微藻生物膜去污技术应用研究进展

微藻生物膜去污技术应用研究进展

岳健

湖南科技学院 425000

摘要：微藻废水处理技术是一种极具发展前景的废水处理和养分回收技术，近年来受到广泛关注。研究表明微藻在城市、农业和工业废水深度处理中处理效率较高。与传统废水处理工艺相比，用微藻处理废水具有成本较低、回收的微藻可以转化为沼气、生物燃料、肥料、动物饲料等高价值产品等优点。本文从微藻对废水中污染物的利用机制、微藻对不同废水的处理性能、微藻处理废水时所受影响因素、微藻在废水处理过程中的应用情况进行综述望。

关键词：微藻生物膜；去污技术；应用进展

引言

微藻始于地球改造初期，是最古老的光合生物之一，能天然利用太阳能固定CO2或者利用有机碳实现生长，实现“减污降碳”。从全生命周期来看，只要微藻藻体最终被利用，碳仍然会回到环境中，因此其利用的碳是中性碳，具有碳中和“零碳”的特征属性。我国是世界上最大的微藻生产国，本文还思考如何实现我国微藻生物产业的升级，为在前沿热点领域解决人类共同面临危机中发挥更大的作用提供参考，从而利用小微藻实现大产业，微藻不“微”。

1微藻污染物去除机理

碳占藻细胞干重的４０％～５０％，是细胞结构的重要组成部分。微藻生长利用的碳源可分为有机碳和无机碳。无机碳主要以二氧化碳、碳酸氢盐以及碳酸盐的形式被利用。微藻通过光合作用可以利用空气中的ＣＯ２作为自己的碳源，当ｐＨ值在５～７时，ＣＯ２通过微藻的扩散作用被吸收，当ｐＨ＞７时，藻细胞外的碳酸酐酶会促使碳源主动运输至细胞内。ＣＯ２被微藻内核酮糖二磷酸羧化酶固定，再经卡尔文循环合成葡萄糖等有机物质。有些异养生长的微藻可以利用葡萄糖、乙酸钠等有机碳作为碳源，兼养微藻既可以利用有机碳也可以利用无机碳生长。微藻吸收重金属有两种形式，一种是死生物的被动生物吸附和活生物的主动生物吸附。重金属在微藻细胞外的结合方式有化学吸附、物理吸附、络合、螯合及还原等。被动生物吸附过程中，金属离子被物理吸附在含有羟基、羧基、氨基、巯基等官能团的微藻细胞表面。有研究利用纤维素酯膜与微藻形成生物膜对锌进行去除，结果每克微藻可以吸附１５～１９ｍｇ金属锌，对其有很强的去除能力。微藻去除废水中的病原体机理一般为营养竞争、溶解氧升高、ｐＨ值变化、病原体的黏附和沉淀、微藻产藻毒素等。微藻与病原体细菌之间存在营养竞争从而导致细菌无法满足营养需求而死亡；微藻生长过程中由于光合作用同化ＣＯ２以及对氮的吸收都会使ｐＨ值升高，对一些病原体生存造成威胁；微藻的光合作用可以将水体中氧浓度提高从而对粪便细菌产生毒害作用。

2微藻生物膜去污技术存在的问题

理论上，微藻生物膜的集中度较高；实际上，由于过度遮荫和养分限制，底层生物膜的生物量通常较低。相比悬浮培养，生物膜能让更多的细胞接受到光照，光耐受性和总利用效率也高，但是，下层生物膜的生长依然受限。研究了光照对小球藻生物膜生长的影响，发现在120μmol/（m2·s）的光照强度下，只有生物膜上层41.31μm厚度内的微藻细胞能有效地接受光照，底层生物膜所受光照和养分均不足，总体生物量也不高。培养链带藻生物膜时发现，在不同生长阶段，生物量和脂类积累所需的光照强度差异很大，这可能与生物膜厚度增加有关；厚度增加使得生物膜通透性降低，导致遮荫和养分限制，不利于生物量的进一步积累，必须将光照强度提高才能满足生物膜的生长需要。生物膜通透性越好，微藻生长就越快。但是，在生长后期，生物膜的稳定性普遍变差，易出现脱落现象。利用RABR反应器净化污水，发现再生长的生物膜在18~19d后发生脱落。研究微藻光合作用产生的氧气泡粘附载体的机制及其对生物膜结构的影响时，监测到了生物膜浓度降低的现象。所以，为了便于生物质集中，生物膜还要保证结构完整性。综上所述，生物膜的通透性与完整性是相对矛盾的，平衡二者之间的关系值得深入研究。

3微藻生物膜去污技术应用

3.1城市生活污水

活性污泥废水富含有机物及无机盐，可用于微藻培养。小球藻及栅藻可以在生活废水中生长并积累生物量。有研究利用活性污泥浓缩过程产生的高浓度城市污水培养小球藻，考查微藻生长、生物柴油生产、污水净化特性，以及放大的可行性和连续运行的稳定性。经过14天的分批培养，对NH4+-N、总氮、总磷及化学需氧量(COD)的去除率分别为93．9%、89．1%、80．9%及90．8%，脂肪酸甲酯的含量可达11．04%，生物柴油的产率可达0．12g/L。该系统可以成功进行放大，并以50%的更新率连续运行，生物量产率能达到0．92g/(L·d)。采用藻菌共生体系和微藻包埋体系可以提高资源回收率且能解决微藻采收这一难题，利用城市生活废水来生产微藻生物质同时降低废水中的富营养物质已经被证明行之有效。比较了栅藻及小球藻对市政污水原水的利用效率，斜生栅藻对有机碳［COD去除率(76．13±1．59)%］、营养物［氮去除率(98．54±3．30)%，磷去除率(97．99±3．59)%］的去除潜力较大;而小球藻对污水浓度更耐受，且胞内脂质积累［(22．74±3．11)%］更高，是抗逆性较好的藻种。通过分批培养的方式研究了微藻的生长与污染物的去除，利用污水原水和混合营养条件提高生长速率和污染物去除率。处理后的城市污水符合欧盟91/271指令的限值，在净化水体的同时，微藻生物量增加20倍。

3.2养殖污水

兽用抗生素因其具有促进动物生长和预防动物疾病等作用在畜禽养殖中广泛使用。我国每年约8万吨抗生素被应用于畜牧养殖，占全国总抗生素用量的52%。其中四环素类抗生素是畜禽养殖业中使用量最大的抗菌药物，约占兽用抗生素总用量的57%。养殖中使用的大多数抗生素很难被机体完全代谢吸收，约有40%～90%的兽用抗生素以原体或代谢物形式随粪尿排出。因此，有效处理养殖粪便对降低抗生素的排放至关重要。近年来，将具有降解抗生素的能力的藻类与细菌结合对整个系统的抗生素耐受性有所提高。研究了由微藻细菌和紫色光合细菌组成的开放式光生物反应器对猪场废水中19种兽药的去除效果，发现菌-藻光生物反应器对土霉素、马波沙星、多西环素、磺胺二甲嘧啶等大多数抗生素的去除效率都高于光合细菌系统。利用微藻光生物反应器对养殖污水中的多西环素和土霉素的去除效率分为95.3%和93.3%。除此之外，研究发现当四环素浓度上升至20毫克/升时，微藻-细菌光生物反应器对磷的去除率和部分微藻生物量的积累量减弱，这表明，高浓度的抗生素影响微藻系统中微生物结构以及对污染物的去除效率。

结束语

我国农业和生活领域的水污染治理面临着新的严峻挑战。微藻生物膜培养技术为水环境治理和生物燃料生产提供了一种节能和节水的方法。近几年，国内生物膜去污技术在反应器优化设计、生物膜培养和环境控制等方面积累了实践经验，但总体上仍面临关键技术和成本困境，如生物膜生长受限、代谢产物差异大且不稳定、生物膜去污系统运营成本高等。

参考文献

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