收效果,对Zn2+的吸收量可达142.85 mg/g。韩冉等的研究表明,微藻FZUL-321对污水中Pb2+有较好的去除效果,在pH为5、ρ(Pb2+)为100 mg/L及去除时间为40 min的条件下,Pb2+的去除量为423.2×10-3 mg/g;他们进一步通过傅里叶红外光谱证明,微藻表面带负电的氨基、羧基等官能团在处理前期参与Pb2+的沉淀吸附,通过X射线衍射证明微藻可以通过一系列生化作用将离子态的Pb2+矿化为Pb5(PO4)3OH。Gao等使用小球藻形成的膜光合生物反应器对二级城市污水进行处理,发现该体系可以去除污水中64.7%的Cu2+、80.1%的Zn2+、93.2%的Al3+,并能完全去除Fe3+和Mn2+。微藻对污水中金属离子有着较好的去除效果,其去除机制主要包括:1)微藻的细胞壁主要由带负电的多糖和碳水化合物组成,可以在微藻细胞表面吸附大多数带正电的金属离子。2)生物富集。微藻可将金属离子吸收或者储存在液泡中,但这个过程只能在活的微藻细胞中进行。3)活体微藻在细胞外将重金属积累或沉淀等。微藻不仅可以有效去除污水中的金属离子,还可以对金属离子进行回收。但如果污水中金属离子含量过高也会对微藻生长产生抑制,且不同种类微藻对金属离子的耐受性也存在差异。

3.3.3含有毒物质的工业废水

某些工业废水中含有大量有毒物质,例如,制药废水中含有大量非固醇类抗炎药、布洛芬、氯芬酸、抗生素等药物活性物质,染料废水中含有大量合成染料等。许多研究表明,虽然污水中较高浓度的有毒物质会对微藻生长产生抑制,但是较低浓度的有毒物质可以通过微藻有效去除。卡马西平是微藻生物修复制药废水时研究较多的一种药物。Xiong等使用Chlamydomonas mexicana和Scenedesmus obliquus 2种藻对含卡马西平的废水进行生物修复,发现C. mexicana和S. obliquus 2种藻对卡马西平的最大生物降解率分别为35%和28%。除卡马西平外,印染废水中的染料也是污水中对环境污染较大的一类有毒物质。相关研究表明,Chlorella sp.和Oscillatoria sp.可以降解30多种偶氮染料;Caulerpa lentillifera可以通过生物吸收去除Astrazon? Blue FGRL (AB)、Astrazon? Red GTLN (AR)和methylene blue (MB)3种基本染料;Spirulina platensis可以去除模拟纺织工业废水中94.4%~99.0%的活性红120染料等。目前,已知的微藻对污水中有毒物质去除机理主要有以下2点:1)微藻的比表面积大,吸附容量高,可以有效吸附污水中的染料等毒性物质。2)微藻细胞可以将污水中染料等有毒物质进行生物转化或者降解。但是当前,微藻对污水中有毒物质去除的机制仍待进一步研究。

4 微藻的回收

微藻可以在有效处理多种污水的同时进行生物质回收,且微藻若不经回收直接排放到外界水体也可能会对环境造成严重污染,因此污水处理后有必要对微藻进行回收。微藻个体较小,难以收集,目前悬浮藻收集方法主要有化学絮凝、自絮凝和生物絮凝、重力沉降、离心、电絮凝、过滤、浮选等,但是这些方法的回收成本仍然较高。为减少微藻回收成本,使用微藻膜、固定化技术和菌藻共生体进行污水处理是较为有效的方法。微藻膜和固定化微藻在有效处理污水的同时可以对微藻进行富集。在菌藻共生体中,共生菌的存在可以促进微藻的絮凝,从而降低回收成本。相关研究表明,共生菌可以增加絮凝体的体积从而使小球藻沉降;在氮饥饿培养条件下,共生菌是微藻实现颗粒化的关键因素。此外,Su等的实验结果也表明,用于城市污水处理的菌藻共生体的沉降率可在20 min内达99%以上。

重要结论

微藻对城市污水、养殖废水及工业废水等多种类型的污水均表现出较好的处理效果,是较有发展前景的污水处理手段。

微藻污水处理主要有以下优点:1)微藻处理污水类型广泛,无论是城市生活污水、养殖废水还是工业污水都可采用微藻进行处理。2)当污染物浓度在微藻耐受范围内时,污水中N、P、金属离子、有毒物质等污染物可以得到有效去除。

但是当前使用微藻污水处理还存在一定的问题:1)微藻对污水中COD的去除效果较差,即使是在大多菌藻共生体系中对COD的处理效果也不理想。2)经污水培养后的微藻回收成本较高,极大限制了该技术的应用。3)对一些新兴的微藻污水处理技术研究不够透彻。例如,菌藻共生体的群落结构和污染物去除机制、微藻固定化的条件等方面还不清楚。

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