2009基于微藻的水产养殖废水处理技术研究进展 6页

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Review小型综述微生物学报ActaMicrobiologicaSinica49(6):691-696;4June2009ISSN0001-6209;CN11-1995
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journals.im.ac.cn
actamicrocn基于微藻的水产养殖废水处理技术研究进展*孟范平,宫艳艳,马冬冬(中国海洋大学环境科学与工程学院,青岛266100)摘要:利用微藻处理水产养殖废水是一项污水资源化生物技术。近年来,国内外开展了大量有关藻类培养和废水处理的研究,发展了藻类处理技术,包括藻类塘、活性藻、固定化藻类、光生物反应器。本文综述了微藻净化水产养殖废水的原理、研究成果及应用实例,并对今后的研究方向提出了建议。关键词:微藻;水产养殖;废水;处理中图分类号:Q938

文献标识码:A

文章编号:0001
6209(2009)06
0691
06

随着人口的增长,人类对蛋白质的需求量日益基础上的氧化塘技术,经过广泛应用和发展,已成为[6]增加,而鱼类等海产品则是蛋白质的重要来源。据高效藻类塘(HighRateAlgalPond,HRAP)。HRAP[7]预测,到2050年,人类对水产品的需求量将会增加是美国加州大学伯克利分校Oswald等人提出的,[1]至50亿吨。为了满足人们对水产品的不断需求,其对污染物的降解主要是通过藻类和细菌形成的复水产养殖得到了迅猛发展。但在养殖过程中,饵料杂共生系统而实现的(见图1)。好氧菌将含碳有机的排放、残饵的分解、排泄物的产生以及化学药品和物降解为二氧化碳和水;将含氮有机物进行氨化、硝抗生素的使用等,使水体中营养物质、有机碎屑等严化,分别生成氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐;将含磷有机重超标,导致养殖水域环境恶化,生态系统失衡,病物最后降解为正磷酸盐。而藻类则利用这些物质作[2-4]害滋生。水体污染不仅影响生态环境质量,而为原料,以阳光为能源,通过光合作用制造有机物,且危害养殖业本身。因此,水产养殖废水的处理和并释放氧气,供细菌氧化有机物用,如此循环,从而循环利用逐渐受到关注。达到处理废水的目的。微藻是一类光能自养型单细胞生物,具有资源与传统稳定塘不同的是,高效藻类塘具有以下丰富、种类繁多、光合效率高、生长速度快、适应性强4个方面的特征:(1)塘的深度较浅,通常稳定塘的的特点。利用微藻处理水产养殖废水,一方面可以深度在05m~20m之间,而HRAP的深度则控制净化污水,另一方面可以获得有价值的藻类,促进养在03m~06m;(2)需垂直于塘内廊道的连续搅拌[5]殖业的可持续发展。参考国内外有关研究资料与装置,促进污水与藻类的混合,避免污泥在塘内的淤文献,本文就近20年来利用微藻处理水产养殖废水积,并可调节塘内氧和二氧化碳的浓度,均衡池内水的研究进展进行了评述,并提出了今后的研究方向。温以及促进氨氮的吹脱;(3)停留时间短,HRAP的平均停留时间一般为4~10d,较一般稳定塘的停留1
利用藻类塘处理水产养殖废水时间缩短7~10倍;(4)一般把塘分成几个狭长的廊20世纪60年代建立在水体藻菌共生自净原理道,所以塘的宽度一般较窄。基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(BS03124)*通信作者。Tel:+86
532
66781823;Fax:+86
532
66782875;E
mail:gongyanyan331@yahoo.com.cn作者简介:孟范平(1965-),男,山东省招远市人,博士,教授,研究方向为水污染控制技术。E
mail:fanpingm@tom.com收稿日期:2008
12
12;修回日期:2009
01
10n692FanpingMengetal.
ActaMicrobiologicaSinica(2009)49(6)图1
菌藻共生关系示意图Fig.1
Theschematicdiagramofalgae
bacteriasymbioticrelationship[8].

高效藻类塘因其对氮、磷的去除效率高,能承受学物品,在特定受控条件下,菌藻共存,微藻对许多较高的负荷,占地面积少,维护简单,加之在土建和营养盐发生作用,从而达到去除的目的,这是任何物[13]运行成本上并无明显增加,受到专家学者越来越多理、化学方法所不能及的。王高学等采用正交法[9][10]的关注。Hammouda等利用四尾栅藻确定了由斜生栅藻(Scencdesmusobliquus)、绿藻(Scenedesmusquadricauda)和普通小球藻(Chlorella(Chlorellavulgans)、亚硝化细菌(Nitritebacteria)、硝化细菌(Nitratebacteria)组成的复合藻
菌净化系统vulgaris)处理水产养殖废水,处理后的废水COD、去除水产养殖水体中氨态氮和亚硝酸态氮的最优化BOD5可达到排放标准,氮、磷去除率均达到100%。数量配比关系,即栅藻小球藻亚硝酸化细菌硝化高效藻类塘对病原菌也有较好的去除率,藻类细菌=2131238373,利用该系统处理宝鸡市有2种促进消毒的方式:一是藻类在进行光合作用柔谷渔场养殖池塘老化水体,氨态氮和亚硝酸态氮的同时不仅传递氧也传递了热能,在较高的温度下,的去除率分别为973%和688%,远高于单菌、单病原体的寿命极大缩短;二是由于藻类在光合作用藻的作用效果。的过程中消耗了大量的二氧化碳,而导致水中pH活性藻系统去除效果的好坏取决于微藻的光能[11][12]值升高,也缩短了病原菌的寿命。Green等的合成和细菌的氧化代谢作用,并受控于氮、磷初始浓研究发现,当pH值为92时,维持24h,高效藻类塘度、氮磷组合、水温、光强、光暗循环、进水负荷、停留能100%地去除水产养殖废水中的大多数病原菌。时间、微藻种类以及生物浓度等一系列基本参数。[14]虽然利用高效藻类塘处理废水成本低廉,但是Aslan等在pH70,室温(202!),光照为由于该技术主要依靠自然生长的藻类和半人工控制4100lux,氮、磷浓度比21的条件下,研究了普通小手段,受环境因素特别是光照、气温等条件的影响明球藻(Chlorellavulgaris)对合成废水中氮磷的去除效+显,当夏季某些月份气温过高或冬季温度较低时,由果,结果表明,当NH4
N的初始浓度<22mg
L,3-于藻类的生长受到抑制而影响处理效果;藻类生长PO4
P的初始浓度<77mg
L时,普通小球藻对氨所需的pH和O2不易控制;处理后出水中的藻类难氮废水具有较好的去除效果,去除率分别为100%+以收获或收获费用太高;另外,沉积物在池内聚积,和78%。随着NH4
N初始浓度的升高,去除率逐+处理效率会随之逐年降低,塘的寿命相应减少,这些渐降低,当NH4
N浓度增至129mg
L,去除率仅为3-都严重阻碍了高效藻类塘的广泛应用。24%;当PO4
P的初始浓度由77mg
L增加至199+mg
L,去除率降至30%;且普通小球藻对NH4
N的2
利用活性藻处理水产养殖废水3-[15]去除率明显高于PO4
P。胡开辉等在小球藻液活性藻污水处理技术始于20世纪70年代初中分别添加不同浓度比的氮、磷溶液,研究普通小球期,也是依据藻菌共生代谢原理从污水中去除有机藻(Chlorellavulgaris)净化氮、磷的能力。结果表明,污染物和氮、磷营养盐,即:先人工培养出藻
菌混合低浓度比的氮、磷溶液有利于小球藻对氮、磷的吸[16]絮凝物,即活性菌团,然后利用部分或全部污水进行收。吕福荣等研究发现,升高温度或加强光照有藻菌继续培养。藻
菌絮凝团中的主要生物有好气利于小球藻(Chlorellasp.)对模拟氨氮废水中磷、氮[17]性细菌、刚毛藻、丝藻、小球藻、栅藻、绿球藻、颤藻和的吸收。Domenico等利用斜生栅藻(Scenedesmus硅藻等。利用活性藻技术处理污水,不需要任何化obliquus)在光暗循环为1410的条件下处理模拟氨n孟范平等:基于微藻的水产养殖废水处理技术研究进展.
微生物学报(2009)49(6)693[24][25]氮废水,发现氮的去除过程主要发生在有光的时段。态藻。Tam等研究了普通小球藻(Chlorella[18]张继平等研究发现,小球藻(Chlorellasp.)能显著vulgaris)在悬浮态和固定态下,对模拟生活污水的净降低南美白对虾(Litopenaeusvannamei)养殖水体中化效果,结果表明固定态小球藻对氮、磷的去除率分-亚硝酸盐氮含量,当试验水体中的NO2
N起始质量别为78%和94%,而悬浮态小球藻的去除率仅为4浓度为05mg
L,小球藻的接种密度为20∀10细40%和59%,因此,固定化小球藻的净化效率比悬-胞数
mL时,NO2
N的降解率可达到716%。况琪浮态要高得多。[19]军等利用活性藻系统去除人工合成污水中的氮、近年来,国内外学者对固定化微藻处理水产养磷及有机物,在262!,光强约4000lux,进水负荷殖废水及人工合成废水进行了大量研究,获得了许25~28L
d和停留时间24h的条件下,活性藻系统多有价值的资料(表1)。由表1可以看出,固定化对TN、TP、CODCr和BOD5的平均去除率分别达微藻可以有效去除废水中的氮、磷,去除率均在7762%、3323%、9089%和9577%;当进水负荷加65%以上。大1倍,停留时间相应缩短,光强减弱,温度降低时,当然,固定化微藻处理系统也不是完美无缺的,TP和BOD5的处理效果受到明显影响,CODCr和TN其主要的缺陷是:固定化藻球的制备程序复杂,需要离心、冲洗等较多步骤;固定化载体还能限制光能的的去除率基本上不随系统条件的改变而降低;及时获得和物质的传递;微藻对氮、磷的吸收会受到固定添加新鲜藻种有助于处理效果的提高。陈海敏等[20]使用光合细菌(PhotosyntheticBacteria)和蛋白核化载体、底物浓度、藻细胞密度、pH值及温度等因素[35]小球藻(Chlorellapyrenoidoso)联合处理工厂化甲鱼的影响;使用一定时间后,藻细胞的生长造成固养殖废水,研究结果表明,光合细菌和小球藻能很好定化藻球破裂;藻细胞的收获也较繁琐。这些不利因素在一定程度上影响了固定化微藻的应用。地去除水体中的氮、磷,尤其对氨氮的去除率高达90%以上,且处理后水体中的溶氧量提高到10mg
L4
利用光生物反应器处理水产养殖以上,有利于养殖废水的重新利用,在工厂化养殖废废水水处理中有着良好的应用前景。

20世纪80年代,光生物反应器成为微藻生物另外,养殖过程中使用的硫酸铜杀菌剂往往未[36]经任何处理就直接排入外界水体,造成海洋环境的技术的重要研究热点。光生物反应器是指用于[21]培养光合微小生物及具有光合能力的植物组织、细铜污染。李坤等的研究发现,绿藻(Chlorellavulgans)对不同浓度的Cu2+均有清除能力,当Cu2+胞的设施或装置,通常具有光照、温度、pH值、营养盐、气体交换等培养条件的调节控制系统,能进行半的浓度为0094~0484mol
L时,去除率为61%~连续或连续培养并具有较高的光能利用率,能够获845%。[37]得较高的生物密度。3
利用固定化藻类处理水产养殖废水微藻光生物反应器可以分为开放式和封闭式两微藻的固定化是20世纪80年代借鉴细菌固定大类。开放式光生物反应器以开放式跑道水池为化技术而发展起来的一项重要生物工程技术[22]。主,构建简单,成本低廉,操作简便。但开放式培养过程受光照、温度等自然环境影响较大,易被真菌、该技术利用物理和化学手段将游离细胞定位于限定原生动物和其他藻种污染,并且水分蒸发严重,二氧的空间区域,使其保持生物活性并可反复利用。藻化碳供给不足,这些因素都将导致藻细胞培养密度类固定化的基本方法主要包括吸附法和包埋法。吸[38]偏低、采收成本较高。目前,螺旋藻、小球藻及盐附是将藻细胞附着在载体表面,而包埋则是将藻细胞包埋或封闭在载体内部。两者都具有操作简便,藻等少数几种能耐受极端环境的微藻能够采用开放对藻细胞活性影响较小等特点,但是吸附法固定的式培养。对于要求温和培养条件和种群竞争能力较弱的微藻,则只能采用封闭式光生物反应器培养。藻细胞数量有限,而且细胞容易脱落。所以,包埋法是目前应用最广泛的藻类固定化方法[23]。与游离与开放式培养系统相比较,封闭式光生物反应器有以下优点:(1)能够培养更多种类的微藻;(2)产藻类相比,固定化使得微藻具有细胞密度高、反应速率较高,全年生产期较长;(3)能够维持较高的藻液度快、负荷能力强、运行稳定可靠、藻细胞流失少、易于固液分离等特点,还能提高藻类的合成代谢活性,浓度,能一定程度地降低采收成本;(4)能够更好地延迟衰老,并在一定程度上降低藻类的分解代谢活控制培养条件,如温度、pH等;(5)能有效地降低污染。封闭式光生物反应器主要有垂直柱式、管式、板性,而包埋载体本身也具有一定吸收氮、磷的能力,[39]式以及一些其它特殊类型,例如:光导纤维光生因此,固定化藻类对氮、磷的净化效率明显高于悬浮n694FanpingMengetal.
ActaMicrobiologicaSinica(2009)49(6)表1
固定化微藻去除水产养殖废水及人工合成废水中的氮、磷的研究现状Table1
TheresearchstatusofnitrogenandphosphorusremovalfromaquacultureandsyntheticwastewaterbyimmobilizedmicroalgaeImmobilizedcarrierSpeciesofexperimentalmicroalgaeRemovalmaterialsRemovalrates
%ReferencesNH+
N1004SodiumalginateChlorellavulgaris[26]PO3-
P714SodiumalginateScenedesmusquadricaudaNH+
N87[27]4NH+
N499SodiumalginateChlorellavulgarisandAzospirillumbrasilense[28]PO3-754
PNH+
N490SodiumalginateScenedesmussp.[29]PO3-704
PSodiumalginateOocystisborgeiNO-2
N66[30]NH+4
N79SodiumalginateScencdesmusobliquus[31]PO3-834
PNH+4
N90CalciumalginateChlorellapyrenoidosa[32]PO34-
P83NH+4
N70ChitosanScenedesmusobliquus[33]PO3-
P944NO-1003
NPVA
sulfateChlorellapyrenoidosaandactivatedsludge[34]PO3-
P994[40]物反应器。柱式光生物反应器多用于初期的小试研究,是实验室范围内的首选装置。根据搅拌方式不同,柱式反应器又可分为机械搅拌式、鼓泡式和[41]气升式等。微藻光生物反应器多使用气升[42-43]式,能提供均质的反应系统,非常适合于实验室研究。该系统以气体为动力,靠导流装置的引导,形成气液混合物的总体有序循环(图2)。反应器内设导流管,向导流管通入气体,使管内的液体比重变小,因而形成上升流,并在导流管顶部开口处溢出,进入反应器主体与导流管壁之间的空腔;导流管底部则形成负压,将反应器主体与导流管之间的空腔内的液体吸入,补充上升流带走的液体从而形成循环。气升式反应器以气体传动,避免了机械搅拌部件对藻体的损伤;在导流筒和外部空腔之间形成有序的循环,使微藻得到均匀的光照;通气的同时带入CO2,提供藻类生长所需碳源,脱去培养液中过分积图2
气升式光生物反应器结构示意图累的氧,可谓一举多得。Fig.2
Thestructuremapofairliftphotobioreactor.目前,藻类光生物反应器多用于单纯获得藻体感器上易发生附着,且这种技术投资和操作成本较生物量或其代谢产物,与废水处理相结合的微藻光高,不能提供类似填充床中高的细胞负载,因此制约生物反应器培养研究很少。马冬冬等将亚心形扁藻了微藻在废水处理中的发展。(Platymonassubcordiformis)引入光
膜反应器,构建了一台光
膜组合式生物反应器,用于去除南美白对虾5
未来的研究方向养殖废水中的氮磷营养盐。结果表明,废水中无机虽然微藻在处理水产养殖废水中显示了其优越氮和无机磷的去除率均在80%以上,达到#海水水性并取得了很大进展,但是仍然存在一些问题有待质标准∃二类以上水质要求。该技术可以用来对海解决。具体表现为以下4个方面:水养殖业废水进行深度处理以达到循环利用的(1)新型藻类资源和产品的应用与开发:选育和目的。改良新型藻种,继续筛选具有高效净化能力、营养价密闭式光生物反应器培养后期由于细胞浓度的值高的微藻,重点是筛选对有机物具有降解能力和升高,限制光的穿透,降低了光照效率;在培养过程自身经济价值较高的藻种。中由于水压增加,使细胞受到损伤;反应器和生物传(2)廉价及性能良好的固定化载体开发:藻类固n孟范平等:基于微藻的水产养殖废水处理技术研究进展.
微生物学报(2009)49(6)695定化首先需要选择理想的固定化载体。目前,包埋[9]何少林,黄翔峰,乔丽,等.高效藻类塘氮磷去除机理法固定化载体主要有天然高分子凝胶,如海藻酸钙、的研究进展.环境污染治理技术与设备(TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl),2006,7琼脂等和有机合成高分子凝胶载体,如聚乙烯醇(8):6-11.(PVA)、聚丙烯酰胺(ACAM)等。天然高分子对生物[10]HammoudaO,GaberA.Microalgaeandwastewater没有毒害,传质性能较好,但是强度较低;有机合成treatment.EcotoxicologyandEnvironmentalSafety,1995,31高分子凝胶强度较大,但其传质性能稍差,在包埋时(3):205-210.有时可能会影响细胞活性。因此,开发复合型固定[11]陈鹏,周琪.高效藻类氧化塘处理有机废水的研究和化载体,改善其性能,是藻类固定化技术研究的重要应用.上海环境科学(ShanghaiEnvironmentalScience),2001,20(7):309-311.内容。今后还需弄清固定化微藻的生理生化特性及[12]GreenFB,BernstoneLS,LundquistTJ,eta1.Advanced其净化机制,研究固定化微藻的保存、活化方法,为integratedwastewaterpondsystemsfornitrogenremoval.批量生产奠定基础。WaterScienceandTechnology,1996,33(7):207-217.(3)光生物反应器的构建与规模化:将微藻光生[13]王高学,姚嘉,王绥标.复合藻&菌系统水质净化物反应器与水产养殖废水处理相结合,开发适合于模型建立与净化养殖水体水质的研究.西北农业学可规模化运转的高效生物反应器,实现污染控制与报(ActaAgriculturaeBoreali
occidentalisSinica),2006,15(2):22-27.资源化利用相结合。[14]AslanS,KapdanIK.Batchkineticsofnitrogenand(4)从废水处理系统中收获藻类方法的探索:微phosphorusremovalfromsyntheticwastewaterbyalgae.藻体积小、质量轻,营浮游生活,沉降性能很差,传统EcologicalEngineering,2006,28(1):64-70.的静止沉淀方法很难达到良好的固液分离效果。因[15]胡开辉,朱行,汪世华,等.小球藻对水体氮磷的去除此,还需寻求一种经济有效的方法,将微藻和废水分效率.福建农林大学学报(JournalofFujianAgricultural开,使微藻资源回收利用,出水水质达到要求。andForestryUniversity),2006,35(6):648-651.可以预计,上述问题的逐步解决将为微藻应用[16]吕福荣,杨海波,李英敏.小球藻净化污水中氮磷能力的研究.生物学杂志(JournalofBiology),2003,20于水产养殖废水净化提供有力的技术支撑。(2):25-34.参考文献[17]DomenicoV,HerlindaGV,GabrielC.NitrogenremovalandrecyclingbyScenedesmusobliquusinsemicontinuouscultures[1]毛玉泽,杨红生,王如才.大型藻类在综合海水养殖usingartificialwastewaterandasimulatedlightand系统中的生物修复作用.中国水产科学(Journaloftemperaturecycle.BioresourceTechnology,2005,96(3):FisherySciencesofChina),2005,12(2):225-231.359-362.[2]姜红,李月红,黄权.养殖水体的有机物负荷及其减[18]张继平,郭照良.小球藻对降低南美白对虾养殖水体轻对策.中国水产(ChinaFisheries),2000,(2):32-33.中亚硝酸盐氮含量的研究.水产科学(Fisheries[3]LaiHT,HouJH,SuCI,etal.Effectsofchloramphenicol,Science),2006,25(10):517-519.florfenicol,andthiamphenicolongrowthofalgaeChlorella[19]况琪军,谭渝云.活性藻系统对氮、磷及有机物的去pyrenoidosa,Isochrysisgalbana,andTetraselmischui.Ecotox
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AreviewFanpingMeng,YanyanGong*,DongdongMa(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)Abstract:Microalgaeenablesaquaculturewastewaterrecyclingthroughabiologicalconversion.Recently,manystudieshavebeenreportedonmicroalgaecultivationandwastewatertreatment,includingdevelopingvariouswastewatertreatmenttechnologiessuchasalgaepond,activatedalgae,immobilizedalgaeandalgaephoto
bioreactor.Inthisreview,weaddressthemechanisms,progressandapplicationinthepurificationofaquaculturewastewater,aswellassomeresearchperspectives.Keywords:microalgae;aquaculture;wastewater;treatment(本文责编:张晓丽,谷志静)SupportedbytheShandongProvincialScientificResearchFoundationforExcellentYoungScientists(BS03124)*Correspondingauthor.Tel:+86
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