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菌藻共生系统处理废水研究现状及发展前景 * 巫小丹1阮榕生1， 2王辉1罗珊珊1， 3吴盼盼1刘玉环 1， 2 1. 南昌大学生物质转化教育部工程研究中心， 南昌 330047; 2. 南昌大学食品科学与技术国家重点实验室， 南昌 330047; 3. 江西科技师范大学药学院， 南昌 330013 摘要 菌藻共生系统可实现高效脱氮除磷， 在废水处理领域具有较大的开发潜力。分析了菌藻共生系统的构建原理和 优势所在， 回顾了近年来国内外所构建的不同类型的共生系统及处理废水效果， 分析共生介质和共生反应系统设备的 开发前景， 特别关注以生物质载体为共生介质的菌藻共生系统研究进展。 关键词 菌藻共生系统; 净化废水; 共生介质; 反应器 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403009 CUＲＲENT STATUS AND PＲOSPECT OF SEWAGE PUＲIFICATION WITH THE ALGAL- MICＲOBE SYMBIOTIC SYSTEM Wu Xiaodan1Ｒuan Ｒongsheng1， 2Wang Hui1Luo Shanshan1， 3Wu Panpan1Liu Yuhuan1， 2 1. The Engineering Ｒesearch Center for Biomass Conversion，MOE，Nanchang University，Nanchang 330047，China; 2. The State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China; 3. School of Pharmacology，Jiangxi Normal University of Science and Technology，Nanchang 330013，China AbstractAlgal- microbe symbiotic system which can realize high- effective nitrogen and phosphorus removing is of great potential exploitation in the area of sewage treatment． The mechanism and predominance of algal- microbe symbiotic system were discussed;Some successful cases of different kinds of algal- microbe symbiotic systems were analyzed and compared;The development of symbiotic medium and photo- bioreactor were reviewed． Moreover，special attention was paid to the progress of algal- fungi symbiotic system which realized the symbiotic relation by mycelial pellets． Keywordsalgal- microbe symbiotic system;sewage purification;symbiotic medium;photobioreactor * 国家 863 项目 2012AA021205、 2012AA021704、 2012AA101809 ; 国家 自然科学基金项目 21266022 ; 国际合作项目 2010DFB63750 ; 江西 省科技战略性新兴产业研发项目 2013AFC30044 ; 江西省教育厅科技 落地计划 KJLD 12011 ; 江西省科技重大专项 2012ABG04103 。 收稿日期 2013 －06 －24 0引言 由于工农畜牧业废水及生活污水的大量排放， 水 体富营养化问题日益严重。氮磷过剩是引发富营养化 的关键所在 ［ 1- 2 ］， 一般认为无机氮和磷酸盐浓度分别达 到0. 3 mg/L 和 0. 045 mg/L 时， 水体即处于富营养化 状态 ［ 3 ］。因此实现废水中 N、 P 的有效去除， 实现再利 用是当今世界环境学专家共同的目标。自然水体自净 过程中， 微藻起重要作用， 它们可低成本有效地去除造 成水体富营养化的营养物和重金属等污染物。细菌、 真菌等微生物对大分子有机物的降解， 或是对氨氮的 硝化、 反硝化也有利于水体的净化， 还有研究表明细菌 代谢和自溶所产生的胞外聚合物 EPS 在生物除磷过 程中起重要作用 ［ 4- 5 ］。基于微藻和其他微生物处理废 水的优势和固定化藻类技术的发展， 研究者对菌藻协 同处理废水开展广泛的研究工作 ［ 6- 9 ］。从目前的研究 情况看， 选择高效的菌藻种类， 开发合适的固定化载体 材料和固定方法， 开发有益于共生微环境形成与维持 的设备系统， 并优化固定化系统的运转参数是菌藻协 同处理废水技术的关键和发展方向。 1菌藻共生系统的构建原理和优势所在 微藻是一类分布广泛、 适应性强的自养生物， 利 用藻类处理废水已引起广泛关注。但是， 微藻处理废 水面临两大问题 一是废水中部分有机物难以被微藻 高效吸收、 转化; 二是微藻细胞较小 直径一般为3 ～ 30 μm ， 处理废水后难以收获。针对这两大问题， 有 43 环境工程 Environmental Engineering 研究者将微藻和其他微生物通过固定化技术构建菌 藻共生系统， 更有研究者将成球真菌作为生物质载 体， 使微藻吸附、 包埋在菌丝球上， 形成菌藻共生系 统。这些共生系统在净化废水的过程中， 微藻和其他 微生物形成复杂的互利共生关系 微生物可将废水中 含碳有机物降解为 CO2和水， 降解的 CO2可作为微 藻的重要碳源， 促进微藻的光合作用， 而且微生物代 谢产物可被吸收、 转化为微藻的细胞物质。微藻光合 作用释放出的氧气比曝气充氧更能为其他微生物有 效利用， 如供给硝化细菌氧化氨氮， 提高微生物吸收 有机物的能力， 实现节能降耗。细菌对氨氮的转化利 用可以改善水体环境， 使更有利于微藻的生长。此 外， 菌藻共生体还可以防止微藻的流失， 能够作为持 续的藻种供给， 也便于处理后微藻的收获。 2菌藻共生系统的类型 20 世纪 50 年代末， Oswald 等首先研究了氧化塘 中藻菌共生和藻类光合放氧等问题， 提出并发展利用 高效藻类塘 High Ｒate Algal Ponds， HＲAP 处理污水 的新工艺。随后许多学者对藻菌共生系统进行了基 础理论和实际应用的研究。何少林等 ［10 ］在研究高效 藻类塘中试系统处理农村生活污水过程中， 发现共生 系统存在藻类、 亚硝酸菌、 硝酸菌依次生长的过程， 这 在一定程度上说明微藻光合作用释放的 O2对硝化、 亚硝化过程的促进作用。藻菌共生系统技术是氧化 塘法处理污水的理论基础， 也是设计和管理氧化塘的 依据。因此菌藻共生系统的生物种类及其生理生化 特征、 处理污水的作用机理、 运转规律、 方程式推导和 数学模拟等方面的研究具有重要意义。根据系统的 生物种类， 可将菌藻共生系统分为三种类型 藻类 － 细菌共生系统、 藻类 － 真菌共生系统和多菌多藻共生 系统。 2. 1藻类 －细菌共生系统 目前， 关于微藻和细菌共生系统的研究较多， 这 种共生系统一般需借助固定化技术的作用， 如借助于 吸附剂的吸附作用， 或借助于包埋剂的包埋作用。张 道勇等［11 ］研究了丝藻 Ulothrix sp． － 细菌生物膜所 分泌的胞外聚合物 EPS 在菌藻生物膜去除污水中 Cd 的作用， 发现 EPS 主要由丝藻产生， 其含量与污水 中 Cd 的去除效率及生物膜中 Cd 的积累量之间相关 性良好; EPS 为丝藻及其共生细菌提供了一个缓冲 Cd 毒性的微环境， 使得菌藻生物膜能在不利的环境 中保持较高的活性并能持续有效地去除水体中的 Cd。Gonzalez 等 ［12 ］以海藻酸钙为载体， 构建巴西固 氮螺菌 Azospiriilum brasilense－ 普通小球藻共生系 统， 发现固定化小球中藻细胞重量、 总细胞数目、 微藻 群落大小和细胞中色素含量均大量增加， 藻细胞倾向 于在小球表层生长而细菌则在小球孔隙内部繁殖。 2. 2藻类 －真菌共生系统 藻类 － 真菌共生系统中， 真菌不仅起到固定化载 体的作用， 还有助于发挥菌藻协同深度净化废水的优 势。Zhou 等 ［13 ］以可自成球的曲霉 Aspergillus sp． UMN F01 和 UMN F02 为生物质载体实现小球藻 Chlorella vulgaris UMN235 的固定化， 成功构建菌藻 共生体， 实现微藻的高效收获， 将此共生体应用于市 政污水和畜禽废水处理。研究发现共生体在作用于 废水 24 h 后取得了良好的脱氮除磷效果， ρ COD 从 1 660 mg/L 降为622 mg/L， ρ TP 从52. 6 mg/L 降为 5. 35 mg/L， ρ TN 从 97. 2 mg/L 降为 40. 0 mg/L 处 理效率达 58. 85 ， NH3- N 去除效率高达 100。 相比之下， Li 等 ［14- 16 ］利用游离微藻处理废水的效果 较差， 处理废水 14 d 后， 才实现 NH3- N 去除率达 93。本实验室开展多种食用真菌与微藻的共生研 究试验， 其中发现小球藻和平菇可形成表面光滑、 颜 色呈深绿色、 平均直径约为 4. 5 mm、 具有一定的强度 和弹性的混合菌丝球， 显微观察发现共生体中平菇菌 丝呈现网状结构， 小球藻吸附在平菇的菌丝上， 菌藻 共生情况良好。 2. 3多菌多藻共生系统 活性污泥法处理废水是一种较为成熟的净水技 术。活性污泥是一种人工培养的生物絮凝体， 这种絮 凝体是由细菌、 原生动物体、 酵母菌、 霉菌、 藻类、 轮虫 和线虫等构成的好氧性菌胶团， 可充分发挥微生物的 代谢作用， 实现高效、 快速地分解、 转化污水中的污染 物， 从而使污水得到净化。活性污泥法处理废水效果 显著， 但大量的剩余活性污泥带来处理难题， 郝晓地 等 ［17 ］对活性污泥预处理方法进行了综合阐述和展 望。基于活性污泥特征而开展的固定化多菌多藻共 生系统具有产污泥量少， 无污泥膨胀， 耐毒性强， 固液 分离效果好等优点。郑耀通等 ［18 ］以聚乙烯醇为载 体， 研究菌藻联合代谢系统 由螺旋藻、 小球藻、 硝化 与反硝化细菌、 光合细菌组成 处理以 NH4Cl 和蔗糖 为主的合成废水， 实现 NH 4 - N 去除率达 96. 8。孟 睿等 ［19 ］利用由地衣芽孢杆菌、 硝化细菌、 月芽藻、 四 尾栅藻组成的菌 － 藻体系净化水产养殖废水， 最优条 53 水污染防治 Water Pollution Control 件下实现 COD、 NH 4 - N、 NO － 2 - N、 NO － 3 - N 及 DP 的去 除率 分 别 为 44. 05、 89. 16、 100、 98. 62 和 100。许多研究者直接将活性污泥与微藻固定化， 构建 良 好 的 菌 藻 共 生 系 统。Gonzalez 等 ［20 ］ 利 用 Chlorella sorokiniana 和驯化的活性污泥构建菌藻共 生系统， 研究该共生系统在处理猪场废水过程中影响 光合作用和脱氮效果的关键因素， 研究发现高 pH 和 高氨氮浓度是限制系统净化废水的关键因素。严清 等 ［21 ］以海藻酸钙作载体， 研究固定化藻、 固定化活性 污泥及共固定化菌藻分别对污水中氮磷营养盐的处 理效果， 在同等条件下， 固定化菌藻对氮磷的去除效 果优于固定化藻类和固定化活性污泥。毛书端等 ［22 ］ 以海藻酸钙作载体对小球藻和活性污泥进行固定化 包埋， 研究废水初始氨氮浓度及碳氮比对共生体处理 效果的影响， 结果表明初始氨氮浓度为 50 mg/L 时， 氨氮去除率达最高值 74. 4; 碳氮比为 35∶ 1时， COD 去除率达最高值 77. 7。 3共生介质 菌藻共生系统的形成和维持大多依赖于吸附型 载体、 包埋型载体、 天然生物质载体等固定化载体介 质。在微藻固定化技术基础上发展的菌藻共生系统 处理废水具有细胞密度高、 反应速度快、 耐毒害能力 强、 运行稳定可靠、 微生物流失少、 产物易分离等优 点。介质的选择对共生系统的处理效果起到至关重 要的作用， 如硝化细菌的新陈代谢依赖于充足的氧 气， 因此有微孔的滤材及其填料等介质有助于提高硝 化细菌的硝化能力。 3. 1吸附型载体 通过载体表面或内部 如软性填料 与菌藻细 胞表面之间存在的物理吸附或化学键作用， 使得微 藻和微生物附着在载体表面， 形成菌藻共生生物 膜。该法操作简单， 对细胞活性影响较小， 但固定 细胞量较少。 3. 2包埋型载体 将微藻和微生物细胞按一定比例与固定化材料 混合固化形成多孔隙凝胶， 使得菌藻可在这些凝胶孔 隙中生长繁殖， 代谢转化营养物质。固定化材质可采 用琼脂、 明胶、 卡拉胶、 海藻酸钠、 聚乙烯醇和聚丙烯 酰胺凝胶等。这种固定方法对细胞活性影响较小， 固 定化颗粒的机械强度较高， 是目前研究最广泛的固定 化方法。但以这些材料为载体容易带来成本、 通透 性、 稳定性、 毒性等问题。 3. 3天然生物质载体 传统的固定化技术是指利用物理或化学手段将 游离细胞定位于限定的空间区域并使其保持生物活 性和可重复利用的技术。所用载体主要是有机和无 机高分子材料， 成本较高， 难以满足微藻规模化处理 废水的要求。因此， 寻找自然界中合适的固定化材料 如生物质载体 ， 开发价廉的固定化技术可有助推 广微藻规模化处理废水进程。 丝状真菌 如放线菌、 霉菌、 食用菌等 在液体培 养过程中其菌丝经常缠绕在一起形成致密的菌团， 即 通常所说的菌丝球。微生物菌丝球的形成机制、 培养 和应用在国内外已有报道［23- 24 ］。有研究表明可以成 球真菌为生物质载体， 实现微藻的固定化包埋和收 获 ［25 ］。黄锦丽等［26 ］以曲霉菌丝球为载体， 对产酸克 雷伯氏菌进行吸附、 固定， 进行连续流产氢的研究。 赵立军等 ［27 ］以真菌菌丝球 Y3 作为载体， 对好氧反硝 化菌和酵母菌进行固定， 证实菌丝球 Y3 是一种功能 优良的纯生物质载体， 并可有效应用于污水处理。 Zhou 等 ［13 ］以可自成球的曲霉 Aspergillus sp． UMN F01 和 UMN F02 为 生 物 质 载 体 实 现 小 球 藻 Chlorella vulgaris UMN235 的固定化， 成功构建菌藻 共生体。 真菌生物质载体具有多重优点。首先， 菌藻共生 球球体由菌丝体缠绕形成， 表面布满了网状空隙， 具 有多孔以及大的表面积特性， 利于传质、 传氧和溶氧， 球体表面的官能团或元素还利于微藻的附着。其次， 菌丝球作为一种生物质载体， 繁殖快， 生产成本低， 还 可以实现快速、 高效地吸附、 转化废水中有机污染物 的特性。综上所述， 以真菌菌丝球作为天然生物质载 体， 构建菌藻共生体具有极大的发展优势， 因此开发 菌藻共生体构建技术， 通过控制培养基成分或培养条 件， 获得结构稳定、 不易散结的菌藻共生球， 开发新型 共生介质是目前实现菌藻共生体有效处理废水亟需 解决的问题。 4共生设备系统的开发 开发有益于共生微环境形成与维持的大型反应 设备系统也是目前实现菌藻共生体有效处理废水亟 需解决的问题。目前， 适用于菌藻共生系统的设备系 统开发研究较弱， 有待进一步深入。在开发系统设备 过程中， 需充分考虑共生微环境的形成与维持， 共生 传质效果， 菌藻的代谢、 增殖和衰亡平衡， 环境因子和 操作参数的优化等问题。 63 环境工程 Environmental Engineering Godos 等 ［28 ］依据菌藻共生原理， 开发设计出一种 管状生物膜光生物反应器， 可实现光合作用的 CO2 和高浓度的氨氮从膜的两边各自扩散， 从而实现消化 细菌的消化作用和微藻的光合作用同时高效进行。 在该反应器中进行由 Chlorella sorokiniana 和活性污 泥构成的菌藻共生系统处理猪场废水研究， 实现总碳 TOC 、 NH 4 和 PO3 － 4 去除量分别达到 80 5， 89 5， 13 3g/ m3d 。 王秀等 ［29 ］设计的流化床光生物反应器实现了流 态化技术、 生物固定化技术和废水处理技术的有机结 合， 使反应区系统内的物质传递更加高效， 同时流态 化形成的湍流使藻类满足间歇光效应规律， 有利于共 生体的形成和维持。牛曼等 ［30 ］为了避免活性污泥的 遮光作用， 同时不破坏藻菌之间的共生关系， 设计了 一套由流化床光生物反应器和好氧池组成的“菌 藻 － 菌” 系统， 该系统对高浓度有机废水的净化效果 显著， 对碳酸饮料废水处理 12 h 后， COD、 NH 4 N 和 PO － 3 P 去除率分别达 90. 5、 82. 6和 75. 8。 5展望 在利用藻类处理废水的技术中， 菌藻共生系统具 有较强的净化优势。除此之外， 微藻含丰富的蛋白 质、 油脂、 维生素、 矿物质、 核酸及叶绿素等， 特别含有 生物活性物质糖蛋白， 具有增强机体免疫等功能。因 此可以从处理废水后获取的微藻生物质中取得一些 高附加值的微藻产品、 生物质燃料、 动物饲料、 有机肥 料、 高吸附性材料等副产品， 实现效益扩增。菌藻共 生系统处理废水具有极大的潜力和良好的前景。 参考文献 ［1］李颖，曹文志，张玉珍，等． 九龙江流域上游浅水湖泊富营养 化机制［J］． 中国环境科学， 2012， 32 5 906- 911. ［2］黄清辉，王东红，王春霞，等． 沉积物中磷形态与湖泊富营养 化的关系［J］ ． 中国环境科学， 2003， 23 6 583- 586. ［3］陈晨，杨桂朋，高先池，等． 胶州湾微表层和次表层海水中营 养盐的分布特征及富营养化研究［J］ ． 环境科学学报，2012， 32 8 1856- 1865. ［4］方振东，龙向宇，唐然，等． 胞外聚合物结合磷效能的研究 ［J］． 环境科学学报， 2011， 31 11 2374- 2379. 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