微藻培養(yǎng)及其應(yīng)用于水處理的主要形式
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劉偉，潘楊，陳園
（1．蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215011；
2．江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215011）
摘要：綜述了微藻培養(yǎng)的主要環(huán)境因素有光照、混合程度、溶解氧、pH和溫度等，主要的營(yíng)養(yǎng)條件有碳源、氮源及磷源，培養(yǎng)涉及的主要參數(shù)（藻濃度、組成及種屬、水力停留時(shí)間、有效水深、光合效率及光轉(zhuǎn)化效率）及目前研究的主要反應(yīng)器型式，為微藻在污水處理中的應(yīng)用提供參考。藻光合反應(yīng)器的未來(lái)發(fā)展主要集中在反應(yīng)器設(shè)計(jì)以及生物功能的強(qiáng)化。
關(guān)鍵詞：微藻；光合生物反應(yīng)器；藻生物膜；反應(yīng)器型式
藻類作為良好的可再生物質(zhì)，廣泛存在于各種水體中，并以其世代時(shí)間短、生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)量大等特點(diǎn)，受到眾多研究者的廣泛關(guān)注。而目前大部分污水廠在進(jìn)行污水處理時(shí)不但消耗外部能量，而且產(chǎn)生大量的溫室氣體。微藻是自養(yǎng)型光合微生物，能夠在光照下將吸收的溫室氣體C02轉(zhuǎn)變成有價(jià)值的脂質(zhì)、碳水化合物、色素及蛋白質(zhì)等，其本身還可煉制生物酒精，其應(yīng)用于污水處理，不僅能實(shí)現(xiàn)污染物的去除，還能實(shí)現(xiàn)資源和能源的回收。
1微藻培養(yǎng)的條件
1.1 環(huán)境條件
1.1.1 光照
光照是光合自養(yǎng)型藻的主要外界能量輸入，是提高藻產(chǎn)量的主要限制因素。太陽(yáng)輻射不同波長(zhǎng)的光，部分被微藻用于光合作用，其他部分則轉(zhuǎn)化成熱能。藍(lán)光(420~ 470 nm)和紅光(650~ 680 nm)對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)較為有利。在不同波長(zhǎng)條件下，Scen,edesmus sp.的產(chǎn)量：白光（包含紅光和藍(lán)光）>紅光>藍(lán)光>綠光。光強(qiáng)影響藻體內(nèi)的物質(zhì)合成，給雨生紅球藻（H pluviaLis）提供足夠的光強(qiáng)后，蝦青素的合成量增加了3倍。光強(qiáng)上限和下限分別為光飽和點(diǎn)( light saturation point，LSP)、光照補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point，LCP)。當(dāng)光強(qiáng)小于LCP，微生物表觀上衰減；等于LCP時(shí)，微生物得以維持能量平衡；介于LCP和LSP之間，生物量才會(huì)增加。光強(qiáng)大于LSP會(huì)抑制微藻生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致光漂白現(xiàn)象，微藻在光照和黑暗交替的環(huán)境下生長(zhǎng)不容易產(chǎn)生光閉塞現(xiàn)象，交替頻率增高，藻產(chǎn)量也隨之增加。
1.1.2混合程度
良好的混合能夠提高傳質(zhì)推動(dòng)力，保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸和代謝產(chǎn)物的釋放�；旌鲜侄沃饕修D(zhuǎn)輪、空壓機(jī)和泵�；旌铣潭刃�，則傳質(zhì)弱，藻產(chǎn)量低；混合度過(guò)大，剪切力會(huì)破壞藻細(xì)胞。光合作用產(chǎn)生氧氣( 02)，去除或減少產(chǎn)物02將促進(jìn)光合作用。混合程度顯著影響系統(tǒng)微藻對(duì)光能的獲取�；旌鲜构庹彰嫔系奈⒃宀粩喔拢瓜到y(tǒng)中微藻處于光照與黑暗的交替狀態(tài)，有利于光合作用。
1.1.3溶解氧、pH及溫度
光合作用是產(chǎn)氧過(guò)程，產(chǎn)物積累會(huì)減緩反應(yīng)的進(jìn)行，所以溶解氧( DO)不宜過(guò)高。藻的最適pH(7~9)因種屬而異，實(shí)驗(yàn)室條件下常采用8.2~8.7，生化處理后的出水pH通常接近中性，一般不作pH調(diào)節(jié)。pH影響藻的生長(zhǎng)速率，而藻的生長(zhǎng)會(huì)使pH升高，這種情況下可用富含CO：的氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度對(duì)藻影響較大，小試培養(yǎng)溫度通常為25~ 30℃，戶外應(yīng)用試驗(yàn)一般不進(jìn)行控制，夏天需采取遮陽(yáng)措施，防止溫度過(guò)高，又可減少水分蒸發(fā)及防止光閉塞現(xiàn)象。
1.2營(yíng)養(yǎng)條件
1.2.1碳源
藻有4種營(yíng)養(yǎng)型：專性光合自養(yǎng)型、光合異養(yǎng)型、兼養(yǎng)型和異養(yǎng)型。C02是光合自養(yǎng)型微藻主要的碳源。Chiu等用C02體積分?jǐn)?shù)為2%、10%和25 %的氣體曝氣進(jìn)行混合培養(yǎng)，證明了C02體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)最佳。故自養(yǎng)型微藻應(yīng)主要用來(lái)對(duì)污水二級(jí)處理出水中的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行深度處理。兼養(yǎng)型藻既能光合作用，又能利用有機(jī)物。異養(yǎng)型藻能夠利用多種不同的碳源，產(chǎn)量比其他營(yíng)養(yǎng)型高，但有機(jī)碳源濃度過(guò)高會(huì)抑制藻的生長(zhǎng)。
1.2.2 氮源和磷源
微藻的主要營(yíng)養(yǎng)元素要屬氮(N)和磷(P)，吸收的摩爾比為N：P= 11:1~18:1。其次還有一些鈉(Na)、鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、硫(S)、鐵(Fe)及微量元素等。微藻培養(yǎng)基質(zhì)最佳碳氮磷摩爾比(C：N：P)為59：9：1，水體中氮主要有硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮及尿素等。藻類利用氮源的先后順序?yàn)椋喊钡?#62;尿素>硝酸鹽>亞硝酸鹽。高氨氮廢水需要稀釋后才能用于藻的培養(yǎng)，Hsieh等用不同尿素濃度的Walne's培養(yǎng)基培養(yǎng)Chlorella sp.，發(fā)現(xiàn)藻濃度與初始尿素濃度呈正相關(guān)，最佳尿素含量為0.2 g/L，而單位質(zhì)量微生物中的脂質(zhì)含量與培養(yǎng)基質(zhì)中尿素含量呈負(fù)相關(guān)，這主要是由于藻細(xì)胞物質(zhì)合成特性決定的，它能夠根據(jù)環(huán)境的變化來(lái)改變自身的合成代謝途徑。尿素濃度高時(shí)，藻直接利用解離出來(lái)的銨根離子合成蛋白質(zhì)，而不會(huì)以脂質(zhì)的形式進(jìn)行能源的囤積。若以硝態(tài)氮為氮源，藻的脂質(zhì)含量將提高。
藻的培養(yǎng)過(guò)程中，總磷( TP)濃度需求并不高，低濃度(>0.1 mg/L)照樣可以生長(zhǎng)。Desmodesmussp. EJ9 -6在TP含量為1(1)、2.5(Ⅱ)、4.5(Ⅲ)mg/L的厭氧消化液稀釋液中表現(xiàn)出對(duì)磷良好的去除，在4d內(nèi)I和Ⅱ中的磷基本為0，Ⅲ中去除率達(dá)到51. 24%。微藻在不同水質(zhì)條件下除磷能力不同，從經(jīng)過(guò)生物濾池及養(yǎng)魚池處理的出水、經(jīng)過(guò)升流式厭氧污泥床( UASB)反應(yīng)器處理的食品加工廢水、CAS工藝處理后的豬糞廢水和物理處理后的化工廢水中去除磷的效率分別為88. 6%、53. 7%、44.6 %和18. 7%。
2微藻培養(yǎng)系統(tǒng)涉及的主要參數(shù)
微藻生長(zhǎng)系統(tǒng)的主要生物參數(shù)有生物濃度、組成及種屬；設(shè)計(jì)參數(shù)有水力停留時(shí)間( HRT)、水深、藻濃度；主要系統(tǒng)特性參數(shù)包括光合效率( PE)及光轉(zhuǎn)化效率。
藻濃度過(guò)高易造成對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)，通常為200~300 mg/L，當(dāng)達(dá)到50 mg/L時(shí)就已呈現(xiàn)深綠色。藻細(xì)胞的組成主要有脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、葉綠素a等，其含量和相對(duì)比例受生長(zhǎng)環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)條件影響，不同種屬也各有不同，這也決定了藻后續(xù)資源化的價(jià)值高低。對(duì)于純培養(yǎng)條件下種屬單一，開(kāi)放系統(tǒng)中的種屬往往不單一，特定的環(huán)境條件會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)種屬，混合培養(yǎng)下的某些藻之間還會(huì)存在一定的協(xié)同作用。
HRT的選擇主要取決于參與反應(yīng)的生物量多少及反應(yīng)速率的快慢。HRT的設(shè)定與培養(yǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及培養(yǎng)形式有密切關(guān)系，與不同藻屬的特性也有很大關(guān)系，基本在0.6~ 10 d，在膜反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器中可取較小值，去除碳和氮比去除磷需要更高的HRT。
深度主要受微生物濃度和混合影響。光照要透過(guò)水面照射到水下，則水的濁度不能太高，這就要求微生物濃度不能太高。為了讓系統(tǒng)中微生物濃度足夠，提高光轉(zhuǎn)化速率，設(shè)計(jì)者必須選擇恰當(dāng)?shù)纳疃取７磻?yīng)池深度基本在30 cm左右。
光合效率是藻類利用的光能與系統(tǒng)輸入光能的百分比，主要受光照面積、透射深度和藻的濃度影響，通常在10_10~11%。光轉(zhuǎn)化效率是轉(zhuǎn)化為生物量的那部分光能與系統(tǒng)接收光能總量之比，單位為g／kW。
3 微藻用于污水處理的主要形式
微藻培養(yǎng)系統(tǒng)有開(kāi)放式和封閉式，按藻的生長(zhǎng)狀態(tài)可分為懸浮生長(zhǎng)型和附著生長(zhǎng)型，培養(yǎng)系統(tǒng)的類型主要取決于被培養(yǎng)微藻的種類及想獲取的目標(biāo)產(chǎn)物。
3.1懸浮生長(zhǎng)型
開(kāi)放式池塘及光生物反應(yīng)器( photo bioreactor，PBR)是2種主要的懸浮培養(yǎng)形式。培養(yǎng)池的開(kāi)放使得系統(tǒng)易受污染和其他微生物的入侵，如浮游動(dòng)物。這雖對(duì)純培養(yǎng)不利，但對(duì)于污水的生態(tài)處理是大有裨益的。
開(kāi)放式池塘主要是跑道式池( race way ponds，RWPs)（圖1），是實(shí)踐中最常用的形式。其水深大約30 cm，最大生物濃度100~8 100 mg/L。光合效率在l%~4%，產(chǎn)率為10. 36 mg/(L -d)。PBR結(jié)構(gòu)形式有立方體和柱狀或管狀，大高徑比能提高光照面體比（反應(yīng)器光照面積與其有效容積之比）。為減少混合能耗和提高反應(yīng)器效能，可在反應(yīng)器中增設(shè)擋板改變體系中的流態(tài)。
3.2附著生長(zhǎng)型
目前比較常用的附著介質(zhì)是纖維束，這種材質(zhì)有利于微生物的附著，成本較低，其較大的比表面積能夠大大增加吸附量。Gao等在藻生物膜一膜光生物反應(yīng)器( biofilm membrane photobioreactor，BMPBR)中用這種填料來(lái)培養(yǎng)藻，初始接種干藻重40 mg/L．HRT =2 h，其藻產(chǎn)量0.072 g/( L-d)，是相同條件下膜光生物反應(yīng)器( membrane photobioreac-tor，MPBR)的1.44倍。附著介質(zhì)的材質(zhì)不一（表1），形式也多樣，有平板的、成束的、球狀的等。此外，跑馬場(chǎng)（折流板）反應(yīng)器壁也可為藻類生長(zhǎng)提供附著點(diǎn)。
4藻類的收獲
系統(tǒng)中藻量會(huì)不斷地增長(zhǎng)，過(guò)大的藻密度使其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)加劇，代謝有害產(chǎn)物濃度也會(huì)升高，不利于系統(tǒng)的高效率運(yùn)行，所以要進(jìn)行藻的收獲，之所以稱之為收獲，主要是因?yàn)槠鋵⒈毁Y源化。這類似于活性污泥系統(tǒng)要排除剩余污泥。藻收獲主要有以下幾個(gè)措施：①向藻混合液中投加絮凝劑，然后進(jìn)行沉淀；②離心脫水；③膜技術(shù)。
投加絮凝劑不僅會(huì)產(chǎn)生較多的固體，還會(huì)使回流水對(duì)藻培養(yǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。藻生物膜系統(tǒng)的藻相對(duì)較密實(shí)，沉降性能好，可以直接將附著介質(zhì)去除進(jìn)行機(jī)械剝離，脫水能量需求僅為開(kāi)放式池塘的1%。膜組件與光合反應(yīng)器的組合型式有內(nèi)置式和外置式。膜技術(shù)的使用，使藻的收獲變得更加方便，獲得的藻所含雜質(zhì)少，使用價(jià)值更高，膜主要分為微濾膜、納濾膜、超濾膜，膜主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需投加任何化學(xué)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)良好的固液分離；②能夠在長(zhǎng)期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行；③與其他工藝組合方式靈活多樣。
5結(jié)語(yǔ)
微藻用于污水處理，不僅實(shí)現(xiàn)污染物的去除，還能獲得資源和能源的回收，更是利用太陽(yáng)能的有效手段，有利于污水處理的節(jié)能和碳減排。未來(lái)發(fā)展主要集中在：①培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的改善，以提高內(nèi)部的混合度，提高反應(yīng)器效能；②藻屬的選擇、混合種屬之間及藻與活性污泥之間相互協(xié)同作用，以利于反應(yīng)的快速進(jìn)行。針對(duì)微藻后續(xù)資源化系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)應(yīng)作為一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，如此可形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
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