藻类是一类具有典型的光能自养代谢 ,以单细胞或简单的多细胞群体形式生活 ,通过裂殖或产生生殖孢子等方式繁殖的低等植物的通称。
它们在淡水和土壤中分布广泛 ,尽管一些种类是病原性的 ,另一些种类营共生生活 ,但大多数藻类营养要求简单 ,对水质变化敏感 ,是生物链的初级生产者。与其他微生物相比 ,藻类生长速度缓慢, 淡水藻类多浮游生长于xx水体的上层，藻类有足够的时间在光照下生长。但藻类可在贮水槽、增压泵及滤器中繁殖 ,形成胶质细胞团粘附在管道、滤膜表面 ,堵塞管道和滤器 ,依靠简单的反冲洗或化学处理也不可能恢复原有的水通量 ,造成故障或缩短滤芯使用寿命 ,使滤膜提前报废。藻类在分类学上分别属于原核生物界和原生生物界 ,但具体归类后 ,淡水中生活的种类xx于蓝藻、绿藻、硅藻 ,以及金藻和裸藻等植物门中的少数种属。
饮用水源的富营养化 ,藻类生物的大量繁殖 ,产生的危害甚多 ,堵塞滤池 ,穿透滤床 ,恶化水质 ,使水产生异味 ,堵塞或腐蚀管道 ,增加了xx过程中xx副产物的形成 ,释放藻毒素威胁人类健康。国外已有藻毒素致死恶性事件的报道。但是在藻类是地球上最早登上生命舞台的绿色植物 .在自然水体的自净过程中 ,藻类起着很重要的作用已经达成共识，在藻类应用于污水处理的工艺中 ,藻类和水的后续分离一直是需要探讨的问题 ,而藻类膜系统不仅适用于营养物质的去除 ,而且易于和水分离，由 Walter Adey和 Karen L oveland开发的 ATS工艺就是一种藻类膜工艺 ,已经有成功的应用 ,对生活污水和农业污水中营养物质的去除有很好的前景我们在实验室利用反应器使填料上挂膜并对藻类膜的生长规律及其对营养物质的处理能力进行了以下研究 ,旨在强化藻类在水处理中的应用 ,拓宽减少水体富营养化的途径 。
Stumm和 Morgan提出 [6],藻类的分子式近似地为 C106H263O110N16P,其光合作用的反应方程式如下 ：
106CO2+ 16NO- 3+ HPO2- 4+ 122H2O+ 18H+ 阳光 C106H263O110N16P+ 1380O2
在光照的条件下 ,藻类开始生长 .为了自身生长的需要 ,藻类消耗水中的 N和 P同时以 CO2作为碳源 .和异氧菌相比 ,藻类并不依赖于有机碳源 .藻类的另一个优点是产生氧气 ,出水溶解氧浓度很高 ,使水体质量大大提高。
在常规的利用藻类净化污水的工艺如氧化塘中 ,藻类的浓度很低 ,微生物起主导作用附着藻类膜能大大提高藻类的浓度 ,在反应器内 3d的藻密度达到 0.13g/L ;其运行结果显示除磷脱氮效果较稳定，而且其处理效果优于普通的悬浮藻系统 .Martinez M E指出 ,藻类可以用大量的有机氮化合物和无机氮化合物作为氮源来合成氨基酸。一些研究工作证明,藻类对污水中氨氮、总磷等污染成分有较高的净化效率。另有研究表明,水体中溶解的各形态磷均不同程度地促进藻类的生长。对氨氮的去除有两方面的因素 :一是藻类利用氮源来合成氨基酸 ,二是由于 p H值的升高 ,使氨氮变成氨气释放到空气中 ;另有研究证明 ,一些藻类有固氮作用 [12].利用微生物除氮 ,在污泥龄较短的情况下 ,虽然水中的氨氮得以去除 ,但总氮去除效果较差 ,这是因为氨氮转化为硝基氮和亚硝基氮，只有少量氮为微生物所同化吸收 .而在藻类系统中对氨氮的去除即意味着总氮的去除。对溶解性磷的去除也有两方面的因素 :一是藻类利用磷源来合成细胞物质 ,二是在藻类生长导致了p H值的增加 , p H值的增加又导致了可溶性磷酸盐的变化。溶解性磷酸盐和水中的钙离子形成羟基磷酸钙沉淀再被藻类吸附从而从污水中去除。
养殖藻类处理废水研究。有机废水的处理主要采用厌氧接触法、厌氧污泥法、生物膜法等。70年代人们开始采用酵母菌和光合xx生物处理法 ,并将废水处理和单细胞蛋白生产结合起来[3]。目前国外已开始应用高速藻类池塘污水处理系统来生产一些高蛋白的藻类。这一技术具有成本低、能耗少、效率高、收益大等特点 ,是一项非常有潜力的生态环保工程。高浓度有机废水处理 (一般指BOD高于1000ｍｇ/Ｌ的有机废水 ) ,国内外有利用养殖螺旋藻等微藻使废水净化的报道 ,并收到初步成效。Oswald等已成功利用沼气废物或人畜废物生产诸如小球藻或栅裂藻类。Chauhan等采用沼气发酵的方式对养猪废水进行了处理 ,在含 10%的发酵液中添加适量Ｋ2ＳＯ4、ＮａＨＣＯ3,用 500lx光照射培养螺旋藻 ,其产量可达 5ｇ/m2.d) ;氮的同化率为 76%。缫丝废水含有大量有机物 ,在xx转化后的废水中培养螺旋藻 ,10天后 80%以上含氮物质被利用 ,水质透过率明显增加 ,当废水量占10%时 (COD约 1100ｍｇ/Ｌ) ,鲜藻泥 (含水 )产量可达 11.2/Ｌ;实验结果表明 :缫丝废水可部分取代Ｚ氏培养基。Ｃhauhan研究发现 ,在户外培养螺旋藻时 ,造纸黑液能促进其生长和提高产量 ,同时也提高了细胞氮同化酶的活性和利用效率。Ｏlguin等将猪粪进行厌氧分解处理 ,在海水中加入 2%的处理液体作螺旋藻培养基 ,废水中的总磷和ＮＨ4+? Ｎ去除率为99%和{bfb}。以上研究为工业化养藻除废奠立了理论基础。Ｆox描述了适合发展中国家利用的农庄式藻类生产。目前印度等国家已成功应用。当然 ,实际应用中多采用综合利用废水的方式，如Becher用粗海盐提供微量元素 ,并向培养基中添加 20ｍｌ/Ｌ牛尿 , 50ml/Ｌ沼气废水。
目前 ,人们越来越重视xx与藻类相结合的应用。这种应用体现在高速率藻塘 (HRAP) ,又称高负荷氧化塘 ,是好气塘中有机负荷{zg}的一种。通过形成藻菌共生系统来净化废水。藻菌共生系统的最基本的生态功能单元是藻菌共生体 ,藻类的种类与数量 ,决定着污水处理系统中能量的流向和食物链的基本结构。由于藻类易于驯化并可耐受高浓度毒物 ,已得到一定应用。Maiti用60%的藻类和40%的xx组成活性藻 ,去除水中营养物质效果较好。Ｄipak用藻类制剂作吸附剂 ,发现其对Pb、Co等重金属离子有较强的去除效果 ,并且此吸附剂在低ｐＨ时可将金属回收。Ｓhigeru等也在砷污染水中分离出小球藻 ,将其用Zn驯化后可耐受100mg/Ｌ的Zn并正常生长 ;用100mg/Ｌ的Cd驯化 ,可耐受50mg/ＬCd ,并仍能富集水中的镉 ,同时也发现金属的解吸现象。国内关于藻菌体的研究也进行了初步探讨。廖敏等报道了藻菌共生体对砷有良好的去除作用。因此 ,在处理重金属离子浓度较高的工业废水时主要利用高速率藻塘氧化系统。首先利用藻菌共生体的微生物表面羟基、羧基、巯基等与重金属离子结合将金属离子除去 ,然后再利用藻类对富营养化水体中营养去除 ,从而达到净化水体的目的。
利用藻类食物链功能净化湖泊、水库的研究综合利用藻、菌、贝、浮游动物等治理湖泊、水库等水体的富营养化问题正引起学术界的广泛重视。富营养的主要特征是水体含氮、磷等高浓度营养元素 ,造成藻类大量繁殖。由于藻类个体小难以除去 ,因此 ,目前国内外在治理富营养化水体除净化污水源外 ,主要采用栽种高等水生植物吸收营养元素及xx底泥等方法。藻类是水体的初级生产力者 ,水中溶解氧的85%都来源于藻类 ;藻类又是鲢鱼、贝类、浮游动物等的食物 ,可以利用藻类养鱼等 ;藻类也是净化富营养水体的一个环节。据陈汉辉报道 ,在富营养水中培养大型水网藻 ,然后采用筛绢过滤除去水网藻 ,达到了良好的净化效果。要解决的关键问题是如何除去大量繁殖的藻类。目前欧、美盛行利用生物控制法 ,即控制浮游动物、食浮游动物的鱼类及底栖动物 (贝类等 )的数量达到控制藻类生长的水质管方法 ,但国内尚未进行这方面研究。
美国加州大学伯克利分校的Ｏswald教授提出并发展的高效藻类塘是对传统稳定塘的一种改进 ,与传统稳定塘的主要区别体现在以下 4个方面：( 1)塘深较浅 ,一般为 03～06ｍ ,而传统稳定塘的深度根据其类型深度一般在 05～ 20ｍ ；( 2)有一垂直于塘内廊道的连续搅拌的装置；( 3)较短的停留时间 ,随季节变化为 4～ 10天 ,一般小于 12天 ,比一般的稳定塘停留时间短7～10倍 ；( 4)一般把塘分成几个狭长的廊道 ,因而高效藻类塘的宽度一般较窄。高效藻类塘的结构特点有利于促进藻类生长 ,从而能{zd0}限度的利用藻类所产生的氧气 ,因而将其称为高效藻类塘。它与传统的二级生物处理技术相比 ,具有很多独特的性质 ,是一种极具推广价值的污水处理技术 ,特别是对于我国土地资源相对丰富而技术水平相对落后的农村地区的污水处理 ,更具有很大的发展前景。
这种高效藻类塘具有很多特点，高效藻类塘比传统的稳定塘停留时间短 ,占地面积少；建设容易 ,维护简便 ,基建投资少 ,运行费用低 ；BOD5 、ＮＨ+4-Ｎ、ＰＯ3-4-Ｐ的去除效率高 ；对病原体具有较好的去除效果 ；若高效藻类塘后接的是高等水生生物塘 ,则其中的水生生物不但可以除藻 ,降低出水的ＳＳ ,而且能进一步去除水中的氮磷 ,同时收割的高等水生植物可以作为优良的饲料和肥料 ,具有一定的经济价值。然而高效藻类塘也存在着一些缺点 ,受环境因素的影响明显 ,特别是光照 ,气温等气候条件。当夏季某些月份气温过高或冬季温度较低时 ,由于藻类的生长受到抑制而影响处理效果 ,同时若高效藻类塘后接的是高等水生生物塘 ,则在冬季温度较低时 ,高等水生生物塘中的植物会枯萎或生长缓慢 ,影响最终的处理效果。活污水的处理来说 ,稳定塘的 ｐＨ值变化一般在 65到11.5之间。太阳辐射对病原菌的去除和藻类的生长也有重要的影响 ,水体对光的吸收特性取决于 4个方面：水体特性 ,腐殖质 ,藻类和非生物性的悬浮物。在废水稳定塘中光的穿透力强度是依靠水体的吸收特性 ,并且浊度的变化不影响塘中水的光学特性。光照强度的大小直接影响稳定塘中产氧量的多寡 ,对于单一藻种 ,当光照强度高于最适光照强度的上限时 ,其光合作用产氧速率缓慢减少 ,当光强低于最适光强下限时 ,其光合作用产氧速率将迅速减少 ,在最适光强段产氧速率基本保持不变。稳定塘中的藻类是多种藻类的复合体 ,最适光强段的范围将增大。除了这些环境因素以外 ,高效藻类塘内的优势藻类的种类和数量以及机械搅拌的强度也影响其处理效果。
高效藻类塘可以去除有机物。通过形成菌藻共生体系对废水进行净化 ,其主要原理是生活在其中的异养xx降解有机污染物 ,将其氧化分解成小分子的Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＮＨ+4、(ＰＯ3)-4等无机物 ,而藻类则以太阳能为能源 ,二氧化碳为碳源 ,利用光合作用吸收xx分解的小分子物质来合成新的藻类细胞 ,并释放氧气 ,以供异养xx降解有机物之用。藻类与xx是相辅相成的 ,因而称为“菌藻共生”。陈鹏在上海的高效藻类塘处理生活污水的中试实验中研究发现在运行期间4～12月,高效藻类塘溶解性COD (DCOD )的平均去除率71 %。
高效藻类塘可以去除氨氮。Ｂpicot等在地中海的气候条件下研究高效藻类塘对营养物的去除效果 ,发现ＮＨ+4-Ｎ去除率可达94%。许春华在上海的气候条件下对高效藻类塘处理氨氮废水的研究发现 ,高效藻类塘对氨氮废水具有较好的去除率。夏末秋初 ,在 18ｄ的停留时间下 ,进水平均浓度为194.3mg/Ｌ的氨氮废水 ,出水浓度可降低到 24.2mg/Ｌ ,去除率达到 87.5%。高效藻类塘对氨氮的去除途径主要通过以下几种方式。水体中的氨氮以ＮＨ+4和ＮＨ3两种形式存在 ,它们之间的比例和水体的 ｐＨ值有关 ,当ｐＨ值为9时 ,40%的氨氮以分子态的ＮＨ3形式存在 ,而当 ｐＨ值为10时 ,则 80%的氨氮以分子态的ＮＨ3形式存在,当ｐＨ值到达 11时 ,几乎全部以分子态的ＮＨ3形式存在]。由于高效藻类塘内的 ｐＨ值较高 ,一般能达到9～11,所以塘内分子态的ＮＨ3形式占的比例较大 ,而且由于搅拌的作用 ,促进了ＮＨ3从水中溢出。在晴朗的夏季 ,当 ｐＨ值为 10? 5 ,水温为 20℃时 ,大于90%的氨氮会从水中吹脱。高效藻类塘内菌藻共生体的生长繁殖需要营养盐 ,以Ｃ106 Ｈ18 1Ｏ45 Ｎ16 Ｐ表示藻类的分子式 ,每合成 1mol的藻类细胞 ,需要16mol的Ｎ ,所以生物同化吸收也是高效藻类塘中氨氮的去除的途径之一。
Ｂpicot通过实验分析得到高效藻类塘内ＮＯ-2-Ｎ和ＮＯ-3-Ｎ浓度很低 ,认为硝化作用可以忽略不计 ,而许春华通过实验分析得到硝化反应是高效藻类塘内去除氨氮的主要途径之一。ＢMMclean认为一般情况下氧化塘内的硝化反应速率较低 ,而形成菌藻体膜能提高其在氧化塘内的反应速率。ＳMuttamara认为在稳定塘内增加隔板能增加氨氮的去除效率 ,但硝化反应的速率并没有提高。
高效藻类塘可以去除磷。磷在自然水体和污水中一般以有机磷 ,聚磷酸盐和正磷酸盐这三种形式存在。正磷酸盐能被水生生物吸收 ,一些生物能以聚磷酸盐的形式贮存过量的磷以备将来利用 ,同时一些磷酸盐也能以沉淀的形式从水中去除。Ｂpicot等研究了在地中海的气候条件下高效藻类塘对营养物的去除效果 ,发现ＰＯ3-4-Ｐ的去除率可达71%。然而由于藻类合成的磷仅占藻类干重的1%,因而生物吸收不是高效藻类塘除磷的主要途径。在活性藻工艺中所去除的磷酸盐中大约超过 90%的部分是通过化学沉淀实现的[16 ]。ＲHRCosta等在研究高速率藻类塘处理养猪废水时发现 ,温度的变化对磷的去除影响不大 ,磷去除主要依靠 ｐＨ值的升高 (超过 8.5) ,形成金属磷酸盐沉淀。
高效藻类塘可以去除大肠菌和寄生虫卵。高效藻类塘对病原菌也有较好的去除率 ,藻类被认为有两种促进xx的方式[12]:一是藻类在进行光合作用的同时不仅传递氧也传递了热能 ,在较高的温度下 ,病原体的寿命极大缩短 ;二是由于藻类在光合作用的过程中消耗了大量的ＣＯ2,而导致水中ｐＨ值升高 ,也缩短了病原菌的寿命。ＦBaileyGreen等研究发现当 ｐＨ值为 9.2时 ,维持24ｈ ,能{bfb}的去除大肠菌和大多数病原菌。ＢELHamori等研究得出去除大肠菌的一级反应动力学常数在高温季节和低温季节分别是 24.73ｄ- 1和 0.97ｄ- 1,塘内BOD的去除先于粪便大肠菌的去除 ,当 50%的BOD被去除时大肠菌的去除速率达到{zd0} ,当总停留时间达到 8.2ｄ时 , 寄生虫卵的去除率可达到 {bfb}。如果主要目的不是去除有机物 ,而是去除病原菌的话 ,Ｐvander .Ｓteen认为 ,减小高效藻类塘中藻类的浓度 ,从而增加塘中太阳的光照强度 ,这对于杀死大肠杆菌是有益的。

藻类应用前景的展望。我国是一个发展中国家 ,水环境污染严重 ,利用高效藻类塘技术处理废水 ,不仅可以改善环境 ,而且可以充分利用生态系统中食物链的结构 ,生产优良饲料和食品 ,具有重大的生态效益、经济效益和社会效益。目前高效稳定塘在巴西、摩洛哥、以色列、法国、美国、南非、比利时、新西兰等国都有研究或应用 ,而在我国还没有该技术的应用实例报道。高效藻类塘处理技术在我国具有广阔的应用前景 ,特别是对于那些需要运行费用和基建费用低 ,工艺管理维护方便和具有相对充足的土地资源的广大农村地区的生活污水的脱氮除磷 ,具有很好的推广应用价值。然而高效藻类塘处理技术目前还有一些问题有待解决 ：1 减小由于季节变化而引起的去除率下降 ,以保证出水水质 ；2　根据废水的特点 ,选育出营养价值高、处理效果好 ,特别是易于收获的优势藻类种属；3　解决藻类塘出水的除藻问题 ,以免引起排放水体藻类的大量繁殖 ；4　高效藻类塘后置水生生物塘时 ,对水生生物塘中的生物的有效合理利用；5　将废水处理和水产养殖相结合 ,既处理废水 ,净化水体 ,又达到改善水产养殖业生态环境的目的。
今后科研工作发展方向：利用藻类技术处理废水、净化富营养水体 ,不仅可以改善环境 ,而且可以充分利用生态系统中食物链的结构 ,生产优良饲料和食品 ,具有重大的生态意义和社会经济效益 ,今后科研上需要解决的问题有 :
（1）根据废水、富营养化水体的特点 ,采用基因工程 ,结合噬藻体的利用 ,选育出营养价值高、处理效果好 ,特别是易于收获的优势藻类种属 ;
（2）采用微生物固定化技术 ,培养、驯化适宜不同类型污染水体的藻菌共生体 ;
( 3)把藻类技术和人工神经网络评价水体富营养化技术相结合 ,根据水体营养元素变化、藻类种群、数量变化确定生物控制手段;
( 4)将藻类处理废水、净化水体技术和水产养殖业相结合 ,既达到净化水体 ,又达到改善水产业生态环境的目的。
未来水质处理将实现藻类、xx (如酵母菌、光合xx等 )、藻病毒 (噬藻体 )、贝类、浮游动物等食物链结构单元于一体 ,利用数学模型、人工神经网络进行生物调控。
参考文献
[1]　廖敏 ,谢正苗 ,王锐等 菌藻共生体去除废水中砷初探。环境污染与防治 , 1997, 19
[2]　王玉庆 影响我国农业持续发展的环境因素 .农村生态环境 , 1998,14（4）
[3]　李志勇 ,郭祀远 ,李琳 利用藻类技术处理有机废水与人畜废物 .农村生态环境 , 1998,14（3）
［4］ Edwards A C, Withers P J A. Soil phosphorus management and water quality: A UK perspective. Soil Use and Management. 1998（14）
［5］ Smith K A, Jackson D R, Withers P J A. Nutrient losses by surface run-off following the application of organic manures to arable land. 1. Nitrogen. Environmental Pollution. 2001, 112
［6］ Paul J A Withers, Eunice I Lord. Agricultural nutrient inputs to rivers and groundwater in the UK : policy, environmental management and research needs. The Science of the Total Environment, 2002, ( 卷期 ) 282~283
[7]　韩仕群 ,张振华等 .国内外利用藻类技术处理废水、净化水体研究现状 [J] 。农业环境与发展 , 2000, 63( 1)
[8]　张国治等 藻类对沼液中氮、磷去除作用的初步研究 [J]。中国沼气 , 1997, 15( 4)
[9]　陈　鹏 ,周　琪 高效藻类氧化塘处理有机废水的研究和应用[J]。上海环境科学 ,2001,20( 7)
[10]　许春华 ,周　琪 高效藻类塘的研究与应用[J]。环境保护 ,2001,( 8)
[11]　许春华 高效藻类塘系统处理氨氮废水的研究[D。上海 同济大学硕士论文 ,2002.
[12]　陈　鹏 高速率藻类塘处理城市污水的研究[D]。上海 同济大学硕士论文 ,2001.