张伟强

摘要：太湖的富营养化导致蓝藻频繁爆发，及时打捞与收集是迅速减少水体蓝藻浓度的常用手段，从而可使水体中减少大量氮、磷，使水体得到净化。蓝藻打捞量大、含水量高、脱水、脱毒困难，因而打捞上来的蓝藻水华如何处置是一个难题，如不施以恰当的处置，将造成藻毒素（MCs）的二次污染。根据水华蓝藻生物质主要成分，综述分析蓝藻厌氧发酵处理处置在国内外研究进展和存在问题，重点讨论其厌氧发酵产沼气的潜力，探讨了蓝藻厌氧发酵要进一步研究的突出问题。

关键词：水华蓝藻;厌氧发酵;生物质;研究进展

当前随着社会工业化进程的加快，生活污水、生产废水的排放对于环境的影响也愈发加剧，废污水当中存在的多种营养元素造成了水质的极度恶化，这主要表现在水质富营养化导致的蓝藻等生物的疯狂繁殖生长，并且蓝藻引发的水华现象难以得到有效处理，大量生长的蓝藻也容易腐烂，对周围应用水源造成极大的危害，破坏原有水生态系统的稳定性，继而引发其他的自然灾害。为此，就当前的市场活动而言，如何科学合理的进行蓝藻危害的治理已经得到了相关政府部门的重点。

防止蓝藻进一步繁殖危害的重要措施是对蓝藻进行及时打捞工作，这项措施在我国很多水资源丰富的地区的到了大规模开展，如太湖、巢湖、滇池等地。蓝藻水化现象的产生具有一定的规律性，尤其在一些高峰时刻，蓝藻打捞量一直保持在上千吨以上，政府部门也需要考虑对打捞后的蓝藻开展无危害处理措施，这决定了蓝藻水化现象处理的社会经济效益，如果缺乏体系化蓝藻资源利用机制，那么打捞后的蓝藻将会进一步腐烂，引发一些发臭危害性气体的排放，加剧当地的环境危害。

就当前的蓝藻危害处理研究而言，国内外相关机构的蓝藻利用化技术都难以得到大规模推广应用。日本等发达国家尝试将水华蓝藻作为农业化肥，蓝藻自身的化学成分要优于一般的生产化肥，这主要归因于蓝藻内部的氮磷元素含量相对偏高，且内部并没有一些污染性较大的金属元素，对土质的污染危害也较少。蓝藻发酵产生的沼气是非常好的能源，其沼渣沼液是良好的有机肥。太湖周边的大量农田对有机肥需求量很高，因此太湖蓝藻厌氧发酵具有很好的应用前景。

一、蓝藻的成分

水化现象作为当前琥珀的主要危害之一，其引发的主要因素为绿藻、蓝藻等藻类的生长，就蓝藻而言，其包含多种类型，如水花鱼腥藻、铜绿微绿藻、变异鱼腥藻。蓝藻的历史较为悠久，其具有阴性革兰氏染色体，含有较多的叶绿素a，且并没有鞭毛、叶绿体，但是其能够产生氧性光合作用，其对于湖泊的危害表现在降解性较差，在一些经过氮元素污染后的水区域，且极容易造成水华或者赤潮，给当地的渔业生产造成极大的经济损失。除此之外，蓝藻本身的细胞也会释放出一些有毒成分，进一步污染水质，蓝藻自身结构表现为抗降解性，在外界环境氧气成分较少的情况下，蓝藻细胞分解速度缓慢，为此，在处理此类水质危害过程中，技术人员需要考虑加快其降解能力。同样，水质中还会引起一些微囊蓝细菌属（Microcystis）等水生种类，该水生种类产生的水质毒素会对人体造成极大的危害，如引发肝癌，这种毒素自身具有较高的耐温能力，即便在外界高温环境下，也很难对毒素进行有效的分解消除，即便当前常见的自来水水质处理工艺中的加氯、沉淀、过滤也难以将其有效消除。为充分利用该蓝藻的自身价值。目前市场上主要讲蓝藻打捞后进行水质分离，继而进行焚烧处理，也可用于发电等工业化，但是需要技术人员注意的是，在焚烧发电过程中能源消耗较高，且蓝藻脱水处理工艺较为复杂（往往需要脱干95%以上的蓝藻水分），燃烧过程中也会产生一些大气污染成分。

二、蓝藻处理技术进展

蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾极易造成二次污染。同时，太湖蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾中含有较多的有机物，具有较高的资游利用价值。对于太湖蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾国内外大多采用“好氧堆肥+土地利用”、“厌氧消化+深度脱水+干化”技术实现太湖蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾中有机质及营养元素的高效利用。根据美国环保局1998年的调查，厌氧消化是美国采用最普通的太湖蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾稳定方法，占75%。我国厌氧消化技术应用始于20世纪30年代，但直至70年代后期才開始较稳步地发展，目前我国仅约10余个厌氧消化工艺，不到全国城市的2%，厌氧消化可把太湖蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾低品质的有机物转化为高品质能源，但传统的厌氧消化由于太湖蓝藻（蓝绿藻、蓝细菌）、污水厂污泥及餐厨垃圾工艺水平偏低、可生化性能差，存在沼气产量低的问题。

三、蓝藻厌氧发酵处理技术

发酵是微生物在厌氧条件下，以有机物作为电子供体和电子受体的生物学过程，微生物通过生理上的反应和调节，控制着发酵类型和发酵末端产物的形成，同时伴有甲烷和C02产生。将蓝藻进行厌氧处理，首先可以将其中的有机物转化为沼气.其次厌氧过程中的高温发酵使藻毒素降解。

有相关技术研发机构提出可采取对蓝藻进行厌氧发酵的处理方式，以此获取一些能源产品（沼气、沼液藻渣），该技术手段以蓝藻作为基础材料，进行第二次的秸秆等生物材料的调节，改变蓝藻内部的碳氮元素比例，继而常温情况下让蓝藻厌氧发酵一定时间，获取沼气能源，最终实现蓝藻无危害化处理。

采用厌氧发酵技术既可实现蓝藻的处理，又能对氢能进行回收。然而，单独的蓝藻发酵效率较低，不平衡的营养成分和细胞壁的存在，会对蓝藻的降解产生不利影响。从有机物化学组成分析，蓝藻c/N比较低，导致微生物无法高效地利用底物。因此将其他底物与蓝藻混合发酵能够解决其单独厌氧发酵时碳和氮不平衡的问题，有利于提高产氢率。餐厨垃圾中含有淀粉、蛋白质、动物油脂等大量有机物，是低碳基蓝藻厌氧混合发酵的合适底物。氢气是厌氧发酵过程中的产物，氢气有着燃烧热值高，无污染的特点，可成为一种新型能源，厌氧混合发酵制氢技术是大规模处理餐厨垃圾和蓝藻的有效方式之一。

添加高含碳基质可解决蓝藻c/N比失调的问题，但未能解决蓝藻难以破壁的瓶颈。生物质产氢潜力与有机物水解性能直接相关。而对于蓝藻来说，有机物水解效果会受其细胞壁结构的限制。目前餐厨垃圾和蓝藻厌氧混合发酵产氢主要面临的问题是在厌氧混合发酵产氢体系中，由于蓝藻刚性细胞壁的存在，有机物水解效果较低，从而导致反应体系整体产氢效率不高。因此可通过适当的预处理来强化蓝藻细胞破壁，进而提高水解性能和氢气产率。与其他预处理技术相比，机械法因无毒素产生和成本较低的优势，被认为是蓝藻细胞破壁的最佳选择。高压均质是先将高压施加于原料，再瞬时将压力释放。瞬时释放的压力差造成了巨大的空穴、剪切和撞击作用，使原料受到冲击，从而被破碎。但是，国内外采用高压均质对太湖蓝藻进行破碎，从而提高共发酵产氢的报道还较少。

四、蓝藻资源化处理关键技术

对于蓝藻进行充分利用是当前迫切需要发展的重要技术，就目前的研究发展而言，蓝藻资源化主要障碍在于藻毒素的降解，蓝藻自身存在的藻毒素可分为环状五肝毒素、环状七肽肝毒素，尤其是以其中的MC-RR，MC-YR等几种毒性较大，水质经常处于这些毒素环境下，则会对人体造成肝炎、肝癌等现象，且直接对含有藻毒素的蓝藻进行化肥处理，则会造成土壤的严重污染，地下水同时还会富集到作物体内，如果人类采集了被微囊藻毒素污染的作物，在食品加工过程难以对藻毒素进行有效降解。施用藻毒素含量高的蓝藻沼渣、蓝藻有机肥等，可以通过食物链进入人体，从而产生生理、生化和遗传毒性。因此，对藻毒素降解的无害化处置是其资源化利用的前提条件。

蓝藻无害化的关键性技术在于：适合处理干物质含量高、藻毒素初始值高的蓝藻，

且要求处理后藻毒素残留量低。现有技术中，关于蓝藻藻毒素去除的研究中，分别以蓝藻+活性污泥、蓝藻+活性污泥、蓝藻+发酵混合物的发酵方法去除蓝藻中藻毒素。上述方法中可处理的蓝藻干物质含量较低，分别为5.96%、4.24%、3.4%;可处理的初始藻毒素（MC-LR、Mc-KK）也较低，分别为244～366ug/kg、510～1410ug/kg，26.98～41.8ug/kg。经降解后，藻毒素残留量分别为<5ug/kg、<5ug/kg、1.86ug/kg。

关于藻毒素降解菌已有大量研究，但目前主要集中在藻毒素降解菌的筛选、种类鉴定和藻毒素降解效果等方面，而关于蓝藻产沼气的生产过程中人为地添加藻毒素降解菌剂的应用方面未见报道;特别是关于添加含铁和生物炭的复合物对藻毒素进行催化二级降解方面的研究未见报道;此外，关于厌氧发酵阶段添加藻毒素降解菌剂的三级降解未见报道。

蓝藻生产沼气的核心技术是发酵滞留期短和产沼气潜力大（单位干物质产气量），直接关系到设备的应用效率和经济效益的高低。采用太湖蓝藻+产甲烷颗粒污泥产沼气方法，结果表明蓝藻产沼气潜力为120.5mL/gTs。韩士群等（2009）采用太湖蓝藻+活性污泥产沼气方法，结果显示滞留期为90天，蓝藻产沼气潜力为850mL/gTs。王震宇等（2008），采用太湖蓝藻+活性污泥产沼气法，结果显示滞留期为16天，蓝藻产沼气潜力为530mL/gTs。宋伟（2009），采用太湖蓝藻干发酵法，滞留期为42天，蓝藻产沼气潜力为352.31mL/gTS。

五、蓝藻厌氧发酵存在问题及展望

水华蓝藻是环境污染的伴生产物，今后相当长的一段时间内太湖、巢湖及滇池等湖泊的富营养化会趋势比较严重，水华蓝藻暴发的条件还将持续一定的时间过程。水华蓝藻作为一种具有开发潜力的生物质能资源，在实现资源利用的同时，亦可有效控制环境污染。目前，对打捞后水华蓝藻生物质的综合利用已经有了初步的研究进展，然而，研究成果大多局限于藍藻生物质单相底物的厌氧发酵以及工艺参数的探究，水华蓝藻厌氧发酵过程控制及其产酸产气机理等方面的研究还相对缺乏，水华蓝藻生物质厌氧发酵的物料的转化、产气机理以及发酵过程中微生物生理生态特征等方面的研究还有待进一步的深入。若实现大规模水华蓝藻、水生植物等生物质厌氧发酵的安全处理和资源利用，还有一些技术问题需要解决，包括经济、高效发酵工艺的建立，配套高效发酵装置的设计，发酵的快速启动以及沼液、沼渣的深度处理和资源化利用等。

针对水华蓝藻具有不同于水生植物等生物质资源的特性，具有体积小、有机质含量高、含水量大等特点，关于蓝藻等多种生物质资源联合厌氧发酵还有以下问题需要进一步探讨：1.水华蓝藻厌氧发酵过程的控制因素及其作用机理与动力学模型;2.水华蓝藻等生物质厌氧发酵过程的微生物群落结构和功能特征，以及微生物生理生化特征与发酵产物组成分布的联系;3.不同类型底物（如蓝藻、水生植物等）厌氧发酵时的相互转换及快速启动机制研究。

产业化推广的主要措施是对生物质原料蓝藻进行厌氧发酵化处理，且避免的后续的蓝藻脱水化处理工艺，也可以实现藻毒素的一定分解，从而实现水华藻类的减量化、无害化和资源化。藻类中富含的蛋白质、糖等可以被厌氧微生物作为底物来生产短链脂肪酸、氢气以及甲烷等。其中，挥发性短链脂肪酸既可以作为污水处理厂脱氮除磷过程的一种经济适用的碳源，也可以作为生物塑料回收利用，它的生产已成为近几年的研究热点。