光照强度对污水-微藻自絮凝及其机理分析研究文献综述

文 献 综 述

1 背景

随着城市化进程的加快以及人口的大规模集聚，中国的污水排放量在不断增大。截至2018年底，全国正在运营的污水处理厂有5370家，比2008年增长了144 %。与此同时，污水处理能力也得到了大幅度的提高，2008年，全国污水处理能力是9100万 m³ d^-1，到2018年时，全国污水处理能力已达2.01亿 m³ d^-1，增长了119 %^[1]。

传统的污水处理通常包含三个阶段：（1）预处理：去除大部分的悬浮固体。（2）生化处理：好氧微生物降解可生物降解的有机物。（3）三级处理：通常采用物理化学方法去除多余的氮(N)和磷(P)，但是会使用大量的化学药剂，增加了处理成本并且对环境造成了破坏^[2]。

微藻是地球上最大的光合自养生物种群，具有高光合作用效率、高生长速率和强适应能力^[3]。微藻含有油脂、色素、蛋白质、多糖等物质，可以加工为高附加值产品，用作生物燃料、医疗保健、食品添加剂、土壤改良和动物饲料等行业的生产原料，受到了学术界和工业界的广泛关注^[4]。微藻的培养模式有三种：自养（仅以二氧化碳(CO₂)为碳源）、异养（以有机碳为碳(C)源）和混合营养（包含上述两种）。自养模式更经济且污染少。培养环境分为开放水池培养和封闭的光生物反应器（PBR）。采用PBR培养，能够有效避免污染，同时获得高生物质产量^[5]。但是目前大规模培养微藻还存在很多困难，例如：需要提供大量水、C源和N源等营养物质、大规模微藻采收技术、微藻加工处理技术不成熟等等。其中，微藻的采收成本通常占总成本的20~30 %，有时高达60 %^[6]。

基于上述情况，研究人员拟将污水处理与微藻培养相结合。微藻通过代谢作用吸收利用污水中的N、P等物质，实现微藻细胞的增殖和污水处理。利用污水培养微藻有如下优势：(1) 有效去除污染物和病原体； (2)回收利用污水中N、P等物质，生产高附加值的微藻产品； (3) 节约能源； (4) 减少CO₂排放。目前，关于微藻的研究主要集中在生物柴油生产领域、探究环境因子对污水中微藻生长的影响以及污水处理效果、微藻胞外聚合物(EPS, extracellular polymeric substances)和微藻采收技术的研究。

2 微藻处理污水

基于微藻的污水处理模式得到了越来越广泛的关注。因为微藻的生长代谢需要吸收大量的氮磷等物质，不同于传统的活性污泥法，微藻可以同时达到脱氮除磷的目的。此外，微藻可以进行光合作用，利用无机碳源（例如CO₂），无需额外投加碳氮磷的营养物质。如前所述，由于含有油脂、色素等物质，微藻本身具有加工为各种高附加值产品的潜力，例如高油脂含量的微藻能够作为生物质能的原料，生产清洁、经济高效的生物燃料。富含色素或者其他活性物质的微藻能够应用在医药保健、食品和化妆品等行业。微藻还有着高蛋白质含量，能够被加工为饲料。而采用污水培养微藻又能降低微藻的培养成本。

2.1 微藻在污水处理中的应用

目前很多研究采用的合成污水初始氮磷含量并不高，并且污水经过了灭菌处理，而这与实际条件有差距。Ana C. Ramos^[2]等人的研究证明了应用微藻处理污水的实际可行性。他们采用的是未经灭菌处理的高浓度N、P污水，并接种了从实际污水中分离出的微生物，使用的微藻是Chlorella sorokiniana和Scenedesmus sp. AMDD。在培养过程中不额外添加C、N、P等营养物质。最终Chlorella sorokiniana和Scenedesmus sp. AMDD的氨氮(N-NH₄ )去除率分别为68 %和74 %，正磷酸盐(P-PO₄^3minus;)去除率分别为13 %和19 %。Kobayashi^[7]等人同样采用高浓度氮磷污水（90 mg L^-1 N-NH₄ ，30 mg L^-1 P-PO₄^3minus;）培养微藻Chlorella sorokiniana，最终N、P去除率分别为77 %和40 %。Aslan和Kapdan^[2]探究了Chlorella vulgaris处理氮磷浓度由低到高变化（N-NH₄ 浓度：13.2~410 mg L^-1；P-PO₄^3minus;浓度：7.7~199 mg L^-1）的污水处理效果，结果表明，当N、P浓度分别低于22 mg L^-1和7.7 mg L^-1时，N、P去除率可分别达到100 %和70 %。通过上述实验结果的对比，可以发现当初始氮磷浓度较低时，最终N、P去除率会较高。这表明微藻在高N、P浓度的情况下培养，最终N、P去除率会有所降低。推测原因，可能是其他因素（例如：光照、CO₂等）限制了微藻对氮磷的利用。这项研究的实验条件与实际的污水处理厂较为接近，而且微藻并没有对出水水质产生负面影响，如果调控pH在8以下，则可以获得更佳的出水水质和更高的微藻生物质产量，因为高pH会产生氨气(NH₃)，而NH₃对微藻有毒害作用。这项研究证明了应用微藻处理污水是可行的。然而污水性质（C:N:P）、微藻种类以及各种环境因子（pH、温度和光强等）都影响着N、P去除效果。因此，微藻对污水中N、P的去除率变化范围很大，通过总结文献^[8]，总氮（TN）的去除率为22~100 %，总磷（TP）的去除率为20~98 %。主要参与的微藻是Chlorella和Scenedesmus。