藻菌生物法对废水的处理研究
摘要：随着社会的进步人们对于环境问题的越来越重视，目前污水处理问题已经刻不容缓，本文主要通过阐述国内外藻类以及藻菌共生系统对污水处理方法现状的研究以及对未来发展的展望。主要讲述生物法处理污水的研究进展，主要针对纯藻类污水处理研究、好氧菌污水处理研究、藻菌固定化处理研究以及藻菌共生生物反应器污水处理研究的处理现状的论述。生物的方法对污水进行处理必将会成为未来发展的趋势，因为与物理法、化学法比起来，它具有成本低、应用范围广、适应性强以及处理能力强不会产生二次污染的优点。本文主要对小球藻在工业污水方面的处理进行概括。
关键词 小球藻 活性污泥 污水处理 生物反应器
Abstract: With the progress of society people pay more and more attention to environmental problems, the current sewage treatment problem has been urgent, this paper mainly through the domestic and foreign algae and algal symbiosis system of sewage treatment methods of the current situation of research and prospects for future development. This paper mainly describes the research progress of biological treatment of sewage, mainly for pure algae sewage treatment research, aerobic bacteria sewage treatment research, algal bacteria fixation treatment research and algal symbiotic bioreactor sewage treatment research treatment status quo. Biological methods of treating sewage will become a trend in the future, because compared with physical and chemical methods, it has the advantages of low cost, wide application range, strong adaptability and strong processing capacity will not produce secondary pollution. This paper mainly summarizes the treatment of chlorella in industrial sewage.
Keywords： Chlorella； Active sludge； Sewage Treatment ；Bioreactor
近几年来随着社会的不断发展我国对石油的需求已经供不应求，目前大多数油田已处于开采的中期和后期，为了提高开采的产量我们需要利用油田注水的方法，在注水的过程中会形成大量的采出水，而采出水的成分复杂含有较高的COD含量，对其进行环保处理难度比较大，压裂废水是石油生产中最难处理的部分。如果不加以处理直接将其排入底层或者流入其他地方，则会对环境产生污染，更严重的会影响当地的农作物生产和地表水水质量。因此废水的高效处理对全球水资源的保护和利用具有重要意义。生物法对于污水处理来说是一个不错的选择，本文将主要阐述生物法处理油田污水以及生活废水的研究进展。
1. 研究现状
1.1藻类对污水的处理研究
小球藻是单细胞生物，早在远古时期已经有它的存在，小球藻属于自养型生物它可以利用光合作用产生O2，降解水中的氮磷含量，从而达到净化水质的作用。目前已经探索到的藻类有10多种，加上其衍生物可达到上百种[1]。小球藻的生长繁殖速度极快，它还能在异养条件下利用有机碳源进行生长、繁殖；生长速度快，有较高的利用价值。早在上世纪50年代Oswald等人利用沼气或者人畜粪便生产小球藻处理污水[2]，Olguin等人将污水进行缺氧处理，并且在用海水与2%的处理液作为螺旋藻的培养液，研究发现总磷和总氮的去除率为99%和100%。陆晓峰[3]等人采用厌氧膜生物反应器处理高浓度豆制品废水，反应器在运行240d时，发现COD的去除率为90%。石勋祥[4]通过利用小球藻光生物反应器对煤化废水进行处理，通过对搅拌速度、气速以及CO2的优化得出最优的处理条件搅拌速度为100r/min,气速为10mL/min，CO2浓度为5%，时对污水的处理效率最大，小球藻对氮、磷的去除率分别为，72.79%、92.75%，对于COD的去除率为61.5%[5]。为了提高小球藻对污水的处理能力，王昱[6]等人对村镇生活污水进行预处理再通过小球藻的处理，结果表明经过预处理后小球藻对污水的处理效果明显提高，项荩仪[7]等人通过对小球藻处理市政污水的季节性研究发现，小球藻对COD的去除效果最高可达到60.1%~86.6%，对总磷的去除效果为79.37%-97.85%，总氮的去除率为97.66%，而氨氮的去除效果高达99.8%。申婷等人通过对普通小球藻的研究发现，普通小球藻经过15天的沼气废水处理研究结果表明养猪场废水中BOD的去除效果达到95%，化学需氧量的去除效果为89%，总氮的去除效果达到87%，总磷的去除率为93%。以上成果表明纯藻系统对于污水的处理具有明显的优势，这些结果也对于工业利用藻类处理废水奠定了基础[8]。而纯藻生物系统对于处理废水的过程中存在的若藻类生长的过快，容易造成污水中的藻类泛滥形成更大的污染，因此在生产过程中要定期对藻类及污染物的成分进行检测。
1.2固化小球藻对污水的研究
固定化技术最早是在1959年，Hattori等人利用大肠杆菌进行固定化处理。从此以后，固定化技术迅速发展，并且形成了相对完善的理论和方法。一般来说微生物的固定化技术主要利用物理的或者化学的方法，将微生物固定在一定的区域范围使其保持生物活性，从而具有更高的适应性。由于小球藻具有较强的适应性，大多数实验都选择小球藻作为被固定的对象。
当前生物固定化技术常采用的方法是包埋法和侵入吸附法。侵入吸附法主要取决于藻类的特征，必须找到适合固定的藻类，一般来说纤丝状藻类是最适合进行固定化的微生物，纤丝藻类的表面适合固定基质，与基质紧密连接，不脱落。由于吸附法本身的缺点，一般不太使用吸附法进行生物固定，被固定的藻类还容易脱落[9]。包埋法[10]利用高分子载体将游离的小球藻载留在高分子网格中，网格之间的间隙比较小会防止细胞外流，但同时网格可以保证营养液的正常流入，为细胞提供代谢的营养物质。利用固定法对细胞进行固定操作相对简单，且对微生物的活性影响小，大多数的微生物都可利用固定化方法进行固定，因此固定法是现在固定化技术中最常用到的方法。李金祥[11]等人通过利用固定化藻处理生活污水，实验结果表明经固定化处理过的小球藻对总氮的去除率达到67.3%高于游离小球藻的处理效率，固定化小球藻对于总磷的去除率达81.1%，而悬浮的小球藻对总磷的去除率为77.8%。工业上尤其是在石油工业上，随着人们对石油的需求不断的增加，石油开采已经到达了后期，为了提高产量注水开采成为了一个不错的选择，但是注水开采随之而来的是大量的采出废水，如何处理采出废水成为了石油工业上的一大难题[12]。有学者利用固定化小球藻对废水进行处理结果表明固定化小球藻对污水的处理能力明显大于悬浮藻类。王颖[13]利用固定化小球藻对工业废水进行处理结果表明经过8h后污水中的氨氮去除率达到99%，而TP的含量在4h时的去除率已经达到100%。
固定化技术的处理效果虽好，但是其费用高尤其在固定化材料的选择上，藻菌固定化的材料要求较高，好的材料成本自然也高。因此需要开发出适合进行大量处理污水所需的固定化材料，提高固定化处理污水的经济效益。
1.3活性污泥对污水的处理研究
活性污泥处理是处理工业废水和生活污水，目前最常见的活性污泥处理方法有氧化沟法、间歇式活性污泥法和A2/O法等[14]。活性污泥处理废水的原理是通过降解污水中的有机物质使其成为CO2和H2O，并且吸附悬浮的颗粒。中石油化工股份有限公司安庆分公司利用两级活性污泥处理工艺对采出废水进行处理，发现在水力停留时间缩小18h时，该工艺对于COD的去除率达到83.2%，对于氨氮的去除率达到99.5%。传统活性污泥对于污水处理存在一些问题，比如活性污泥的需氧量、PH、以及耐受性等问题都会影响活性污泥的处理能力，对于此类问题谭淞文[15]等人培养新型活性污泥对污水进行处理，他们为了提高活性污泥的耐盐性，将活性污泥放进海水中进行培养，实验结果表明对于盐度小于6%的废水来说，经过12h的处理后COD降解率达到70%以上，氨氮的降解率也达到30%以上。冬季利用生物法对污水进行处理的效率比较低，需要培养耐低温的活性污泥来处理污水，SCULLYC等17]通过研究低温厌氧颗粒污泥处理苯酚废水，发现当温度降至9.5℃，苯酚的去除率有所降低，其中比苯酚降解率与比甲烷产率分别为68 mg/ (g·d) 和12～20 mL/ (g·d)，耐低温活性污泥具有处理低温有毒的苯酚废水的能力[16]。由于农村生活污水具有分散性大的特点，若直接排放至环境中将对环境产生危害进而影响人类的身体健康。王硕[17]等人将活性污泥进行颗粒化处理研究其对分散化的活性污泥的处理，研究发现经过颗粒化的活性污泥处理过的农村生活污水完全可以达到排放标准，其中处理后的排出水的化学需氧量、氨氮、总磷以及磷酸盐的浓度为：30.1mg/L、3.8mg/L、12.3mg/L、0.5mg/L。说明进行颗粒化处理后的活性污泥对污水的处理性能较好，而且颗粒化的活性污泥的适应性较高，管理方便、不受地域的限制，对于分散型的污水处理有较好的处理效果。郭安[18]对颗粒化的活性污泥进行低温处理提高其的低温耐受性，实验结果表明经过低温处理的颗粒化活性污泥在冬季对生活污水的去除效果比较好，其中COD的去除效率为85.8%，TP的去除效率为98.3%，TN的去除效率为99.2%。
好氧菌（活性污泥）在处理废水的过程中需要大量的氧气，其中曝气可占污水厂耗电的50%-70%。进而增加了整个污水处理过程的能耗，因此单靠好氧菌来处理污水其经济性能较差。
1.4藻菌共培养基对污水的处理研究
有学者研究藻菌共培养系统可以提高生物对污水的处理效率，由于藻类是自养生物可以利用光合作用产生氧气，来消耗污水中的N、P等物质[19]。藻类产生的氧气可以提供给菌类生物，这样减少了菌类在反应过程中所需要的能量，从而也抑制因为氧气过量而造成水体富营养化形成的水华现象。陈志华[20]利用藻菌共培养基处理生活污水，经过6d的培养后发现污水中TP、TN、COD出水处理效率分别为77.11%、87.82%、76.9%。魏斌[21]等人利用固定化藻菌进行污水去污研究发现，藻菌固定化系统在最佳的处理条件DO浓度为5mg.L,光照为2000lx时污水中的COD含量从150mg.L降到15mg.L，氨氮含量从20-30mg.L降到0.5mg.L，总磷的含量从2-3mg.L降到0.5mg.L。梁珺宇[22]等人通过在序批式的活性污泥反应器中加入藻类形成藻菌共生生物反应器来处理模拟生活污水，结果表明在藻菌共生生物反应器的处理下对于COD、TP、
-N、TN的去除率分别为98.23%，98.00%，99.95%，94.47%。Shen等[23]将微藻和菌类通过固定化处理去除城市污水，结果表明去除了污水中97%的COD和100%的NH3-N和TP。张正红[24]等人利用藻菌序批式生物反应器处理猪场沼气，藻菌序批式生物反应器是利用厌氧菌活性污泥所产生的生物膜对污水进行处理，其中好氧生物活性污泥所产生的生物膜结构具有良好的处理性能且处理效率高，实验研究发现藻菌共生生物膜反应器对猪场沼液的处理结果为，在HRT为2d时，化学需氧量、氨氮、总氮以及总磷的去除效率分别为92.16%、97.98%、87.95%和84.25%。王海英[25]等人利用不同的藻菌共生生物系统对猪粪废水进行处理发现，以不同的藻菌共生生物系统中B.coagulans BS32和C.reinhardtii的共生系统处理效果最好，研究发现该共生系统中对氨氮的去除效果提高了16.58%；TN的去除率提高了28.38%；TP的去除效果在原有的基础上提高了8.90%以及COD的去除效果提高了23.04%。
藻菌共生生物系统在处理废水的额过程中具有巨大的潜力，共生系统中两类微生物依靠两者之间的相互转换，提高了污水的处理效率。
2. 未来研究的发展方向
生物处理油田污水存在易操作、成本低、不产生二次污染等特点成为污水处理的热点，但由于污水的成分复杂往往一种生物是不能满足污水处理的要求的，并且在生物的培养过程中的条件比较难控制，生物容易受到温度、PH、光照条件等的影响。未来在污水资源化的处理下要注重如何培养耐受性较好的生物，提高生物的耐受性；提高藻类光的利用率以及进行生物的综合利用等方面入手提高微生物的处理能力。
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