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浅谈菌藻系统在污水处理系统中的资源回收 


菌-藻共生系统的微藻在利用废水中污染物的同时,其微藻自身的生物质也得到积累,这些生物质可作为资源化产品的原料,其中磷可通过系统作用转化为微藻脂质,可作为生物柴油的原料;有机物可通过系统转化成微藻的碳水化合物,在各种微生物发酵作用下获得生物乙醇、生物氢和生物甲烷等生物燃料;氨氮可通过系统作用转化为微藻蛋白质和色素,微藻色素也是一种高附加值产品。重金属元素通过系统转化为微藻的胞外聚合物,抗生素也可通过转化为碳水化合物。生物质的收获及其高附加值产品的加工生产是菌藻共生技术规模化应用必经之路。研究表明,微藻应用于废水处理的后期机械和化学微藻生物量收获可占总成本的90%,主要适用于高价值的产品。



采集是微藻去除养分的关键步骤,因为微藻的浓度需要保持在最佳水平,随着水体中氮、磷的去除和微藻浓度的增加,适当的微藻采集不仅可以收集生物质供后续利用,还可以使微藻处于相对稳定的状态,实现水体净化。目前,常见的微藻采集方法包括离心、浮选、沉淀和膜过滤。离心分离法省时、高效、回收效率高,但能量消耗大得多,离心力会破坏藻类的细胞结构。沉淀法采用简单、能耗低,但存在占地面积大、回收率低等缺点。浮选具有成本低、空间要求低、处理时间短等优点,适合大规模应用。然而,浮选和沉降都需要絮凝,采集海洋微藻时可能比采集淡水藻类时需要更多的凝结剂,这可能限制了养殖池塘的采集。同时,三种典型的物理絮凝方法包括超声絮凝和电絮凝,化学絮凝和生物絮凝法也可以用于捕获微藻。此外,新型环保混凝剂的开发将是这两种收获方法的主要发展方向。

过滤技术通过排除粒径从水中分离微藻细胞,从而避免混凝剂污染。最重要的是,该技术可以实现微藻的高保留率和原生动物和病毒的去除。在收获栅藻(Scenedesmus acuminatus)中试生产时,使用超滤法捕获的平均海藻通量仅为140 L.m-2.h-1 ,体积小的微藻则收获效率更低。同时,膜污染带来的高额投资成本也限制了其应用。因此,高效和具有成本效益的收获方法仍然是微藻养殖废弃物在实地去除养分方面应用的瓶颈。Xiao等报道了大滤膜具有更好的防污性能和更好的过滤效率。能量微藻采集过程中多次过滤循环的平均通量可达1845L.m-2.h-1,是超滤的30倍。研究还发现,絮凝-宏观过滤可以满足平均通量超过2160,000 L.m-2.h-1。由于生物质将被用作水产饲料,壳聚糖可作为首选的混凝剂。综上所述,壳聚糖混凝-巨滤收获的优化运行策略可以进一步提高微藻的过滤效率,为营养吸收后的微藻生物量收获提供更好的解决方案。



研究表明菌的存在可以加快微藻絮凝和沉降,有利于后续微藻收集。Zhang 等[82]研究发现在低光强条件(142±10μmol.m -2·s-1)培养的藻类细菌颗粒污泥(ABGS)具有良好的沉降能力(SVI 30为30.9mL/g)。Wang等从活性污泥中筛选聚磷效应较高的聚磷菌菌属(Klebsiella sp),与蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)共同培养处理污水,结果表明,形成的共生系统增强出水总磷的稳定性,与纯藻组相比菌 - 藻系统中的小球藻藻平均生长速率和脂质产量分别提高 13.6% 和 90.1%。在水产养殖过程中经常以浮游动物作为生物饵料,而微藻则是浮游动物的优质饵料,因此在水产养殖尾水的处理中,可以选择浮游饵料动物滤食的方法,如浮游动物和贻贝进行生物收获。微藻与滤食性饵料动物组合可去除高达68%的总氮和56-67%的总磷。微藻作为水产动物食物链最底层的营养生物通过此方法实现了零成本的资源回收利用。


研发中心:孙娜


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