微藻的固定化和分离技术及其在污水处理中的应用

刘金金

微藻的固定化和分离技术及其在污水处理中的应用

刘金金

（沈阳建筑大学， 辽宁 沈阳 110168）

微藻目前在水处理领域日益广泛，微藻在使用时存在很多问题，尤其是固定化和分离技术方面，对微藻的固定化技术、微藻的分离技术、微藻在污水处理厂中的应用问题进行了综述，为进一步发展微藻工艺的净化污水技术提供重要依据。

微藻固定化； 微藻分离； 污水应用

微藻指的是只有在显微镜下才能分辨其形态的藻类，是一种自养型微生物，在大自然中广泛存在。在其生长发育中，以CO2和碳酸盐为碳源，以环境中的氮为氮源，并且能以无机磷酸盐为磷源，通过藻类细胞中的叶绿素进行光能自养，从而可以进行细胞增殖，并且光合作用可以释放氧［1-4］。微藻在生态和经济方面都有着显著优势，可以生产油脂、高光合作用率、可吸收废水中富营养元素等。随着研究人员对微藻不断地开发利用，部分微藻如小球藻和螺旋藻等已广泛应用于食品工业；微藻由于其营养物质也被逐渐应用于医疗行业；微藻含有较高的脂类物质，可以作为生物柴油原料［5-7］。如何最大化地开发利用微藻具有重要的意义。但由于微藻形态微小，使其在水中收获困难，并且在利用微藻来处理废水的反应器中，难以将微藻的浓度维持在较高的水平，使处理器的处理效率降低，若微藻分离不当，还易再次引发水体二次污染，所以微藻的固定技术和分离技术对微藻处理污水具有重要作用［8-9］。本文对微藻的固定化技术、微藻的分离技术、微藻在污水处理厂中的应用问题进行了综述，为进一步发展微藻工艺的净化污水技术提供重要依据。

1 微藻的固定化技术

1.1 包埋法

包埋法常用于微生物、动物和植物细胞的固定化，其中凝胶包埋法是应用最广泛的固定化方法。这种技术是通过将微藻截留在水不溶性的凝胶聚合物空隙的网络空间中，通过聚合作用或者通过离子网络形成，再或者通过沉淀作用，或者改变溶剂、温度、pH等外界因素，从而实现微藻细胞截留，来实现细胞固定化。其优点是固定化强度高，颗粒强度高，细胞和载体之间没有束缚，适合用于大多数藻类固定。缺点是实验操作复杂，并且微藻经过固定化后，其新陈代谢会受到负面影响，导致生长受到抑制，从而影响作用效果。现有的包埋材料主要有：琼脂、藻酸盐、骨胶原、果胶等。胡骏等将微藻包埋于琼脂中，制成微藻颗粒,并设计柱状光连续处理反应器,研究反应器对NH4+-N、PO43--P的去除效果,实验结果表明，在处理实际废水的过程中，NH4+-N、PO43--P可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准,COD达到二级处理标准［10］。梅毅强等将斜生栅藻包埋固定化于细菌纤维素中，对养殖猪粪废水进行处理，实验结果表明,与游离态去除效率相比,包埋固定化后的斜生栅藻对NH3-N、TN、TP和COD去除效率分别下降了45%、20%、30.8%和11%［11］。范玉辉等利用浓度为5%的包埋剂（PAC-SA）来固定化微藻,藻液量设为6 mL（5.48×107 cell·mL-1），来处理厌氧消化液，得出藻液与包埋剂最佳配比为1∶1，实验结果显示,固定化微藻-活性炭对NH4+-N、TN、PO43--P和TP的去除率分别比悬浮态高出21.26%、16.21%、11.13%和

14.69%［12］。芦尚德等利用海藻酸钠+羧甲基纤维素钠+硅藻土作为固定化基质有利于小球藻的放氧，其最高放氧量介于第3～4天，对于1 L水体增氧的最适固定化小球藻体积为150 mL，固定化小球藻的光合速率明显高于游离态小球藻［13］。

1.2 吸附法

吸附法是利用细胞和载体相互间的吸附作用，来达到微藻固定化。纤丝状藻类可以侵入和集落固定化载体，利用这一特性可将微藻固定在载体上。其优点是操作方便，成本较低，缺点是固定化强度低，载体可吸附的细胞量受限，并且细胞经过固定化后容易脱落。常用的材料是纤维素载体和无机载体，例如多孔陶瓷与多孔玻璃等。吴义诚等将纳米Al2O3利用到微生物燃料电池中，实验结果表明，在海藻酸钠固定的小球藻中加入纳米Al2O3后，其比表面积增加,并且使固定化小球藻阴极MFCs输出电压由0.113 V提高到0.173 V,且电池的输出电压随着胶球粒径的减小和加入量的增加而提高,光照可降低MFCs内阻,提高产电性能［14］。并且吴义诚等利用生物炭-海藻酸钠联合固定化小球藻胶球,去除废水中氮磷，实验结果表明，这一技术具有生物炭吸附与小球藻吸收协同作用,并且可以促进小球藻的生长和水中氨氮的去除,且随着胶球加入量和胶球粒径的增加，水中氨氮的去除率也随之提高［15］。朱雯喆等选择生物炭为固定微藻的载体，对重金属镉进行耦合修复,降低了污水中镉的含量，并且提高了微藻的生物质回收量［16］。严清等在海藻酸钠中加入活性炭，提高了固定化藻球的强度，实验结果表明，当活性炭添加量为海藻酸钠凝胶的1%时，加固胶球系统对氨氮的去除率会不断增加,最高可增至80%左右;对正磷酸盐也有较好地去除效果,去除率可达96%以上;并且活性炭加固胶球后,提高了藻细胞密度,也改善了固定化性能［17］。

1.3 交联法

交联法是指通过交联剂表面的活跃基团与微藻细胞表面的活性基团之间的交联作用，来形成网状结构，从而达到固定化效果。其优点是操作方法简单，细胞不易脱落，缺点是剧烈的固定化作用会对固定化的细胞伤害较大，不利于细胞后期生长。

2 微藻的分离技术

2.1 化学法

絮凝是收集藻类常用的方法，将分散的单元聚集一起形成巨大的单元，再由絮凝剂或混凝剂沉淀下来。一般情况下，存在四种絮凝原理：电荷中和、修补、清扫和吸附桥接。化学絮凝存在三种主要类型的絮凝剂：无机絮凝剂、无机聚合物和有机聚合物。无机絮凝剂以其快速、高效的特点被广泛应用于微藻的捕收，这些无机颗粒维持在微藻的表面，从而影响油脂的提取，无机絮凝剂的主要缺点是污染后续过程，限制了培养基的回收利用。无机絮凝剂是一种成熟、安全的絮凝材料，具有高效、可生化的特点，然而高用量使用使得无机絮凝剂价格昂贵。有机絮凝剂包括天然絮凝剂、合成絮凝剂和聚电解质絮凝剂。收获微藻最有效的絮凝剂是阳离子絮凝剂，因为它们会被负电荷的微藻细胞吸引。常见的有机高分子絮凝剂主要有壳聚糖、纤维素、表面活性剂等，这些有机聚合物可以降低藻类的负电性，充当细胞间的桥梁。

2.2 物理法

物理法主要有离心、过滤、重力沉降、浮选、电方法等。离心是利用离心力将两种非混相物质分离的过程，这类方法用于产生次生代谢物，不同类型的不同效率的离心分离机已经被用于微藻细胞收集。过滤是一种物理过程，藻类悬浮液通过过滤器或多孔膜运行，对于大型微藻过滤的效果很好，但是对于小球藻等尺寸较小的微藻，过滤的效果较差。膜微滤由于能耗低、成本低、不添加化学物质等优点，适用于小规模采集生产。重力沉降是一种固液分离方法，沉降的效率取决于沉降时间和速度，与细胞质密度有关。重力沉降方法是一种经济有效的方法，而且能耗低，但是低质量微藻不能通过重力沉降得到有效收获，一些生物量可能在沉降过程中恶化。浮选是将气泡喷射到悬浮液中，附着在固体或悬浮颗粒上，由于密度较低而上升到液体表面，从而分离。浮选是一种很有前途的淡水微藻捕集方法，具有空间小，时间短，灵活性好的优点。电方法是利用微藻细胞表面的负电荷，通过电场运动来使微藻聚集。文豪等人利用空心硅硼酸钠微珠作为载体代替传统气浮法的气泡，发展了一种新型的无泡浮选采收技术，通过对比硅硼酸钠、粉煤灰、空心玻璃珠、乳胶颗粒等四种材料的浮珠，发现硅硼酸钠的疏水性更强，浮珠的采收率最高，而且高于不添加浮选剂条件下的气浮法的采收率［18］。

2.3 生物法

生物法主要分为生物絮凝和自絮凝。生物絮凝可以分为四种类型：细菌絮凝、真菌絮凝、放线菌絮凝、植物性絮凝。微藻的生物絮凝依赖于高浓度细菌产生的胞外聚合物以及微藻附着在其表面，从而形成絮凝体。目前微生物对微藻的生物絮凝研究主要集中在细菌上，而真菌、放线菌等研究还很有限。自絮凝是指细胞在液体培养过程中，由于其特殊的表面特性，可以相互堆积和黏附。一般情况下，某些微藻在某些环境胁迫条件下会自然发生自絮凝反应，如pH变化、营养物质变化等。微藻细胞可以形成稳定的悬浮体，因为表面带负电荷，可以通过调节pH来调节自絮凝。何嘉雯等通过从城市污水培养微藻体系中筛选出一株柠檬酸杆菌W4促进小球藻絮凝收获，结果表明，柠檬杆菌W4能够适应小球藻培养体系并成为优势菌种，发挥絮凝作用［19］。赵飞燕等利用微藻Desmodesmus sp. ZFY和Monoraphidium sp.QLY-1为研究对象，进行共培养，通过考察生长特性、油脂产率、细胞絮凝效率，寻找适宜的共培养条件，建立了快速自絮凝采收微藻生物质的新策略，结果表明共培养的絮凝效率高于单独培养［20］。

2.4 磁方法

磁泳分离技术的优点有操作简单、节省时间、简化了材料的合成和材料的可重复使用性。磁方法的原理是用磁性颗粒标记微藻细胞，并用外部磁场将它们从培养物中分离出来。近年来，磁性纳米复合材料由于其高比表面积、超顺磁性、生物相容性和可重复利用性等优点，已被应用于小球藻和绿藻等微藻的高效捕捉。然而，有些磁性纳米颗粒在微藻收获过程中受到限制，这是由于其收获性能较低。

3 微藻在污水中的应用

3.1 微藻在河道中的应用

微藻生态修复技术是指利用微藻可以高效和快速地吸收水体中的氮磷等富营养物质的优点，并通过调节藻类爆发生长的生态因子，从而使藻类可以迅速吸收水体中的氮磷，形成巨量生物膜；而利用形成的生物膜又可以吸附水体中的悬浮物和其他污染物质；再按照系统科学的原则把生物、物理、化学等技术组成一套净水系统，通过系统工作，把藻类等污染物从水体中分离富集出来，系统中的水体经过多次循环净化，直到水质清澈透明，水体逐步恢复自净能力。其优点有不挖泥、不换水、见效快、固定投资少，并且不影响河道船只同行、泄洪等功能，同时可以在专利设备上做出各种景观设施，不仅净化水质，同时也提高了河道观赏性。郭兆凯等 通过公司研发的藻类生长调节剂和生态修复专利设备,对苏州友谊河城湾河段近3×104m3的水体实施微藻生态修复技术, 经过40多天的治理, CODCr氨氮和总磷等指标得到有效降低, 均低于<城镇污水处理厂污染物排放标准>一级A的标准, 水体从原来的黑臭、重度富营养化变为清澈透明, 水体生态功能恢复［21］。

3.2 微藻在黑臭水体中的应用

黑臭水体是指水体散发出异味或者水体颜色异常，致使水体周边的环境受到影响的水体总称。随着经济快速发展，黑臭水体治理逐渐成为我国环境问题之一。黑臭水体的形成原因主要是由于水动力不足、外源污染、内源污染、运营管理等。其治理技术目前主要有控源截污、内源治理、复氧技术、药剂投加、活水技术、生态修复等。生态修复技术是治理黑臭水体应用最广的处理技术之一。卢杰等研发出一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，包括生物接触氧化法协同培养土著微生物膜的预处理工艺：将黑臭水通过接触氧化法进预处理，同时培养土著微生物，在微生物的作用下，通过一系列生化反应，最终形成氮气脱离水体，从而降低水体中的氨氮含量；再将预处理后的出水进行微藻强化处理，可以实现黑臭水的净化与再利用［22］。

4 结束语

本文对微藻的固定化和分离技术进行了综述，并探讨了微藻应用于污水中存在的问题，为进一步发展微藻技术提供了重要依据，微藻的污水应用存在良好前景［23-25］。

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Immobilization and Separation of Microalgae and Its Application in Wastewater Treatment

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Microalgae now is more and more widely used in the field of water treatment, but there are many problems in using micro algae, especially its immobilization and separation process. In this paper, the microalgae immobilization technology, micro algae separation technology, the application of micro algae in sewage treatment plant were summarized, in order to provide important basis for further development of micro algae technology in sewage treatment.

Immobilization of microalgae; Microalgae separation; Application of sewage

2021-03-29

刘金金（1996-），女，沈阳省沈阳市人，2018年毕业于沈阳建筑大学环境工程专业，研究方向：环境科学与工程。

X703.1

A

1004-0935（2021）06-0836-04