菌藻共生系统处理污水的影响因素及其研究进展

2019.
08
随着社会的不断发展，国家经济水平不断提升，工业、生活、医疗等各个领域产生的污水大量排入污水处理厂。

这些污水中富含N 、P 等营养物质、重金属和抗生素等污染物质。

目前我国普遍使用的污水处理技术尚且存在一些不足，主要是能耗高、成本高、占地大等问题。

相比物理法的低效率和高能耗，化学法能高效地处理污水，但化学药品的排放会对环境造成威胁，在此基础上，而生物法则避免了二者的缺点，其处理污水时经济节约并对环境无二次污染，在近几年逐渐成为污水处理技术研究的研究热点[1]。

菌藻共生系统这一概念，最早由Oswald等人[2]首次提出，将传统的稳定塘原理于藻类光合作用释放氧气的原理相结合，提出了高效藻类塘工艺，对菌藻共生体处理污水的研究上做了突出贡献,高效藻类塘工艺也得到了广泛应用。

其他研究者发现利用微藻的光合作用能去除污水中N、P、BOD、重金属、营养物质以及病原体等污染物[3]。

随着近年来对菌藻共生系统的研究，越来越多的实验证明这一系统在污水处理中的巨大潜力。

1　菌藻共生净化水质的机理1.1　菌藻之间的关系菌藻之间的关系较为复杂，既有相互促进关系，又有
相互抑制关系。

1.1.1　促进关系
促进关系即两者的代谢产物的互利共生关系。

主要表现在两个方面：第一，气体方面。

微藻进行光合作用产生氧气，提高水中溶解氧的含量，更利于好氧细菌的生长；好氧细菌进行呼吸作用产生二氧化碳，这些二氧化碳被用于微藻的光合作用[4]。

第二，物质方面。

微藻吸收氮、磷进行光合作用，产生有机物质(碳水化合物)[5]。

而细菌氧化分解有机物质进行呼吸作用，其中也包括死亡的微藻细胞。

细菌呼吸作用的产物会被微藻吸收[6]。

这样的促进关系使双方都能保持良好的生长状态。

1.1.2　抑制关系
抑制关系即两者对营养物质的竞争和释放毒素抑制彼此活性的关系。

细菌和微藻正常生长繁殖的过程中，营养物质是其必不可少的因素之一。

当这些物质不足时，细菌和微藻之间的竞争关系将变得尤为明显[4]。

Jansson等[7]研究表明在菌藻共生系统中，当环境中磷酸盐含量较低时，细菌能更有效地利用低浓度环境下的磷酸盐。

这是因为细菌对磷酸盐具有较高的亲和力。

微藻会释放出藻毒素，它会抑制细菌生长甚至毒害细菌。

而细菌会释放细菌毒素抑制微藻生长甚至裂解藻细胞[4]。

此外，李小霞等人[8]还提出微藻进行光合作用时，会使pH升高，从而对细菌产生危害。

2　影响因素2.1　光照
光合作用是藻类生长繁殖的基础，藻类通过光作用提
供能量并合成自生需要的营养物质以保证自身生长，所以光照对菌藻共生体的影响是非常重要的。

当控制其他环境条件不变的情况下，藻类的生长速率会随着光强的升高而升高[9][10]，但这种变化趋势是有一定范围的，这一范围称之为适光范围。

适光范围的上限叫做最适光照强度，也被称为饱和光照强度。

适光范围的下限叫做补偿光照强度。

当光照强度低于下限时，藻类无法正常生长；当光照范围正好等于下限时，呼吸作用吸收的氧与光合作用释放的氧相等，藻细胞只能维持基础代谢，也不能生长。

当光照强度大于补偿光照强度时，微藻开始生长[11]，并且随着光照强度的增加生长速率也逐步提升。

直到光照强度到达了最适光照强度，光照强度再增加,光合作不会随之加快,甚至会受到抑制[10]。

这是因为光照强度超出适光范围时，超出的光强以热能的形式消耗，并且热耗散的强度随光强的升高而升高[12]。

综上所述，可知适光范围即是保证藻类能正常生长繁殖的光照强度范围。

并且有研究表明，不同的藻类，其最适光照范围也是不同的[13]。

冯竞楠[14]等通过把水温控制在同一数值，并改变其光照强度，研究发现藻类每天吸收的光能是有上限的，而且同种的藻类吸收光能的上限是相同的。

还发现当光照强度弱时，需将光照时间延长；当光照强度强时，则需要的光
摘　要：
本篇文章介绍了菌藻共生系统的机理、所处环境的影响以及研究进展。

细菌与藻类的关系是十分复杂的，即有共生关系又有竞争关系。

环境因素例如光照、温度、pH、营养物质、污泥停留时间等会都对菌藻共生体产生影响。

因此研究出菌藻共生体适宜的环境条件可以提高其处理污水的效率。

关键词：
菌藻共生；污水处理；
藻毒素菌藻共生系统处理污水的影响因素及其研究进展
孙凡蛟，宋凤芝，范宇成
（河北建筑工程学院，河北 张家口 075024）
2019.08
照时间就短。

光照强度与光照时间像这样相互调节，可以使藻类更适应环境的变化，有利于藻类的生长繁殖。

何振平等[15]培养塔胞藻时发现：藻类的生长满足光间歇原理，即在光暗交替的环境下的生长效率要高于一直光照是的生长效率。

每种藻类都有其最适宜的光照周期。

2.2　营养物质
周刚研究了不同氮磷比条件下的藻类生长情况，发现每种藻类的最适氮磷比都有所不同[16]。

Spoehr H A等[17]研究发现，当环境中的氨氮浓度过高时会抑制藻类的生长，但高浓度的氮可以使藻类长时间保持绿色。

另外光照与氮源之间有一定的交互作用，在周期短，光强低的情况下，氮浓度对菌藻共生体的影响并不明显，但是在光照强度高的条件下，氮更利于藻类生长。

潘辉等[18]通过研究发现有机物浓度与污染物的去除密切相关，有机负荷越高，菌藻共生系统对污水的处理效果越好。

Munoz R [5]等人研究发现，环境中的有机负荷浓度不同时，会有不同的藻类成为优势物种。

刘德启等人[19]研究表明，BOD 5对水体的氧气含量有很大的影响。

BOD 5的去除是在好氧微生物的呼吸作用阶段进行的，在这个过程中会消耗水中大量的溶解氧，而且会通过微生物的呼吸作用释放大量CO 2。

在这种缺乏氧气且充盈CO 2条件下，不利于藻类生长。

因此,并不是所有的有机物浓度对污染物去除的影响都是正面的，为了保证处理污水的效率，必须确定池中易腐解的有机物种类、量等与藻类生长的关系。

2.3　pH
Munoz R等人[5]研究结果表明，NH 3会中断了光合作用
的暗反应，在高浓度的NH 3和高pH值的环境中，藻类无法固定CO 2并产生糖类储存在自身体内，从而抑制藻类的生长。

但是，当pH值升高，虽然对细菌不利，但磷会与水中的金属离子反应形成沉淀而被去除。

2.4　温度
温度对菌藻共生体的影响是多方面的，温度可以通过
影响酶的活性、营养物质的吸收利用效率及细胞分裂的周期进而影响藻类的光合反应和呼吸作用的强度，从而调节着藻类的生长和发育。

早在上世纪70年代，就有很多国外学者对此进行研究。

Takemura等日本学者研究了环境水温的变化对藻类生长变化的影响，主要体现在藻类光合反应速率的改变上，他们发现当环境温度低时，藻类的光合作用被抑制；温度升高，光合作用开始恢复；当温度高于某个值时，光合作用的效率与温度呈线性关系[20]。

不用藻类都有其区别于其他藻类的最适温度，在适宜的温度范围内，藻类可快速繁殖，超出适宜温度范围,藻类生长会受到抑制，甚至死亡。

藻类在高温环境中受到化学性损
害，在低温环境中受到机械性损害，所以藻类对高温的耐受能力低，对低温的耐受能力相对高一些。

当然，光照强度的改变以及营养物质的改变会使藻类的最适温度范围产生变化。

2.5　污泥停留时间
孙霓等[21]为了研究污泥停留时间对其的影响，将其
他环境因素始终控制在同一值条件下，只改变污泥停留时间，发现在污泥停留时间为25d时出水水质好，且菌藻共生体絮凝效果良好。

过低的污泥停留时间会导致藻类大量流失，而过高的污泥停留时间会有严重的污泥老化现象，影响出水水质。

3　研究进展
王秀等[22]在菌藻共生技术的基础上，加入了流态化技
术，设计一种固定菌藻流化床光生物反应器，该反应器的流化态可以使光合作用的光反应和暗反应交替进行，并且可是池内污染物与菌藻共生体充分接触，提高该反应器的传质效率，从而提高处理污水的效果。

牛曼等[23]根据菌藻共生原理将好氧池、流化床和菌藻共生技术相结合设计了一套“菌藻-菌”污水处理系统，该系统可有效地避免活性污泥遮光，有利于藻类的光合作用。

同时池内流化的状态不会破坏菌藻共生体的结构,并对高浓度有机废水的处理净化有显著效果。

Meng Wang等[24]采用PSBR对厌氧消化猪粪中氮的去除率进行了研究，利用了一种新型的快速脱氮工艺，藻类光合作用在光照期间提供足够的氧气进行完全硝化。

并添加猪粪作为一种有机碳源，在光合作用的暗反应阶段，反应器除去了90%以上的总氮(TN)。

其中，80%的总氮去除是通过硝化-反硝化进行的，其余是由于生物量的吸收。

4　展望
菌藻共生系统在处理污水及资源化方面有广阔的前景，
但迄今为止的研究表明菌藻共生系统在处理污水的效率上仍没有明显的提高，并且藻类和细菌对污染物去除的具体贡献率不清楚。

细菌和藻类在何种条件下结合以及具体是如何结合的这些问题尚未得到解答[4]。

筛选适应性强的微藻和细菌也是研究的热点。

微藻中富含着多种蛋白质，特别是糖蛋白，含有丰富的生物活性物质，可提高机体的免疫力[25]。

微藻中还富含油脂、维生素、矿物质、核酸及叶绿素等物质。

因此可以从处理废水后的微藻中获得一些高附加值的微藻产品、生物质燃料、动物饲料、有机肥料、高吸附性材料等副产品，使效益扩增、实现微藻的资源化。

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　2019.
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