小球藻處理市政污水的室外研究

項(xiàng)藎儀，劉一萱，梅 洪，萬端極，2

小球藻處理市政污水的室外研究

項(xiàng)藎儀1，劉一萱1，梅 洪1，萬端極1，2

（1湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)膜技術(shù)研究所，湖北武漢430068）

通過在室外大型平板式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)小球藻，來考察小球藻處理市政污水的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小球藻在各個(gè)季節(jié)均對(duì)污水的脫氮除磷效果顯著，總氮去除率達(dá)51.76%～97.66%，總磷去除率達(dá)79.37%～97.85%，處理后總氮和總磷均能在短時(shí)間達(dá)到城鎮(zhèn)污水一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，COD經(jīng)小球藻培養(yǎng)系統(tǒng)處理雖達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，但用時(shí)略長(zhǎng)。每個(gè)污水處理周期可收獲小球藻干物質(zhì)0.43～0.47g／L進(jìn)行資源化利用。研究結(jié)果表明本研究所選用的小球藻應(yīng)用于城市污水處理產(chǎn)業(yè)的潛力巨大。

小球藻；光生物反應(yīng)器；市政污水處理

2015年，全國城市污水處理率達(dá)到91.97%［1］。同年，湖北省廢水排放總量為313784.76萬t，其中工業(yè)廢水排放量80817.33萬t，約占總量的25.8%；生活污水排放量232729.87萬t，約占總量的74.2%；集中式廢水排放量237.56萬t，約占總量的0.08%左右［2］，市政污水包括生活污水和工業(yè)污水。針對(duì)市政污水中較高的氮磷含量，生物化學(xué)處理法是當(dāng)前主要處理方法。大部分城市污水處理廠中主要采用活性污泥法、AB法、A2／O法和MBR等。但是活性污泥法和AB法都面臨著剩余污泥處理處置難的問題；A2／O法則是污泥回流系統(tǒng)和內(nèi)回流系統(tǒng)需分別設(shè)置，運(yùn)營(yíng)成本高，內(nèi)回流的控制復(fù)雜，管理要求高［3］；MBR有分置式和一體式，分置式主要問題是動(dòng)力消耗大，循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力有可能使菌體失活，而一體式則涉及膜的清洗更換［4］；現(xiàn)在對(duì)于活性污泥法有許多變型工藝，但是對(duì)高氮磷廢水，活性污泥法及其變型工藝處理效果并不理想，而且存在污泥膨脹問題［5］。

其實(shí)，無論是活性污泥法的變型工藝還是利用新的裝置來處理污水，處理過程中都會(huì)產(chǎn)生二次污染及高額投資維護(hù)成本，難以達(dá)到人們期望的“收支平衡”，所以，面對(duì)污水處理如此現(xiàn)狀，許多學(xué)者積極探索綠色經(jīng)濟(jì)的污水處理工藝。早在20世紀(jì)50年代Oswald［6］就提出了利用微藻處理污水的技術(shù)，并設(shè)計(jì)出高效藻類塘（HRAP），而且利用微藻處理污水可以在達(dá)到脫氮除磷效果的前提下不會(huì)產(chǎn)生二次污染物，成本可控，某些具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的微藻還可以回收再利用［7］。

藻類的生長(zhǎng)周期短，可以在較短時(shí)間里達(dá)到一定的生物量，藻類可以利用污水中豐富的氮磷合成蛋白、脂肪酸等的同時(shí)達(dá)到脫氮除磷的效果。有研究表明，綠球藻在人工配比高濃度氮磷污水中氨氮、總氮和總磷的去除率分別達(dá)到98.4%，46.2%和79.3%［8］，在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中培養(yǎng)柵藻LX1培養(yǎng)至16d穩(wěn)定期時(shí)，對(duì)氨氮、總氮和總磷的去除率分別為95.5%、88.0%和98.8%［9］，小球藻在無光異養(yǎng)條件下能利用啤酒廠廢水中多種營(yíng)養(yǎng)成分，并顯著地降低廢水中的COD、BOD［10］。在污水中培養(yǎng)萊茵衣藻不僅能有效去除氮磷還能產(chǎn)生占干重25.25%的可用作生物燃料的油脂［11］，藻類對(duì)于城市污水處理方面體現(xiàn)了處理成本低、碳排放少、主要污染物的處理率高，還能產(chǎn)生高附加值產(chǎn)物來為污水處理創(chuàng)收的生態(tài)優(yōu)勢(shì)［12］。

然而現(xiàn)有大部分微藻處理廢水的實(shí)驗(yàn)都是在室內(nèi)進(jìn)行或者使用人工配比的污水完成的［13－14］小體積實(shí)驗(yàn)，就處理量和實(shí)際污水情況而言，應(yīng)用于工業(yè)具有一定的局限性。本研究通過不同季節(jié)在室外大型平板式光生物反應(yīng)器中，利用小球藻處理市政污水，測(cè)定相應(yīng)的水化學(xué)指標(biāo)，來探究小球藻在室外較大規(guī)模進(jìn)行的污水處理能力及工業(yè)應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

藻種：小球藻（Chlorella zofingiensis），湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院選育。

藻種培養(yǎng)采用BG－11培養(yǎng)基，24h光照，25℃±1℃培養(yǎng)。收取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期小球藻，離心濃縮，棄去上清液，用蒸餾水沖洗、離心2次以去除吸附在藻細(xì)胞表面的培養(yǎng)基，然后用無菌蒸餾水懸浮。

本實(shí)驗(yàn)中污水直接取自市政污水管道，紗網(wǎng)過濾較大固體物質(zhì)。每次實(shí)驗(yàn)取用污水約150L。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 污水接種小球藻 將濾除較大固體物質(zhì)后的污水運(yùn)至平板式光生物反應(yīng)器（圖1），接種制備好的藻液至OD值為1左右。工業(yè)應(yīng)用的前提除考察小球藻對(duì)大量污水的處理效率外，還在不同季節(jié)氣候條件下小球藻室外處理污水的適應(yīng)能力。所以實(shí)驗(yàn)分4次進(jìn)行：春季實(shí)驗(yàn)于4月進(jìn)行，夏季實(shí)驗(yàn)于7月進(jìn)行，秋季于11月進(jìn)行，冬季于來年1月進(jìn)行。

圖1 平板式光生物反應(yīng)器

1.2.2 取樣及測(cè)定方法 室外實(shí)驗(yàn)周期為6d，每天通氣10h，早上8點(diǎn)通氣，下午18點(diǎn)停氣，取樣時(shí)間點(diǎn)為8點(diǎn)，12點(diǎn)，18點(diǎn)，需測(cè)定溫度、OD、干重、氨氮、總氮、總磷、COD以及BOD。污水的各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法按照國標(biāo)法，NH4＋－N按照納氏試劑分光光度法［15］，TN按照堿性過硫酸鉀法［16］，TP按照鉬酸銨分光光度法［17］，COD按照重鉻酸鹽法［18］，BOD按照稀釋與接種法［19］。

2 結(jié)果和討論

2.1 氨氮的去除

微藻可以利用的氮源包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，并且微藻會(huì)優(yōu)先利用NH4＋－N，再是NO3—N，最后是簡(jiǎn)單有機(jī)氮。微藻對(duì)無機(jī)氮的同化過程主要包括以下3步：a）微藻在一種特定的酶的協(xié)助下將硝酸鹽等無機(jī)氮吸收到細(xì)胞內(nèi)，該吸收過程需要能量；b）在ATP作用下通過硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶連續(xù)活化催化將硝酸鹽還原為銨，并且消耗8個(gè)電子；c）將還原生成的銨并入碳骨架［20］。

圖2 NH4＋－N的體積質(zhì)量變化及去除率

由圖2可以看出，每次實(shí)驗(yàn)的氨氮體積質(zhì)量在接種后24h內(nèi)都會(huì)有較大降幅，氨氮短時(shí)間內(nèi)去除率較高，除了小球藻對(duì)水樣中氨氮的利用，也有可能是通氣造成水體攪動(dòng)使得氨氮含量下降。對(duì)比氨氮的體積質(zhì)量變化和去除率，春季實(shí)驗(yàn)的處理效果較好，24 h內(nèi)去除率可達(dá)74%，72h內(nèi)便可將氨氮體積質(zhì)量由原水的27.81mg／L降至4.47mg／L，已達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（5mg／L）［21］，培養(yǎng)至第4d達(dá)最高去除率96%。有研究將初級(jí)處理的生活污水與海水進(jìn)行1∶1稀釋后對(duì)102種微藻進(jìn)行培養(yǎng)和篩選，發(fā)現(xiàn)一些藻種在培養(yǎng)7d甚至更短時(shí)間后就可以去除水中90%的銨鹽［22］。夏季實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)過4d的培養(yǎng)，氨氮體積質(zhì)量由43.22mg／L降至2.96mg／L，相應(yīng)去除率為93%。如果對(duì)小球藻進(jìn)行一定的預(yù)處理，可以提高小球藻的處理效率，氨氮的去除最高可以達(dá)到99.8%［23］，本次實(shí)驗(yàn)在第6d達(dá)最高去除率的99.86%，秋冬季的氨氮需經(jīng)5～6d才能處理達(dá)標(biāo)，冬季實(shí)驗(yàn)時(shí)氨氮的檢測(cè)值在5～8mg／L范圍波動(dòng)，整體降低趨勢(shì)不明顯，最高去除率分別為88.46%和63.72%，對(duì)原水氨氮體積質(zhì)量范圍為16.95～43.2 mg／L，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)處理至0.059～6.14mg／L，去除率范圍為63.72%～99.86%。綜合比較每季實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著處理時(shí)間增加，能得到更好的氨氮去除效果，其中春季實(shí)驗(yàn)小球藻的處理效果較好，冬季實(shí)驗(yàn)時(shí)室外溫度較低，日平均氣溫僅1℃，影響了小球藻的活性，使得小球藻不能充分利用污水中的氨氮，而且低溫環(huán)境下氣體擾動(dòng)對(duì)污水中氨氮的揮發(fā)量也有一定影響。

2.2 總氮的去除

總氮的變化曲線見圖3。對(duì)污水總氮體積質(zhì)量范圍為18.24～32.14mg／L進(jìn)行6d的批次培養(yǎng)，可獲得的最高去除率為51.76%～97.66%。對(duì)比總氮的體積質(zhì)量變化和去除率發(fā)現(xiàn)，春季實(shí)驗(yàn)總氮于24h內(nèi)由32.14mg／L降至10.37mg／L，已低于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的15mg／L，去除率為67.7%，培養(yǎng)至第4天達(dá)最高去除率92.8%，夏季實(shí)驗(yàn)總氮的變化和氨氮的變化基本一致，實(shí)驗(yàn)至第3天中午達(dá)標(biāo)，但夏季實(shí)驗(yàn)的最高去除率可以達(dá)到97.66%，明顯高于其他三季，秋冬季總氮的變化平緩，分別于第3天中午和第5天下午處理達(dá)標(biāo)，4次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)總氮含量為0.81～12.63mg／L。有研究利用經(jīng)紫外線處理后的小球藻（Chlorella vulgaris）處理500mL的廢水奶牛場(chǎng)，可以去除約63.6%～95.4%的總氮［23］，而本研究中直接取用過濾后的市政污水約150L進(jìn)行室外大規(guī)模培養(yǎng)，最高除氮率可達(dá)97.66%。

圖3 TN的體積質(zhì)量變化及去除率

因?yàn)榘钡伎偟s86%～97%左右是氮在水中的主要存在形式，接種后72h內(nèi)顯示出總氮的去除率較高，和氨氮變化曲線基本吻合，后期有機(jī)氮不能被小球藻完全利用，水樣中的總氮去除率也沒有明顯升高。

2.3 總磷的去除

藻類優(yōu)先吸收利用HPO42－和H2PO4－形式的磷，吸收的磷用來合成有機(jī)或無機(jī)化合物。微藻對(duì)無機(jī)磷酸鹽的吸收利用之外還對(duì)含磷的化合物有表面吸附沉降作用。藻類生長(zhǎng)導(dǎo)致pH升高，使得溶解性磷酸鹽和水中的鈣離子形成磷酸鈣沉淀，再被藻類吸附沉降［24］。總磷的體積質(zhì)量變化及去除率見圖4。

圖4 TP的體積質(zhì)量變化及去除率

對(duì)比總磷的體積質(zhì)量變化和去除率發(fā)現(xiàn)，春冬季的總磷去除效果較好，春季培養(yǎng)24h內(nèi)由2.35 mg／L降至0.12mg／L，去除率達(dá)95%，冬季培養(yǎng)48 h內(nèi)由2.31mg／L降至0.2mg／L，均低于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的0.5mg／L，實(shí)驗(yàn)后期水樣磷含量變化趨于平緩，夏季和秋季磷變化波動(dòng)較大，整體下降趨勢(shì)一致，夏季實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)至第6天處理達(dá)標(biāo)，秋季則在72h內(nèi)由2.2mg／L降至0.45mg／L。有研究利用沙角衣藻等4種藻去除污水中的磷，去除率達(dá)70%以上，藻類去除磷能力的大小是由單個(gè)細(xì)胞的吸磷量和藻體生物量共同決定的［25］。每季實(shí)驗(yàn)時(shí)小球藻生物量的增長(zhǎng)情況有所差別，這也是小球藻脫氮除磷效果差異性的原因之一。本研究對(duì)磷含量2.2～2.37mg／L污水進(jìn)行小球藻培養(yǎng)期間，可獲得最高磷去除率為79.37%～97.85%，而且小球藻對(duì)磷的利用率在24h內(nèi)達(dá)到較高的值，此后水樣中的磷含量在較低水平浮動(dòng)，后期小球藻的生長(zhǎng)應(yīng)該是處于缺磷的狀態(tài)。綜合來看，春季和冬季小球藻的除磷效果較好，夏季實(shí)驗(yàn)期間日平均溫度為30℃，但是取樣時(shí)多次測(cè)得光生物反應(yīng)器內(nèi)污水的溫度達(dá)42℃，并且實(shí)驗(yàn)期間經(jīng)歷多次極端高溫，可能造成部分藻體死亡、生物量降低，進(jìn)而影響處理效果。

2.4 COD和BOD5的去除

COD的變化和去除率見圖5。COD的測(cè)量頻率是每天一次，4次實(shí)驗(yàn)中原水的COD值范圍是196.4～336.89mg／L，小球藻對(duì)于有機(jī)物的去除在短時(shí)間內(nèi)并不能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的50mg／L，有研究在奶牛場(chǎng)廢水中培養(yǎng)經(jīng)過不同預(yù)處理的小球藻，4d后其COD去除率最高可以達(dá)到74.8%［23］，本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水樣中的COD降到45.31～78.4mg／L，去除率達(dá)60.1%～86.6%。延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間可以獲得更高的COD去除率，但考慮到運(yùn)行成本，會(huì)選擇相對(duì)最佳的處理時(shí)間。

圖5 COD的變化及去除率

BOD5變化見圖6。4次實(shí)驗(yàn)中冬季的BOD5去除效果最好，達(dá)91.5%。接種前，BOD5為206.1mg／L；經(jīng)6d實(shí)驗(yàn)處理后，BOD5為17.42mg／L。BOD的降低可能導(dǎo)致碳源不足而影響脫氮效果。秋冬季的氮含量下降趨勢(shì)較為平緩可能是培養(yǎng)期間碳氮比不利于小球藻對(duì)氮的吸收。春季實(shí)驗(yàn)時(shí)，接種前測(cè)得污水的BOD5為327.2mg／L；經(jīng)6d的實(shí)驗(yàn)處理后測(cè)得BOD5為33.16mg／L，去除率達(dá)89.87%。有實(shí)驗(yàn)表明，在以人工配比污水培養(yǎng)活性藻系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)10個(gè)周期，每個(gè)周期運(yùn)行7d，COD的平均去除率為90.89%，相應(yīng)的BOD5的平均去除率為95.77%。當(dāng)BOD與COD的初始體積質(zhì)量比值為0.55%左右，有利于生化處理［26］。

圖6 BOD的變化及去除率

2.5 OD和干重的變化

對(duì)小球藻OD在540nm波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于干重的稱量，每次抽濾時(shí)做一個(gè)平行，烘干后稱量計(jì)算干重并取平均值。從圖7可以看出，小球藻的OD和干重變化基本一致，接種后先稍稍降低然后增加，可能是小球藻對(duì)污水營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的短期適應(yīng)，春季實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)至第4天下午達(dá)最高生物量0.55g／L，為初始值的2.1倍，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)可獲得0.425～0.467g／L干重物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)期間曾遇到高溫和陰雨天，對(duì)小球藻的生長(zhǎng)有一定的影響，并且市政污水過濾后仍有明顯懸浮物質(zhì)，接種小球藻后可能發(fā)生絮凝沉降導(dǎo)致OD和干重的下降，干重稱量的平行實(shí)驗(yàn)時(shí)，濾膜本身對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，這也造成了實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，由于是批次培養(yǎng)，在小球藻充分利用污水中氮磷后不能給小球藻以補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)后期小球藻生物量的增長(zhǎng)較為緩慢。

圖7 OD值及干重的變化

綜上所述，小球藻對(duì)于市政污水的脫氮除磷效果較為理想，COD的去除不能在48h內(nèi)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，如果要進(jìn)行工藝化應(yīng)用，則要考慮結(jié)合其他方法來快速降低COD。

3 結(jié)果與結(jié)論

從表1中可以看出，市政污水中氮、磷和有機(jī)物含量偏高，氮主要以氨氮形式存在，而夏季總氮的測(cè)定值低于氨氮的測(cè)定值，這可能是在堿性介質(zhì)條件下，氨氮以氨氣形式逸散在消解管的氣相中，使得測(cè)出的總氮只是硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和部分氨氮之和。本研究中小球藻對(duì)市政污水的室外處理實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出較強(qiáng)的脫氮除磷能力，而且在實(shí)驗(yàn)過程中，沒有對(duì)污水進(jìn)行滅菌處理，平板式光生物反應(yīng)器沒有進(jìn)行封閉，也未產(chǎn)生其他藻種競(jìng)爭(zhēng)，體現(xiàn)了小球藻能夠適應(yīng)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)應(yīng)用的潛力，這是工藝應(yīng)用的前提。在實(shí)驗(yàn)過程中，COD的測(cè)量值有反復(fù)，可能是培養(yǎng)過程中藻細(xì)胞分泌了自身難以利用的胞外物質(zhì)［27］。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，獲得0.425～0.467g／L干物質(zhì)，可用于后續(xù)加工。

表1 污水的各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)值mg·L－1

本次實(shí)驗(yàn)分4次在室外進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中極端天氣因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。但小球藻對(duì)主要污染物的去除有良好表現(xiàn)，如果要應(yīng)對(duì)更大的處理量，需添加輔助設(shè)備來保證在極端環(huán)境因素影響下小球藻的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，為避免環(huán)境的影響，可以在高溫天氣下采用冷凝水循環(huán)使小球藻處理溫度保持30℃左右，在低溫時(shí)添置加加熱裝置，保持水溫在15℃左右，以保證小球藻達(dá)到處理要求的生物量，后續(xù)實(shí)驗(yàn)可能考慮應(yīng)用技術(shù)成熟、成本低廉的太陽能設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)光。對(duì)于COD，后期會(huì)考慮在實(shí)驗(yàn)中加入一定的活性污泥菌群，來輔助降低污水中的COD，但是投入的藻菌的比例、投放密度、溫度、PH等還有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

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Study of Treating Urban Wastewater by Chlorella Zofingiensis Outdoor

XIANG Jingyi1，LIU Yixuan1，MEI Hong1，WANG Duanji1，2
（1 Key Laboratory of Ecological Remediation for Lakes and Algal Utilization of Hubei Province，Hubei Provincial Cooperative Innovation Center of Industrial Fermentation，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

In this study，the Chlorella zofingiensis was cultured in outdoor large flat plate photobioreactor in urban wastewater to investigate the urban wastewater treatment ability of chlorella zofingiensis under different seasons.The results showed that the effect of Chlorella zofingiensis in every season for denitrification and dephosphorization was significant，TN removal rate of 51.76%－97.66%，TP removal rate of 79.37%－97.85%.TN and TP after treatment could achieve the discharge standard of urban wastewater A level in a short time，the removal of COD was slightly longer when it was treated by chlorella zofingiensis culture system.Each wastewater treatment cycle could be harvested about 0.43g／L－0.47g／L of dry matter of chlorella for resource utilization.These results indicated the chlorella strain used in this study has great potential to be applied to urban wastewater treatment industry.

Chlorella zofingiensis；photobioreactor；urban wastewater

Q939.97，X52

A

［責(zé)任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0070－05

2017－05－11

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（91647207）；淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2014FB04）；河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（HHKF201508）；湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才引進(jìn)啟動(dòng)項(xiàng)目（BSQD13010）

項(xiàng)藎儀（1990－），女，湖北鄂州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槲鬯⒃遒Y源化處理技術(shù)

梅 洪（1979－），女，湖北武漢人，工學(xué)博士，研究方向?yàn)槟茉次⒃?/p>