1 引言 利用微藻進(jìn)行污水處理的歷史追溯已久. 早在20世紀(jì)50年代，Oswald等就提出利用微藻處理污水的設(shè)想. 此后，以藻-菌共生體系和高效藻類塘為代表的懸浮生長藻類塘系統(tǒng)在分散式污水處理中得到了廣泛的工程應(yīng)用. 但這類系統(tǒng)因占地面積大、處理效果不穩(wěn)定等局限性，一直未能成為污水處理的主流工藝. 近年來，在市政污水處理廠深度凈化需要以及渴望從污水中獲得生物柴油的驅(qū)動下，微藻污水處理在世界范圍內(nèi)重獲新生.
微藻生長過程需要大量吸收氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)元素，可直接降低二/三級出水中N、P等污染物的含量. 通過固定二氧化碳(CO2)、產(chǎn)生氧氣(O2)、提高pH等間接作用，微藻還能創(chuàng)造出有效去除水中殘留有機(jī)物和病原性微生物的環(huán)境條件. 此外，微藻也具有吸附重金屬等有害物質(zhì)的能力. 因此，微藻具有成為污水深度凈化技術(shù)的良好潛力. 在污水二/三級處理中，去除營養(yǎng)元素的常見藻種包括: ①綠藻門的小球藻(Chlorella)、葡萄藻(Botryococcus)、柵藻(Scenedesmus)和微綠球藻(Nannochloris)等，其中尤以小球藻(Chlorella)和柵藻(Scenedesmus)的研究報道為多;②藍(lán)藻門的節(jié)旋藻屬(Arthrospira sp.)、顫藻屬(Oscillatoria sp.)和席藻屬(Phormidium);③硅藻門的三角褐指藻(P. tricornutum)等.以上種屬的N、P去除效果可參見Cai等的綜述文章. 在藻種選擇的基礎(chǔ)上，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)(反應(yīng)器)的構(gòu)建是實現(xiàn)微藻污水處理工程化應(yīng)用的關(guān)鍵. 按微藻的生長方式不同，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)可分為懸浮培養(yǎng)和附著培養(yǎng)兩大類. 懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)可進(jìn)一步分為開放式和封閉式兩類：①開放式系統(tǒng)主要指各類塘系統(tǒng)，典型的如高效藻類塘和跑道式藻類塘等;②封閉式系統(tǒng)主要指各類光生物反應(yīng)器，分為管式(垂直、水平、螺旋)、圓柱式、薄板式和袋式等. 附著式系統(tǒng)包括光生物膜(平板)反應(yīng)器和藻細(xì)胞固定化. 考慮到污水處理的實際情況(水量大，建造、運(yùn)行成本等)，開放培養(yǎng)系統(tǒng)仍將是微藻污水處理的主流反應(yīng)器構(gòu)型.
如上所述，藻細(xì)胞用于生產(chǎn)生物柴油是微藻污水處理重獲新生的主要驅(qū)動力之一. 通過微藻生產(chǎn)生物柴油具有其他任何產(chǎn)油作物無法比擬的優(yōu)勢：①藻細(xì)胞的光合效率高，生長速度快、周期短，其產(chǎn)油量為47000~190000 L · hm-2 · a-1，是農(nóng)作物的7~30倍;②生物質(zhì)燃油熱值高，平均達(dá)33 MJ · kg-1，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍;③不需占用農(nóng)業(yè)用地;④生物質(zhì)(藻細(xì)胞)生產(chǎn)和加工成本低，尤其是以污水為底物進(jìn)行藻細(xì)胞培養(yǎng)時. 有鑒于此，美國、歐洲、澳大利亞、日本、臺灣等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都已將微藻培養(yǎng)作為實現(xiàn)污水生態(tài)處理和可再生能源生產(chǎn)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo). 常見的產(chǎn)油藻種及其油脂含量文獻(xiàn)已述及. 工業(yè)上以產(chǎn)油為目的的微藻培養(yǎng)一般采用封閉式光生物反應(yīng)器，并且往往采用純培養(yǎng)或單株培養(yǎng)的方式. 當(dāng)結(jié)合污水處理目標(biāo)時，因巨大的水量及污水中復(fù)雜的成分(尤其是其中包含的混合種屬)，以上培養(yǎng)方式將很難維持.
近年來，國內(nèi)外學(xué)者在開發(fā)微藻污水深度凈化和可再生能源生產(chǎn)潛力方面進(jìn)行了大量研究;在污水凈化機(jī)理、藻種篩選、反應(yīng)器設(shè)計、工藝條件控制及藻細(xì)胞加工利用等方面都取得了積極的進(jìn)展. 然而，無論從污水凈化本身，還是能源生產(chǎn)來說，藻細(xì)胞的分離、采收都一直是一個懸而未決的基礎(chǔ)性技術(shù)難題. 微藻細(xì)胞一般小于30 μm，帶負(fù)電荷，密度接近于水，這些特性使得藻細(xì)胞在水中往往處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，很難像活性污泥那樣通過重力沉淀而實現(xiàn)自然分離. 結(jié)果，藻細(xì)胞會隨處理水大量流失，不僅二次污染處理水，而且導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)生物量難以大量維持(一般僅為0.2~0.6 g · L-1). 低的培養(yǎng)密度導(dǎo)致去除效率低下，使得處理效果穩(wěn)定性較差. 對此，往往需降低處理負(fù)荷，同時采用較長的水力停留時間(HRT)，進(jìn)而導(dǎo)致占地面積加大. 目前普遍應(yīng)用的藻類塘系統(tǒng)HRT一般為2~6 d，當(dāng)量人口占地一般>10 m2.顯然，其占地面積要比二/三級污水處理主體單元還要龐大許多，這在用地緊張的城市中是很難被接受的.
從能源生產(chǎn)角度看，滿足工業(yè)利用要求的藻細(xì)胞原料其最佳生物量應(yīng)達(dá)到300~400 g · L-1(干質(zhì)量). 因此，常規(guī)培養(yǎng)下的藻液需濃縮1 000倍以上后方能在工業(yè)上加以利用. 這一高能耗的分離、濃縮過程是微藻能源生產(chǎn)中的主要能耗成本(占微藻生物質(zhì)生產(chǎn)總成本的20%~50%.過高的生產(chǎn)成本使得藻類生產(chǎn)生物柴油與化石燃料相比仍處于劣勢.
可見，藻細(xì)胞分離、采收困難是限制微藻技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的重要瓶頸. 微藻分離、采收常用的方法包括離心法、過濾法(包括膜濾)、氣浮法、直接重力沉降法和絮凝法等.離心法是快速、可靠的分離采收方法. 但由于其極高的能耗和投資運(yùn)行成本，在目前技術(shù)條件下并不具備大規(guī)模工程應(yīng)用的潛力.過濾法僅在分離絲狀藻時能耗和成本較低; 對于非絲狀藻極易形成膜污染，能耗和運(yùn)行成本很高，不能滿足高效、低成本采收的要求.氣浮法僅適用于采收單細(xì)胞藻類，在污水混合培養(yǎng)的條件下不能普遍適用; 此外，由于要產(chǎn)生大量的微小氣泡，其投資和運(yùn)行成本/能耗亦很高，甚至可能高過離心法.直接重力沉降法是成本最為低廉的分離、采收方法. 但其耗時長，分離效果和可靠性最差.
絮凝法是分離水中粗分散和膠體物質(zhì)應(yīng)用最為廣泛的方法，在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)用于微藻的分離采收.懸浮藻液經(jīng)絮凝后能實現(xiàn)高效重力沉淀分離; 分離的藻細(xì)胞能直接被截留在反應(yīng)器內(nèi)，達(dá)到維持高生物量和保障出水水質(zhì)的目的. 從單純的藻細(xì)胞采收角度來說，絮凝法是處理大量稀藻液時最為經(jīng)濟(jì)、可行的方法. 雖然藻細(xì)胞經(jīng)絮凝沉淀后還不能直接達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求，但已能顯著降低后續(xù)濃縮過程的能耗和成本. 因此，絮凝法已被視為實現(xiàn)微藻大規(guī)模分離采收的最佳方法. 根據(jù)是否需要添加絮凝劑可分為“外加絮凝劑法”和“自發(fā)性絮凝法”兩大類. 其中，外加絮凝劑法根據(jù)所使用的絮凝劑種類又可分為無機(jī)絮凝劑法、有機(jī)高分子絮凝劑法和生物絮凝劑法. 自發(fā)性絮凝按照發(fā)生機(jī)理可進(jìn)一步分為高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝和胞外聚合物(EPS)引起的自發(fā)性絮凝.
本文將從對微藻表面特性和絮凝機(jī)理的簡要介紹出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)各種絮凝分離方法的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)而對各種方法進(jìn)行綜合比較，以期最終明確微藻絮凝分離的發(fā)展方向.
2 微藻表面特性和絮凝機(jī)理
2.1 微藻懸浮液聚集穩(wěn)定性的理論框架
擴(kuò)展DLVO(XDLVO)理論是膠體化學(xué)中描述膠體穩(wěn)定性的經(jīng)典理論之一，已成功應(yīng)用于描述活性污泥系統(tǒng)微生物細(xì)胞間的粘附聚集(絮凝)過程.最近研究證實，該理論同樣適應(yīng)于描述微藻懸浮液中藻細(xì)胞的聚集過程. 在XDLVO理論中，膠粒間的相互作用主要考慮了以下3種非共價鍵的相互作用力：①范德華力(Lifshitz-van der Waals interaction)，它是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶極力之和; ②靜電力(Electrostatic interaction)，源自膠粒表面所帶電荷的靜電相互作用; ③Lewis酸-堿水合作用力(Lewis acid-base interaction)，源自極性組分間的電子轉(zhuǎn)移. 膠粒間的總表面位能(GTOT(d))為以上作用力的位能之和：
式中，GLW(d)為范德華作用力位能，GEL(d)為靜電作用力位能，GAB(d)為Lewis酸-堿水合作用力位能.(d)表示作用力的大小和性質(zhì)為膠粒間距的函數(shù). 理論上，GTOT(d)>0則膠粒間相互排斥，處于聚集穩(wěn)定狀態(tài); GTOT(d)<0則膠粒相互聚集.典型的總位能曲線一般包含兩個低位穴能(膠粒間距由遠(yuǎn)及近分別為第二低位穴能Em2和第一低位穴能Em1)，兩者之間存在一斥力能峰(Eb). 當(dāng)膠粒相互靠近，到達(dá)第二低位穴能點(Em2)時，膠粒間處于一種可逆的粘附狀態(tài);外界條件稍有變化則粘附的膠粒又將相互分離，是一種不牢固的粘結(jié)狀態(tài). 只有膠粒的動能足夠大，足以克服斥力能峰到達(dá)第一低位穴能(EEm1)時才能形成牢固的粘結(jié)狀態(tài)，即發(fā)生絮凝.
2.2 藻細(xì)胞表面特性與聚集穩(wěn)定性
決定總表面位能(式(1))的3種基本作用力中，范德華力一般表現(xiàn)為引力，其大小取決于膠粒間距、單位體積內(nèi)的粒子數(shù)量和和粒子的極化率等. 而靜電力和Lewis酸-堿水合作用力的性質(zhì)和大小則取決藻細(xì)胞的表面電勢和親/疏水性等表面特性.
2.2.1 表面電勢
藻細(xì)胞表面覆蓋著一層復(fù)雜的EPS，其主要成分為碳水化合物(EPSC)和蛋白質(zhì)(EPSP)，其他成分包括腐殖質(zhì)(Humus-like Substances)、核酸(Nucleic Acids)、糖醛酸(Uronic Acids)等. 這些成分導(dǎo)致藻細(xì)胞表面富集了大量羧基(—COOH)和氨基(—NH2)等功能團(tuán). 這些功能團(tuán)隨體系pH不同能接收或失去質(zhì)子(H+)，由此形成表面電荷及電勢. 例如: 當(dāng)體系處于低pH條件時，羧基和氨基都將接收H+(質(zhì)子化，protonation)，形成正的表面電荷;相反，當(dāng)體系處于高pH條件時，羧基將失去H+(去質(zhì)子化，deprotonation)，形成負(fù)的表面電荷;在特定pH條件下，可以形成羧基失H+而氨基得H+的情況，表面凈電荷為零，即等電點. 對于微藻，其等電點一般在pH=3. 而實際微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的pH一般在7以上. 所以，藻細(xì)胞一般帶負(fù)電，即式(1)中的靜電作用力項表現(xiàn)為斥力.
膠粒表面電勢無法直接測量，只能測量出膠粒的Zeta電位后通過計算間接得出. Zeta電位是膠粒雙電層結(jié)構(gòu)中滑動面與水溶液之間的電位差，是表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo). Zeta電位絕對值越高，膠粒之間的排斥力越大，體系越穩(wěn)定.實際培養(yǎng)條件下藻類的Zeta電位一般在-35~-15 mV之間. 因此，藻細(xì)胞間的靜電斥力一般較大，是藻細(xì)胞在水溶液中保持聚集穩(wěn)定性的主要原因.
2.2.2 親/疏水性
藻細(xì)胞的表面親/疏水性決定了式(1)中Lewis酸-堿水合作用力的性質(zhì)和大小，具體有如下規(guī)律: 疏水性藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為引力; 親水性藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為斥力; 親水和疏水藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力性質(zhì)則取決于藻細(xì)胞的相對親/疏水程度，可為引力或斥力; 親/疏水程度越高，Lewis酸-堿水合作用力的值越大. 以上規(guī)律可通俗地理解為疏水細(xì)胞在水溶液中將受到水分子的“排斥”作用，因而細(xì)胞間有相互團(tuán)聚(吸引)的趨勢; 而親水細(xì)胞則各自受到水分子的“吸引”，因而細(xì)胞間有分散在水溶液中的趨勢(相互排斥). 藻細(xì)胞間的靜電斥力一般大于范德華引力，因此在沒有外加絮凝劑消除靜電斥力的情況下，Lewis酸-堿水合作用力(表面親/疏性)的性質(zhì)和大小對微藻懸浮液的聚集穩(wěn)定性就具有決定性的影響，例如: 親水性藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力為斥力，因此該類藻細(xì)胞懸浮液總是能保持聚集穩(wěn)定性; 只有Lewis酸-堿水合作用力為引力時(疏水藻細(xì)胞之間及特定親水-疏水藻細(xì)胞組合)，微藻懸浮液才有可能發(fā)生絮凝. 細(xì)胞親/疏水性取決于其表面功能團(tuán): 表面富含長鏈烴類的微藻種屬(如，葡萄藻屬)表現(xiàn)為疏水性，因為長鏈烴類主要包含甲基和亞甲基等疏水基團(tuán)，而羥基和羧基等親水基團(tuán)只占很小一部分; 表面富含糖醛酸、中性糖和葡糖胺等成分的微藻種屬(如小球藻)則表現(xiàn)為親水性，因為這些成分能形成大量羥基、羧基和氨基等親水基團(tuán).
2.3 絮凝機(jī)理
根據(jù)上述XDLVO理論，微藻絮凝的基本原理就是要通過降低/消除靜電斥力(Zeta電位)，使Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為引力等措施消除/降低藻細(xì)胞之間表面能的排斥能峰，使藻細(xì)胞能相互靠近到達(dá)第一低位穴能，從而緊密地粘結(jié)在一起形成絮體. 其中，外加無機(jī)絮凝劑的主要作用機(jī)理就是中和藻細(xì)胞表面的電負(fù)性，降低/消除靜電斥力. 外加高分子有機(jī)絮凝劑則主要通過吸附架橋原理起作用: 鏈狀高分子物質(zhì)(少數(shù)情況也可能是無機(jī)絮凝劑形成的大膠粒)在靜電引力、范德華力和氫鍵力的作用下，一端吸附了某一膠粒后，另一端又吸附了另一膠粒，從而把不同的膠粒連接起來而形成絮體(圖 1). 生物絮凝劑和EPS誘導(dǎo)的自絮凝則可能是通過Lewis酸-堿水合作用力中的疏水引力及吸附架橋原理的綜合作用實現(xiàn)絮凝. 最后，投加絮凝劑形成的沉淀物和絮體等還可通過網(wǎng)捕和卷掃等物理作用進(jìn)一步促進(jìn)藻細(xì)胞的絮凝沉降.
圖 1 吸附架橋作用示意圖
3 外加絮凝劑法
3.1 無機(jī)絮凝劑 3.1.1 無機(jī)絮凝劑的種類和作用機(jī)理
以鐵鹽和鋁鹽為代表的多價金屬鹽類和聚合金屬鹽類是傳統(tǒng)水處理中應(yīng)用最為廣泛的絮凝劑，也是微藻絮凝中應(yīng)用最早的外加絮凝劑. 典型絮凝劑包括：硫酸鋁，硫酸亞鐵，氯化鐵，聚合氯化鋁，聚合硫酸鋁，聚合硫酸鋁鐵，聚合氯化鋁鐵，聚合硫酸氯化鋁鐵等(Sanyano et al., 2013; 張亞杰等，2010; 雷國元等，2007).
金屬鹽類絮凝劑主要是通過電性中和作用破壞藻細(xì)胞的聚集穩(wěn)定性. Al3+、Fe3+等游離陽離子及其各種帶正電荷的水解產(chǎn)物能中和藻細(xì)胞表面所帶的負(fù)電荷，從而促進(jìn)藻細(xì)胞碰撞聚集形成絮體，發(fā)生絮凝沉淀.此外，Al3+，F(xiàn)e3+等金屬鹽還能形成[Al(OH)3]n、[Fe(OH)3]n等聚合體，以吸附架橋形式作用于藻細(xì)胞. 在特定pH下，這些金屬鹽類還可形成大量Al(OH)3及Fe(OH)3等沉淀物，以網(wǎng)捕卷掃作用促進(jìn)微藻的絮凝沉降. 聚合金屬鹽類絮凝微藻的主要機(jī)理則是吸附架橋作用，同時也有電性中和及網(wǎng)捕卷掃作用.
3.1.2 無機(jī)絮凝劑的絮凝效果和影響因素
表 1總結(jié)了幾種典型無機(jī)絮凝劑在微藻分離采收中的絮凝條件及效果. 由于各研究采用了不同的計量基準(zhǔn)(如，生物量以細(xì)胞個數(shù) · mL-1或mg · L-1計)及不同的藻種和絮凝條件，無法直接進(jìn)行橫向比較，但仍可以總結(jié)出一些要點：①鋁鹽、鐵鹽等多價金屬絮凝劑在合適的條件下都可有效絮凝(>80%)常見的微藻種屬;對于典型的稀藻液(濃度～0.5 g · L-1)，藥劑投加量一般要達(dá)幾百mg · L-1藻液. ② 鋁鹽比鐵鹽的絮凝效率更高;金屬氯化物比金屬硫酸鹽的絮凝效率更高;這反映在達(dá)到類似絮凝效果，鋁鹽和金屬氯化物的投加量更小且所需絮凝時間更短. ③聚合金屬鹽類比非聚合金屬鹽類的混凝效率高，且在更廣的pH值范圍內(nèi)有效.
表 1 無機(jī)絮凝劑在微藻分離采收中的絮凝條件與效果
影響無機(jī)絮凝劑絮凝效率的因素主要有：絮凝劑的種類、pH、藻液濃度和投加量等. 絮凝劑種類對絮凝效果的影響在上文已有所論述. 一般而言絮凝劑所帶的電荷密度越高，絮凝效果越好;這正是鋁鹽、鐵鹽的絮凝效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鈣、鎂和銨離子的原因所在. 此外，絮凝劑的水溶性也對其絮凝效果有顯著影響，如：氯離子的水溶性好于硫酸根，所以金屬氯化物的絮凝效果要好于金屬硫酸鹽.水溶性效應(yīng)還可以解釋摩爾質(zhì)量對絮凝效果的影響，如：盡管Fe3+和Al3+ 一樣帶正3價電荷，但鐵離子的摩爾質(zhì)量大于鋁離子;摩爾質(zhì)量越大，水溶性越差;所以鐵鹽的絮凝效率要低于鋁鹽.鋁鹽的絮凝效果對pH高度敏感，最佳pH為4~5，這是因為在此pH條件下鋁的水解產(chǎn)物以帶正電的多核羥基配合物形式存在且最穩(wěn)定;中性條件下，鋁的水解產(chǎn)物以Al(OH)3沉淀為主;pH>8.5時，水解產(chǎn)物將以帶負(fù)電的[Al(OH)4]-為主，無法形成有效絮凝. 一定范圍內(nèi)絮凝效果與絮凝劑的投加量成正比; 但過量投加會使膠粒吸附過多的反離子，重新帶電而再次穩(wěn)定; 因此絮凝劑使用存在一個最佳投加量，這是絮凝分離中早已得到深入分析的典型現(xiàn)象. 但最佳投加量隨藻液濃度的變化規(guī)律文獻(xiàn)中還存在不統(tǒng)一之處：一般而言所需絮凝劑的投加量隨藻液濃度的升高而線性增加，這符合電性中和的絮凝機(jī)理.然而，Garzon-Sanabria等在使用氯化鋁絮凝微綠球藻(Nannochloris oculata)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藻液濃度很高時，達(dá)到同樣絮凝效果的投加量卻數(shù)倍地低于稀藻液. Wyatt等在用氯化鐵絮凝小球藻(Chlorella zofingiensis)時也得出了類似的結(jié)論.其原因很可能是在高藻液濃度時形成了顯著的網(wǎng)捕和卷掃作用. 最后，最新研究表明微藻代謝產(chǎn)生的有機(jī)物(Algogenic Organic Matter，AOM)對絮凝過程有顯著的抑制作用，其存在將成倍地增加絮凝劑投加量，這將顯著增加絮凝成本并對藻細(xì)胞的后續(xù)加工利用造成負(fù)面影響.
3.2 有機(jī)高分子絮凝劑法
3.2.1 種類與作用機(jī)理
有機(jī)高分子絮凝劑在微藻分離采收中亦很早便得到了應(yīng)用.目前商業(yè)化的有機(jī)高分絮凝劑主要為人工合成，以聚丙烯酰胺(Polyacrylamide)為代表. 近年來，天然高分子有機(jī)絮凝劑，如，殼聚糖(Chitosan)、陽離子淀粉(Cationic Starch)和纖維素等得到了越來越多的關(guān)注.有機(jī)高分子絮凝劑的作用機(jī)理主要為吸附架橋作用. 因藻細(xì)胞帶負(fù)電的表面特性，高效的高分子絮凝劑必須為陽離子型的. 陰離子及非離子型的聚合高分子單獨(dú)使用時不能使微藻發(fā)生有效絮凝. 除架橋作用外，陽離子型高分子絮凝劑還可能局部逆轉(zhuǎn)藻細(xì)胞表面的電負(fù)性，使其某些部位帶負(fù)電而另一部位帶正電;從而使不同的藻細(xì)胞能直接通過靜電引力結(jié)合在一起，形成所謂的靜電互補(bǔ)聚集(Electrostatic Patch Aggregation).以下介紹幾種代表性的有機(jī)高分子絮凝劑.
a. 聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺分子量在400~2000萬之間，具有陽性基團(tuán)(—CONH2). 該基團(tuán)既是親水基團(tuán)，又是吸附基團(tuán)，所以能對微藻產(chǎn)生吸附電中和及架橋作用. 除橋連作用外，聚丙烯酰胺還有包絡(luò)作用. 發(fā)生橋連和包絡(luò)的高分子能形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過卷掃網(wǎng)捕作用使微藻沉降分離.
b. 殼聚糖
殼聚糖是對甲殼素進(jìn)行脫乙酰基而得到的，是少數(shù)陽離子型的天然高聚物. 其結(jié)構(gòu)單元是2-氨基-2脫氧葡萄糖，通過β-1-4糖苷鍵連接起來(圖 2). 在酸性條件下，殼聚糖分子鏈上所帶的大量氨基以帶正電荷的胺離子形式存在，能中和藻細(xì)胞的電負(fù)性，同時借助高分子鏈的吸附架橋作用使藻體絮凝沉降. 當(dāng)溶液呈現(xiàn)堿性時，殼聚糖表面所帶胺基非離子化或呈弱負(fù)電性，從而降低了其絮凝效率
圖 2 殼聚糖結(jié)構(gòu)
c. 陽離子淀粉
陽離子淀粉是在淀粉骨架中引入季銨基團(tuán)，這樣就使得淀粉呈正電性. 又因淀粉分子固有的聚合結(jié)構(gòu)，使陽離子淀粉具有電性中和及吸附架橋的雙重作用.陽離子淀粉和殼聚糖一樣，也具有無毒、無污染、可生物降解的特點. 與殼聚糖比較而言，陽離子淀粉原料價格更低，更容易獲得. 最為顯著的是其季胺基團(tuán)不受pH的影響，從而使其可在很寬的pH值范圍內(nèi)適用.
3.2.2 絮凝效果與影響因素
表 2列出了幾種典型有機(jī)高分子絮凝劑在微藻分離采收中的絮凝條件與效果. 表 2顯示，聚丙烯酰胺雖然是水處理中應(yīng)用最成熟的高分子絮凝劑，但其對微藻的絮凝效率卻并不理想; 在相對較高的投加量下(20~80 mg · L-1藻液)也僅能實現(xiàn)50%左右的絮凝效果. 這可能是因為其電荷密度較低所致. 因此對聚丙烯酰胺進(jìn)行改性是一個重要的研究方向，即，通過在聚丙烯酰胺上引入胺類分子，生成季胺型陽離子以進(jìn)一步提高絮凝效率和適用范圍. 此外，Chen等認(rèn)為聚丙烯酰胺的高分子鏈展開程度不足是導(dǎo)致其絮凝效果不佳的原因.因此，從結(jié)構(gòu)上對聚丙烯酰胺進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)高分子鏈的展開程度也是強(qiáng)化其絮凝效果的方向之一.
表 2 有機(jī)高分子絮凝劑在微藻分離采收中的絮凝條件及效果
殼聚糖和陽離子淀粉對淡水藻類都有非常高的絮凝效率: 一般在10~30 mg · L-1藻液的投加量下就可以達(dá)到80%以上的絮凝效果; 對于個別藻種甚至在1 mg · L-1左右的投加量下就能達(dá)到90%以上的絮凝效果. 這比達(dá)到同樣絮凝效果的無機(jī)絮凝劑投加量(表 1)要低一個數(shù)量級以上. 其原因主要是高分子絮凝劑具有顯著的吸附架橋作用，因此可以在藻細(xì)胞負(fù)電性遠(yuǎn)未被中和的情況下(Zeta電位<<0)就實現(xiàn)高效絮凝.
影響高分子絮凝劑絮凝效果的主要因素有：摩爾質(zhì)量、電荷密度、投加量、藻細(xì)胞濃度、離子強(qiáng)度/鹽度、pH和攪拌強(qiáng)度等. 摩爾質(zhì)量較高的高分子絮凝劑具有更多的吸附架橋結(jié)合點，因此一般具有更好的絮凝效果. 電荷密度高的高分子絮凝劑具有更強(qiáng)的電性中和能力; 此外，高的電荷密度還有助于高分子鏈的充分展開，增強(qiáng)架橋能力. 投加量不足，絮凝效果不充分; 但投加過量，又會對膠粒起到穩(wěn)定保護(hù)作用; 這與無機(jī)絮凝劑中最佳投加量的概念一致. 高的藻細(xì)胞濃度使顆粒間的碰撞更加頻繁，在一定范圍內(nèi)將促進(jìn)絮凝作用. 與無機(jī)絮凝劑相比，陽離子型高聚物的一個特點是，高的離子強(qiáng)度/鹽度對其絮凝效果有顯著的抑制作用.這是因為在高離子強(qiáng)度/鹽度情況下，陽離子型高聚物有團(tuán)聚在一起的趨勢，架橋作用將顯著減弱. 這使其在采收海洋微藻時受到限制. 殼聚糖一般在酸性條件下絮凝效果才顯著，這往往超出了微藻培養(yǎng)體系的正常pH范圍，從而限制了其應(yīng)用. 而陽離子淀粉基本不受pH影響，在pH 5~10的范圍內(nèi)都能維持+15 mV左右的Zeta電位，具有普遍的適用性. 低速攪拌對形成大的絮體有利; 過強(qiáng)的攪拌將破壞已形成的絮體.
3.3 生物絮凝劑法
生物絮凝劑(Bioflocculant)是近幾年微藻絮凝的研究熱點之一. 生物絮凝劑一般是指微生物代謝活動中產(chǎn)生的具有絮凝效果的胞外聚合物(EPS). 細(xì)菌、真菌和放線菌都是能產(chǎn)生生物絮凝劑的常見微生物. 生物絮凝劑在微藻采收中的具體應(yīng)用方式主要包括以下幾種：①投加絮凝微生物的混合培養(yǎng)液(微生物細(xì)胞+培養(yǎng)液);②菌-藻混合培養(yǎng)(需在微藻培養(yǎng)系統(tǒng)添加有機(jī)碳源);③絮凝微生物的胞外抽取液(離心后的上清液)作為絮凝劑;④分離純化后的胞外提取物作為絮凝劑;⑤直接投加絮凝微生物細(xì)胞作為絮凝劑.
表 3總結(jié)了各種生物絮凝劑在微藻絮凝分離中的應(yīng)用情況. 表 3顯示，生物絮凝劑的絮凝效率亦很高，一般在投加量為10~30 mg · L-1藻液時便可達(dá)到>80%的絮凝效果，作用明顯好于無機(jī)絮凝劑(表 1). 但在絮凝效果的影響因素上卻存在不少相互矛盾之處. 一些研究顯示絮凝效果會隨pH升高明顯加強(qiáng)，但也有研究顯示絮凝效果基本不受pH影響;多數(shù)研究表明，多價陽離子能顯著促進(jìn)絮凝甚至是形成絮凝的必要條件，但在少數(shù)研究中多價陽離子對絮凝效果基本沒影響;Lee等顯示絮凝微生物利用不同碳源產(chǎn)生的絮凝劑絮凝效果基本一致，而Wang等以不同碳源為底物產(chǎn)生的生物絮凝劑絮凝效果迥異. 這些矛盾可能是各種生物絮凝劑在種類、組成及絮凝機(jī)理上的不同而導(dǎo)致的.
表 3 各種生物絮凝劑在微藻分離采收中的應(yīng)用
在絮凝機(jī)理上，絕大部分文獻(xiàn)中只考慮了靜電作用力，把生物絮凝歸結(jié)于吸附架橋作用，具體又可細(xì)分為以下兩種機(jī)制：①長鏈EPS在不同部位吸附多個帶負(fù)電的藻細(xì)胞形成架橋作用(Bridging); ②短鏈EPS在局部逆轉(zhuǎn)藻細(xì)胞的電負(fù)性，從而形成所謂的靜電互補(bǔ)效應(yīng)(Patching)(圖 3). 這一理論的基礎(chǔ)是將生物絮凝劑(EPS)默認(rèn)為陽離子型高聚物. 但如2.2.1節(jié)所述，EPS在中性及堿性條件下本身是帶負(fù)電的. 那么，生物絮凝劑是如何實現(xiàn)陽離子化的呢?一個相對成熟的理論為二價陽離子架橋理論(Divalent Cation Bridging(DCB)Theory)，可結(jié)合圖 4說明如下: EPS本身具有多個帶負(fù)電的活性部位，這使其能強(qiáng)烈吸附環(huán)境中的二價陽離子. 被吸附的二價陽離子所帶正電荷只被EPS中和了一半，所以能另外吸附一個帶負(fù)電的藻細(xì)胞. 由此，多個藻細(xì)胞通過二價陽離子的架橋作用連接在EPS上，形成大的絮體. 這一理論能很好地解釋為什么多價陽離子對生物絮凝具有顯著的強(qiáng)化作用甚至是絮凝形成的必要條件. 這一理論也能解釋絮凝效果隨pH升高而增強(qiáng)的現(xiàn)象: pH升高，EPS電負(fù)性增強(qiáng)，吸附二價陽離子的能力增強(qiáng)，所以架橋作用增強(qiáng). 但如上所述，在部分研究中陽離子的存在對絮凝效果根本就沒有影響. 這就無法用DCB理論解釋了. DCB理論最根本的缺陷在于，理論上應(yīng)該是所有帶負(fù)電的EPS都能通過二價陽離子的架橋作用形成絮凝. 但這顯然是與事實不符的. 這一問題將在4.3節(jié)部分得到進(jìn)一步討論.
圖 3 生物絮凝劑的絮凝機(jī)理
圖 4 二價陽離子架橋原理
4 微藻自發(fā)性絮凝
4.1 概述
微藻有時能在沒有添加任何絮凝劑的情況下發(fā)生絮凝，這一現(xiàn)象被稱為自發(fā)性絮凝(Auto-flocculation).Golueke和Oswald首先描述了這一現(xiàn)象. 他們發(fā)現(xiàn)：藻類塘中的微藻在溫度較高且光線充足的時候能自然地形成絮體.此后，很多學(xué)者都證實了類似現(xiàn)象的存在并開展了相關(guān)研究. 目前形成的基本共識為，微藻自發(fā)性絮凝是由兩種不同機(jī)理引發(fā)的：
(1)在高pH下，鈣、鎂等離子形成帶正電的沉淀物，起到電性中和作用從而引發(fā)絮凝. 文獻(xiàn)中的自發(fā)性絮凝一般即指此類. 高pH可以是由微藻光合作用消耗水中無機(jī)碳(Inorganic Carbon，IC)自然形成，也可通過人工添加堿性物質(zhì)(石灰，氫氧化鈉等)而形成. 嚴(yán)格來說，只有前者才符合自發(fā)性絮凝的定義. 但考慮到兩者的實質(zhì)都是形成帶正電的沉淀物，本文在此將兩者一并納入高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝范疇.
(2)部分藻種在其生理活動中能產(chǎn)生大量具有絮凝作用的胞外聚合物，起到生物絮凝劑的作用(參見3.3節(jié)部分)從而引發(fā)絮凝. 高效藻類塘中常見的集星藻屬(Actinastrum)、微芒藻屬(Micractinium)、柵藻屬(Scenedesmus)、空星藻屬(Coelastrum)、盤星藻屬(Pediastrum)及膠網(wǎng)藻屬(Dictyosphaerium)等常通過該機(jī)理形成大的群落結(jié)構(gòu)(50~200 μm)而得以自然沉降. 文獻(xiàn)中常將其歸為生物絮凝一類(參見3.3節(jié)部分). 因為該情況下的生物絮凝劑為藻細(xì)胞自身所產(chǎn)生，本文在此也將其納入自發(fā)性絮凝并定義為EPS引起的自發(fā)性絮凝.
4.2 高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝
如上所述，高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝其實質(zhì)為所生成的帶正電沉淀物的電性中和作用. 因此，誘導(dǎo)此類自發(fā)性絮凝的關(guān)鍵就是明確在微藻正常培養(yǎng)條件下所能形成的沉淀物種類和性質(zhì). 污水中一般含有大量的鈣、鎂、碳酸根和磷酸根等離子，在堿性條件下比較容易形成的沉淀物主要包括：磷酸鈣，氫氧化鎂和碳酸鈣. 大量研究證實，碳酸鈣本身帶負(fù)電，最多只能通過網(wǎng)捕和卷掃作用實現(xiàn)非常有限的絮凝效果. 磷酸鈣和氫氧化鎂帶正電，理論上都可誘導(dǎo)自發(fā)性絮凝. 但兩者形成的具體條件差別較大，以致文獻(xiàn)中的結(jié)論常常容易引起誤解. 為此，以下予以詳述.
Sukenik和Shelef首次定量、系統(tǒng)性地研究了高pH下的微藻自絮凝現(xiàn)象，結(jié)論性認(rèn)為，磷酸鈣是誘導(dǎo)自絮凝的關(guān)鍵沉淀物. 他們的試驗包括兩部分：①戶外培養(yǎng)系統(tǒng)(二形柵藻，Scenedesmus dimorphus)的自絮凝試驗: 采用間歇培養(yǎng)，周期為8 d; 前7 d連續(xù)通入CO2使pH維持在7.0; 第8天停止CO2供應(yīng)和攪拌，監(jiān)測絮凝效果和相關(guān)水質(zhì)參數(shù)(pH，TSS，PO43--P，Ca2+，Mg2+，堿度)的變化情況. ②室內(nèi)絮凝試驗(Jar Test): 取處于對數(shù)增長期的二形柵藻和小球藻置于和戶外培養(yǎng)系統(tǒng)相同的培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH為2.5～10.5進(jìn)行絮凝試驗(80 r · min-1 1 min，30 r · min-1 15min，沉淀15 min)，監(jiān)測絮凝效果和相關(guān)水質(zhì)參數(shù)變化. 戶外培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)停止CO2供應(yīng)和攪拌24 h后，體系pH迅速升至8.9，PO43--P、Ca2+同步降低，高效絮凝(96%)形成，而Mg2+維持不變(表 4). 由此初步證明，自發(fā)性絮凝是由高pH下的磷酸鈣沉淀誘導(dǎo)的. 室內(nèi)絮凝試驗結(jié)果顯示：pH 5.0～7.5時無絮凝發(fā)生. pH>8.5后形成了高效絮凝(～98%)，與戶外試驗結(jié)果一致. 進(jìn)一步試驗顯示，在PO43--P為6.2 mg · L-1的情況下，Ca2+(2.0 mmol · L-1)在pH≥8.5時就能生成沉淀并引發(fā)絮凝;而Mg2+(2.0 mmol · L-1)要在pH≥10.5后才能生成沉淀進(jìn)而引發(fā)絮凝. 如果沒有PO43--P存在，則Ca2+在整個堿性范圍內(nèi)都不能引起絮凝.
表 4 自絮凝前后的水質(zhì)參數(shù)變化
這些實驗結(jié)果充分證明，在微藻生長的正常pH范圍內(nèi)(8～10)，磷酸鈣是誘導(dǎo)自絮凝的關(guān)鍵沉淀物. 更具工程意義的是，Sukenik和Shelef(發(fā)現(xiàn)自絮凝的臨界pH值(絮凝效果達(dá)50%的pH)將隨PO43-(表 5)和Ca2+(未顯示)濃度的上升而下降; 在含高濃度Ca2+和PO43- 的培養(yǎng)液中，微藻自絮凝甚至可以在中性條件下就發(fā)生. 這說明當(dāng)以含磷較高的市政污水為底物時，可相對較容易地在微藻生長的正常pH值范圍內(nèi)，通過生成磷酸鈣沉淀同步實現(xiàn)自發(fā)性絮凝和高效除磷.
表 5 小球藻在不同磷濃度下的自絮凝臨界pH值(鈣濃度為100 mg · L-1)
然而，除少數(shù)學(xué)者繼續(xù)證實磷酸鈣在誘導(dǎo)微藻自絮凝中的核心作用外，大部分研究都顯示氫氧化鎂才是誘導(dǎo)自絮凝的關(guān)鍵沉淀物，代表性研究如下：
(1)Vandamme等在研究小球藻自絮凝時發(fā)現(xiàn)，在pH≤10.5時均無自絮凝發(fā)生; 當(dāng)pH調(diào)至11時，實現(xiàn)了75%的絮凝效果; pH≥11.5后絮凝效果顯著，達(dá)95%以上(表 6). 此時若加入EDTA(最終濃度0.5M)掩蔽Ca2+、Mg2+等二價離子，則絮凝效果急劇下降至<20%. 這初步證明了鈣/鎂沉淀在誘導(dǎo)自絮凝中的關(guān)鍵作用. 進(jìn)一步研究表明，若溶液中只存在Ca2+(1~100 mg · L-1)，在高pH下(10.5~12)確實也能形成沉淀物，但始終不能形成有效絮凝(<20%). 而當(dāng)溶液中存在Mg2+(1.8 mg · L-1)時，在pH=10.5就可實現(xiàn)25%的絮凝效果; 在pH=12時絮凝效果顯著增至85%. 當(dāng)Mg2+濃度≥3.6 mg · L-1后，pH=10.5就可達(dá)90%以上的絮凝效果(注：該實驗條件(藻細(xì)胞濃度等)與表 6不同，故臨界pH和絮凝效果有所差異).
表 6 以氫氧化鎂沉淀誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝
(2)Sirin等(2012)在研究三角褐指藻的自絮凝時發(fā)現(xiàn)，在pH=10.5時絮凝后溶液中的Mg2+下降了約16%，而Ca2+基本不變; 當(dāng)pH增至11時，溶液中基本已沒有Mg2+殘留，而Ca2+僅降低了14%(Sirin et al., 2012). 這說明在pH=10.5～11時生成的沉淀物主要為鎂沉淀物.
(3)Smith和Davis(2012)發(fā)現(xiàn)，Mg2+、Ca2+和CO32-離子中，只有Mg2+(9.6 mmol · L-1)存在時才能在高pH下(>10)實現(xiàn)高效絮凝;而Mg2+缺乏時(Ca2+、CO32-均為9.6 mmol · L-1)，即使Ca2+沉淀了75%也不能形成有效絮凝.
以上實驗結(jié)果似乎均已證明，高pH下只有Mg沉淀物才能有效誘導(dǎo)自絮凝. 然而，仔細(xì)考察這些研究中的特定離子濃度(表 6)就可發(fā)現(xiàn)，其Ca2+、PO43-離子中至少有一項或兩項的濃度均較低(與表 5對比)，因此，在pH=8～10的范圍內(nèi)不能形成大量磷酸鈣沉淀; 只能在更高pH下(>10.5)生成Mg(OH)2沉淀時才能誘導(dǎo)自絮凝. 綜合以上所有結(jié)果，可以得出如下結(jié)論: 磷酸鈣和氫氧化鎂沉淀都可有效誘導(dǎo)出自發(fā)性絮凝. PO43--P、Ca2+濃度均較高時，磷酸鈣沉淀在相對較弱的堿性條件下(pH 8~10)就可生成并誘導(dǎo)出顯著的自絮凝;PO43--P/Ca2+濃度較低時，則需進(jìn)一步提升pH至10.5以上，產(chǎn)生氫氧化鎂沉淀后才能誘導(dǎo)出自絮凝.
4.3 胞外聚合物(EPS)引起的自發(fā)性絮凝
20多年以前，籍EPS形成自發(fā)性絮凝的藻種便在微藻分離采收中得到重視. Borowitzka和Borowitzka分離出了藍(lán)藻門的一株膠鞘藻. 它能分泌出大量具有絮凝作用的EPS，其主要成分包括多聚糖、脂肪酸和蛋白質(zhì).此后，自絮凝藻種如鮑氏席微藻(Phormidium bohneri)及絲狀藻Chlorhormidium等在污水處理中都得到了應(yīng)用. 但時至今日，對此類自絮凝的研究總體來說還十分有限.
在實際應(yīng)用上，一般思路為將自絮凝藻種投入非自絮凝藻種培養(yǎng)系統(tǒng)以實現(xiàn)絮凝分離. Salim等研究了淡水自絮凝藻種鐮形纖維藻(Ankistrodesmus falcatus)、斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)對小球藻(Chlorella vulgaris)絮凝作用及海洋自絮凝藻種四鞭片藻(Tetraselmis suecica)對富油新綠藻(Neochloris oleoabundans)的絮凝作用. 實驗結(jié)果顯示，四鞭片藻的絮凝效果最佳，可達(dá)70%左右;斜生柵藻次之，絮凝效果可達(dá)30%左右;鐮形纖維藻絮凝效果最差，約20%. Guo等考察了自絮凝斜生柵藻藻株S. obliquus AS-6-1對非絮凝淡水藻株S. obliquus FSP-3、C. vulgaris CNW-11和海洋微藻N. oceanica DUT01的絮凝作用. S. obliquus AS-6-1對淡水藻株均取得了80%以上的良好絮凝效果;而對海洋微藻的絮凝效果則相對較差，低于60%. 以上實驗結(jié)果表明，自絮凝藻株的絮凝效果會因目標(biāo)藻種而異，這在實際應(yīng)用中存在著很大的局限性.
目前對于微藻EPS誘導(dǎo)自絮凝的機(jī)理的研究更為有限，一般只是籠統(tǒng)地認(rèn)為與生物絮凝劑的機(jī)理一致(參見3.3節(jié)部分). 在相互作用力上，絕大部分研究只考慮了基于DCB原理的靜電作用力，只有最近極少數(shù)研究考慮了Lewis酸-堿水合作用力(Ozkan and Berberoglu， 2013a，b，c). 如3.3節(jié)所述，單純地用DCB原理(圖 4)解釋藻細(xì)胞EPS的絮凝機(jī)理將存在很大的缺陷. 因為按此理論所有產(chǎn)生EPS的微藻種屬都應(yīng)該能通過DCB原理發(fā)生自絮凝，而實際上只有某些特定藻種產(chǎn)生的EPS才有絮凝作用. 一個可能的解釋為：非絮凝藻種產(chǎn)生的EPS數(shù)量較少，架橋能力有限;而自絮凝藻種能產(chǎn)生大量EPS，所以絮凝效果顯著. 另一個可能的解釋為，非絮凝藻種和自絮凝藻種所產(chǎn)生的EPS在組成和性質(zhì)上有所不同. 例如，Guo等發(fā)現(xiàn)，在EPS各組分中只有多聚糖為絮凝的活性成分. 因此，如果不同藻種產(chǎn)生的EPS中多聚糖的含量不同，那其絮凝效果就可能有顯著差異. 但Guo等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：無論是投加Ca2+，還是用EDTA掩蔽Ca2+，對絮凝效果都沒有影響，這就從根本上與DCB理論相悖了.
Ozkan和Berberoglu(2013a，b，c)則從藻細(xì)胞的親/疏水性表面特性出發(fā)，在靜電作用力的基礎(chǔ)上增加了對藻細(xì)胞間Lewis酸-堿水合作用力的考察. 他們的研究結(jié)果表明: Lewis酸-堿水合作用力在XDLVO的3種基本作用力中最強(qiáng)，在微藻的自絮凝中具有關(guān)鍵作用. 當(dāng)微藻懸浮液中存在適量疏水性較強(qiáng)的微藻種屬(如，布朗葡萄藻)時，即使是電負(fù)性較大的親水-疏水混合藻液也能形成絮凝; 如果只考慮范德華力和靜電力，這一現(xiàn)象將無法得到解釋(GTOT(d)= GLW(d)+ GEL(d)> 0，理論上不發(fā)生絮凝); 而考慮Lewis酸-堿水合作用力后，理論預(yù)測與實際觀察得到了很好的吻合(GTOT(d)= GLW(d)+ GEL(d)+ GAB(d)< 0，理論預(yù)測為發(fā)生絮凝). 這些研究成果為理解EPS誘導(dǎo)自絮凝的機(jī)理和促進(jìn)自絮凝效果提供了非常有前景的思路. 因此，后續(xù)無論對生物絮凝還是EPS誘導(dǎo)的自絮凝，都應(yīng)在完整的XDLVO理論框架內(nèi)考察范德華力、靜電力和Lewis酸-堿水合作用力的綜合作用. 對活性污泥EPS的研究發(fā)現(xiàn): EPS中的蛋白質(zhì)是形成疏水性的主因，而碳水化合物是形成親水性的主因; EPS的數(shù)量和組成受生長階段、底物水平等因素影響，對微生物絮凝有關(guān)鍵影響.而對藻細(xì)胞EPS各組分的產(chǎn)生、變化規(guī)律及其對表面特性影響的系統(tǒng)研究幾乎還是空白. 這方面的研究無疑將為理解和調(diào)控微藻自絮凝提供非常有價值的信息.
4.4 影響因素
自發(fā)性絮凝的發(fā)生機(jī)理決定了其影響因素. 對于高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝，其根本因素為微藻光合作用提升pH所能到達(dá)的程度和所能形成帶正電沉淀物的特定離子濃度. 對于EPS引起的自發(fā)性絮凝，其影響因素則更加復(fù)雜，理論上包括所有影響EPS產(chǎn)生和組成的因素.
4.4.1 光照
光照是微藻生長繁殖的基本要素，對高pH和EPS誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝都具有重要影響. 首先，光照直接決定了微藻光合作用的程度. 光照越強(qiáng)，光合作用越充分，水中無機(jī)碳消耗越徹底，pH上升越高，越有利于高pH誘導(dǎo)的自絮凝發(fā)生. 其次，光照也是影響EPS產(chǎn)生的關(guān)鍵因子.Moreno等發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度由345 μmol · m-2 · s-1增加到460 μmol · m-2 · s-1后，魚腥藻的EPS含量增加了4倍. Rebolloso-Fuentes等也發(fā)現(xiàn)，在較高的外部光照條件下，紫球藻EPS的含量顯著增加. 因此，充分的光照是誘導(dǎo)自發(fā)性絮凝的有利因素.
4.4.2 特定離子
Ca2+、Mg2+和PO43-等特定離子的濃度決定了沉淀物的種類和產(chǎn)生的臨界pH值，對高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝具有決定性影響. 從發(fā)生機(jī)理來看：PO43--P/Ca2+離子都大量存在時，在較弱的堿性條件下(pH 8～10)磷酸鈣沉淀就可大量生成并成為自絮凝主導(dǎo)因素;PO43--P/Ca2+的其中之一濃度較低時，則需進(jìn)一步提升pH至10.5以上，產(chǎn)生氫氧化鎂沉淀后才能誘導(dǎo)出自絮凝(參見4.2節(jié)部分). 從絮凝效果來看：以上離子濃度越高，生成帶正電的沉淀物越多，電性中和能力越強(qiáng)，絮凝就越充分. 因此，將上述特定離子維持在較高水平對實現(xiàn)高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝至關(guān)重要.
4.4.3 溫度和生長階段
溫度對微藻EPS形成具有重要影響. 高溫刺激EPS的形成，而低溫下由于細(xì)胞新陳代謝降低EPS的形成受到抑制. 但EPS產(chǎn)生的最佳溫度因藻種不同而異，如：布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)在溫度低于23 ℃幾乎不分泌EPS，其最佳溫度為30～33 ℃;而魚腥藻(Anabaena sp.)在30～35 ℃范圍內(nèi)EPS產(chǎn)量都很少，只有在40 ℃以上EPS才大量產(chǎn)生.
微藻所處生長階段對藻細(xì)胞密度、表面性質(zhì)和EPS的產(chǎn)量及成分等都有顯著影響. Lavoie和de la Noüe發(fā)現(xiàn)，老齡化的(Aging)的藻細(xì)胞密度增大，易于沉淀.Zhang等發(fā)現(xiàn)，小球藻從對數(shù)增長期進(jìn)入穩(wěn)定期后，其表面電負(fù)性減弱，易于發(fā)生絮凝.Lavoie和de la Noüe、Zhang等和Salim等都發(fā)現(xiàn)微藻在對數(shù)期EPS產(chǎn)量很少，而在穩(wěn)定期或衰減期產(chǎn)量則顯著增加. Salim等還進(jìn)一步證實EPS的組成將隨生長周期的不同而變化.因此，與活性污泥類似，微藻處于穩(wěn)定期或衰減期時自絮凝效果較好.在實際培養(yǎng)中可將微藻的生長階段控制在穩(wěn)定期或衰減期以促進(jìn)自發(fā)性絮凝的形成.
4.4.4 底物水平
N、P等營養(yǎng)元素的缺乏將刺激微藻EPS的生產(chǎn)，這與細(xì)菌、真菌等微生物一致. 基于此，在運(yùn)行中可采用高密度培養(yǎng)以獲得較低的F/M值，以自然形成底物受限的工藝條件. 而微藻生長的另一重要底物——無機(jī)碳(IC)受限則將抑制EPS的生產(chǎn). 如，Cordoba-Castro等發(fā)現(xiàn)斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)的EPS生產(chǎn)隨CO2的供給而增加：在高CO2供給條件下(4%)，微藻的生長和EPS產(chǎn)量都最大;而CO2供給下降后EPS的生產(chǎn)也隨之降低. 從強(qiáng)化EPS生產(chǎn)的角度來看，在實際運(yùn)行中無疑應(yīng)加強(qiáng)IC的供給. 然而，如Pragya等所指出，為強(qiáng)化基于高pH的自絮凝則應(yīng)限制IC供給，以達(dá)到盡可能高的pH條件.因此，對IC的調(diào)控應(yīng)權(quán)衡其對高pH和EPS兩種自絮凝正反兩方面的綜合效應(yīng).
4.4.5 微藻種屬
無論是基于高pH的自絮凝還是基于EPS的自絮凝，其絮凝條件和效果都將隨目標(biāo)藻種不同而異(參見4.2節(jié)和4.3節(jié)部分). 這可能是由于藻細(xì)胞在表面特性和生理特性上的不同而導(dǎo)致的. 如，電負(fù)性較高的藻細(xì)胞需要更多帶正電的沉淀物生成. 又如多細(xì)胞和大型絲狀藻種比單細(xì)胞藻種更容易絮凝沉降. 在這方面需要綜合考慮微藻種屬的污水凈化能力、藻細(xì)胞的利用價值等，選擇性富集易于絮凝沉降的藻種.
4.4.6 溶解性有機(jī)物
與外加混凝劑類似(參見3.1.2部分)，水中溶解性有機(jī)物(DOM)對自絮凝也會產(chǎn)生顯著的抑制作用. 這些DOM既可能是原水中帶來的腐殖質(zhì)，也可能是藻類代謝產(chǎn)生的有機(jī)物(AOM). Beuckels等表明，腐殖酸和藻酸鹽將顯著抑制磷酸鈣誘導(dǎo)的自絮凝，而葡萄糖和乙酸等小分子卻沒有影響. 同樣，Wu等發(fā)現(xiàn)AOM對氫氧化鎂誘導(dǎo)的自絮凝有強(qiáng)烈的抑制作用，當(dāng)AOM從零增加至70 mg · L-1時，小球藻的自絮凝效率從92%降低至7%. 其原因很可能是DOM將優(yōu)先與Ca2+、Mg2+等離子結(jié)合，從而阻止了磷酸鈣和氫氧化鎂等沉淀物的產(chǎn)生. 另外，由于DOM本身帶負(fù)電，因此會額外增加電性中和所需的絮凝劑用量. 鑒于此，Beuckels等指出，DOM的抑制作用很可能是很多實際情況下，磷酸鈣/氫氧化鎂等沉淀物的相關(guān)生成條件都已超過臨界值，但自絮凝卻沒有發(fā)生的原因所在. 在這方面迫切需要更進(jìn)一步的系統(tǒng)研究.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔
5 各種絮凝分離方法的比較與展望
以鐵鹽和鋁鹽為代表的金屬絮凝劑是各種絮凝方法中應(yīng)用最為成熟的技術(shù).其主要優(yōu)點是藥劑生產(chǎn)簡單，絮凝條件容易控制，絮凝效果有保障. 但無機(jī)絮凝劑的用量一般很大(幾百mg · L-1藻液)，從而產(chǎn)生大量污泥. 再者，絮凝效果受pH影響較大，其最佳pH值很可能超出微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的正常pH范圍，且無機(jī)絮凝劑僅對部分微藻種屬有效.最不利的效果是，金屬鹽類往往對藻細(xì)胞具有毒害作用: Chen等在使用硫酸鋁和氯化鐵絮凝柵藻時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投加量較高時，藻細(xì)胞在24 h后全部死亡;Papazi等也發(fā)現(xiàn)鋁鹽雖然絮凝效果最好，但會引起藻細(xì)胞裂解.此外，金屬鹽類殘留在藻細(xì)胞中還將對藻細(xì)胞的利用和最終處置造成不利影響. 因此，從微藻培養(yǎng)的角度來看，金屬鹽類絮凝劑并不是最佳的技術(shù)選擇. 有鑒于此，無機(jī)金屬絮凝劑似乎不可能成為微藻分離采收的主要發(fā)展方向.
與無機(jī)絮凝劑相比，有機(jī)高分子絮凝劑具有更高的絮凝效率(10～30 mg · L-1藻液)，產(chǎn)生的污泥量小，能適用于更廣泛的微藻種屬. 其中，聚丙烯酰胺雖然是水處理中應(yīng)用最成熟的高分子絮凝劑，但其對微藻的絮凝效果卻不如殼聚糖、陽離子淀粉等天然高分子絮凝劑. 且其在使用中可能會釋放出一定量具有強(qiáng)烈毒性的單體丙烯酰胺，因此其應(yīng)用前景有限. 天然高分子絮凝劑無毒，易生物降解，對微藻培養(yǎng)和藻細(xì)胞的后續(xù)利用基本無負(fù)作用，在微藻的分離采收中具有良好的應(yīng)用潛力. 但天然高聚物中只有殼聚糖等少數(shù)是陽離子型的. 殼聚糖的絮凝效率很高，但其絮凝條件一般為酸性，超出了微藻生長的正常pH范圍. 考慮到對大量藻液進(jìn)行酸化所需投加的化學(xué)藥劑用量，殼聚糖很可能在經(jīng)濟(jì)上不具備選擇性.陽離子淀粉在原料上可大量獲取，價格低廉，投加量非常小(幾mg · L-1藻液)，絮凝效果優(yōu)異且基本不受pH影響，具有良好的工程化應(yīng)用潛力. 后續(xù)研究的重點應(yīng)在于優(yōu)化其陽離子化過程，以進(jìn)一步提高其適用性和絮凝效率，并顯著降低加工制造成本.
利用細(xì)菌、真菌等微生物生產(chǎn)的生物絮凝劑具有高效、無毒、可生物降解等優(yōu)點. 但其各種利用方式都存在明顯缺陷：1)直接投加微生物細(xì)胞或菌-藻共同培養(yǎng)有對微藻培養(yǎng)系統(tǒng)造成污染的風(fēng)險;2)投加培養(yǎng)液、抽取液、提取物等方式需要一個微藻培養(yǎng)系統(tǒng)以外的單獨(dú)培養(yǎng)體系，尤其是后兩者還涉及到復(fù)雜的分離和加工問題，這無疑會增加利用難度和成本. 可見，生物絮凝劑一般所宣稱的低成本優(yōu)勢可能在實踐中難以能成為現(xiàn)實. 生物絮凝劑另一缺點是，某一生物絮凝劑可能只對某些特定藻種絮凝效果較好. 利用自絮凝藻種產(chǎn)生的生物絮凝劑不需要額外的培養(yǎng)體系，且無污染微藻培養(yǎng)之虞. 但自絮凝種屬的生長速度一般低于非自絮凝種屬，其污水凈化能力和產(chǎn)油潛力也可能不如非絮凝藻種. 因此，控制自絮凝藻種在系統(tǒng)中的比例至關(guān)重要. 這就提出了在混合培養(yǎng)中進(jìn)行種群控制的復(fù)雜要求. 與細(xì)菌、真菌等微生物產(chǎn)生的生物絮凝劑類似，自絮凝藻株的絮凝效果也將隨目標(biāo)藻種的不同而異. 理解自絮凝(EPS誘導(dǎo))藻種的絮凝機(jī)理對促進(jìn)其應(yīng)用具有關(guān)鍵意義. 目前在這方面的研究還非常不足，基本上還處于對EPS的成分分析上. DCB理論雖然能解釋很多實驗現(xiàn)象，但存在不能解釋為什么只有特定藻種才具有絮凝作用這一根本缺陷. 在此方面，由藻細(xì)胞親/疏水性決定的Lewis酸-堿水合作用力是非常有前景的理論，應(yīng)該成為后續(xù)研究的重點.
氫氧化鎂沉淀雖然能有效誘導(dǎo)出自發(fā)性絮凝，但其形成一般要在pH>10.5以上. 而大部分微藻在pH>9時光合作用就會受到顯著抑制甚至完全停止，所以微藻的自然生長很可能達(dá)不到氫氧化鎂沉淀的生成條件 .事實上，幾乎所有基于氫氧化鎂沉淀的自絮凝都是通過外加堿性物質(zhì)達(dá)到所需pH值(表 6)，這無疑會帶來額外的成本. 高pH還可能對藻細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷，例如，高產(chǎn)油藻種Skeletoma costatum在pH = 10. 2時絮凝率達(dá) 80%，但回收藻體中相當(dāng)一部分細(xì)胞發(fā)生解體及胞內(nèi)成分外泄，嚴(yán)重影響后續(xù)二十碳五烯酸(EPA)提取工藝;螺旋藻(Spirulina platensis)在pH高于13時，細(xì)胞絮凝得又快又徹底，但此時藻細(xì)胞顏色發(fā)黃，表明其細(xì)胞已受到較為嚴(yán)重的“pH損傷.此外，高pH值還很可能超出排放標(biāo)準(zhǔn)，需要再加酸調(diào)節(jié)到容許的范圍. 因此，基于氫氧化鎂沉淀的自絮凝只適用于單純的微藻采收，對微藻污水處理系統(tǒng)來說并不是一個合適的選擇.
基于磷酸鈣沉淀的自絮凝無需任何額外投入，在微藻自然生長的pH范圍內(nèi)(8～10)就能形成，能同步實現(xiàn)除磷，對微藻活性和藻細(xì)胞的后續(xù)加工利用幾乎沒有不利影響. 因此，無論是從污水深度處理，還是從藻細(xì)胞的采收利用等角度來看都是最合適的分離采收方法之一. 尤其是隨著磷酸鹽濃度提高，其臨界pH值將顯著下降;而這在實際污水處理中恰恰是一個很容易控制的工藝條件. 鑒于此，可以提出以下幾個強(qiáng)化基于磷酸鈣沉淀自絮凝的思路：①在污水處理的主體工藝中取消強(qiáng)化生物除磷，為后續(xù)微藻處理系統(tǒng)保留高磷濃度;②采用高密度間歇培養(yǎng)方式，并完全或在反應(yīng)周期末端取消外部CO2供給，以迅速且自然地形成高pH條件;③通過適當(dāng)延長反應(yīng)周期、強(qiáng)化光合作用(光照、底物濃度)等進(jìn)一步促進(jìn)pH的提升. 目前存在的問題是大部分研究都只是考察高pH下瞬時的絮凝效果. 如果微藻培養(yǎng)系統(tǒng)長期處于誘導(dǎo)自絮凝所需的高pH環(huán)境，幾個非常值得關(guān)注的問題是：①微藻種群結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生顯著變化?② 目標(biāo)藻種能否維持優(yōu)勢?③ 微藻的生理特性(凈化能力、油脂含量等)是否會發(fā)生改變?這些都需要進(jìn)一步的系統(tǒng)研究來明確.
6 結(jié)論
用于微藻分離、采收的理想絮凝劑應(yīng)該具有無毒(對藻細(xì)胞本身及環(huán)境)、低成本、廣譜高效、不影響藻細(xì)胞后續(xù)利用等特點. 依此標(biāo)準(zhǔn)，金屬鹽類絮凝劑因投加量大、對藻細(xì)胞有毒性及影響藻細(xì)胞的后續(xù)利用等缺點不能成為微藻絮凝的主要發(fā)展方向. 有機(jī)高分子絮凝劑中聚丙烯酰胺對微藻的絮凝效果較差，可能釋放有毒的丙烯酰胺單體，因此其應(yīng)用前景有限. 殼聚糖絮凝效率較高，但適應(yīng)的絮凝pH一般為酸性，超出了微藻培養(yǎng)的正常范圍，具有很大的局限性. 而陽離子淀粉在原料上可大量獲取，價格低廉，投加量非常小，絮凝效果優(yōu)異且基本不受pH影響，具有良好的工程化應(yīng)用潛力. 后續(xù)研究的重點應(yīng)在于優(yōu)化其陽離子化過程，以進(jìn)一步提高其適用性和絮凝效率，并顯著降低加工制造成本.
利用細(xì)菌、真菌等微生物生產(chǎn)的生物絮凝劑具有高效、無毒、可生物降解等優(yōu)點. 但其各種利用方式都存在明顯缺陷，例如，可能對微藻培養(yǎng)造成污染，需要額外的培養(yǎng)系統(tǒng)，涉及到復(fù)雜的分離純化過程等. 此外，生物絮凝劑的絮凝機(jī)理和條件都還不甚明確. 因此，生物絮凝劑距工程化應(yīng)用還存在很大距離. 同理，基于胞外聚合物的微藻自絮凝因絮凝機(jī)理復(fù)雜、絮凝條件不明確及涉及到復(fù)雜的種群控制要求等，可靠性較差，在微藻絮凝分離中可能只能起到錦上添花的作用.
基于氫氧化鎂沉淀的自絮凝要求很高的pH值(>10.5). 這往往超出微藻正常生長所能達(dá)到的pH值范圍，需要額外投加堿性物質(zhì)，可能對藻細(xì)胞的活性和后續(xù)利用造成不利影響，因此，對微藻污水處理系統(tǒng)可能并不是合適的選擇. 基于磷酸鈣沉淀的自絮凝無需任何額外投入，在微藻自然生長的pH范圍內(nèi)(8～10)就能形成，能同步實現(xiàn)化學(xué)除磷，對微藻活性和藻細(xì)胞的后續(xù)加工利用幾乎沒有不利影響. 因此，無論是從污水深度處理，還是從藻細(xì)胞的采收利用等角度來看都是最合適的分離采收方法之一. 后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步明確其形成條件，并結(jié)合污水處理主體工藝的調(diào)整(取消強(qiáng)化除磷)、微藻培養(yǎng)方式的改進(jìn)(高密度間歇培養(yǎng)、取消CO2供給，調(diào)節(jié)反應(yīng)周期)等對其進(jìn)行強(qiáng)化. 此外，還應(yīng)重點關(guān)注微藻培養(yǎng)系統(tǒng)長期處于高pH條件下可能發(fā)生的種群結(jié)構(gòu)和生理特性變化.
