固定化小球藻處理條件對低碳氮比生活污水處理的影響

劉金金，馬興冠

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

目前，生活污水在進入污水處理廠時碳氮比普遍較低，生活污水的水質相比從前發生很大的變化，碳含量低，氮磷含量高成為了主要的特點。傳統的污水處理系統在不補充碳的情況下，其脫氮除磷的效果并不理想[1]，導致現有的污水處理系統的處理效果一般，如果出水中氮磷含量過高，可能會造成諸如營養物質含量過高等嚴重后果[2]。因此，近年來，低碳氮比的污水處理已成為研究的熱點。

2 試驗

2.1 試驗用水

試驗進水模擬低碳氮比生活污水水質的條件，碳源、氮源和磷源分別使用乙酸鈉、NH4Cl和K2HPO4，根據微生物生長的要求，添加0.1 mg/L的微量元素。表1中列出了主要的水質指標。

表1 試驗用水主要水質指標 mg/L

2.2 小球藻的培養

實驗所用藻為小球藻，將所購買的300 mL小球藻濃縮液放于3 L BG-11培養基中，溫度設為25°，光照強度是4000 lux，光周期為12∶12，將培養缸放于培養箱，培養周期為3～4 d至對數生長期。

2.3 測定項目及方法

2.3.1 水質監測方法

水質監測方法依據《水和廢水監測分析方法》進行分析，測定項目及分析方法如表2所示。

表2 測定項目及分析方法

2.3.2 小球藻干重的確定

將2 mL離心管烘干，冷卻至室溫后，準確稱重，重量記為m1(g)，將2 mL小球藻培養液離心，提取沉淀，烘干后冷卻至室溫，準確稱重，重量記為m2(g)。干重(g/L)=(m2-m1)×100[10]按梯度稀釋藻液，利用分光光度計測OD680，以橫坐標x為OD680，縱坐標y為藻液干重，建立對應曲線，得到y=4.29x+0.1431(R2=0.9987)，利用藻液在OD680的光密度來反映微藻的生物量。

2.3.3 固定化小球藻顆粒的制備

本次試驗利用海藻酸鈉固定小球藻，海藻酸鈉是天然多糖，它具有穩定性、溶解性、粘性和安全性等多種優點，其水溶液黏度較高，并且在氯化鈣溶液中可以形成穩定的多孔結構的膠球，是使用較多的固定化載體，其多孔結構有利于藻細胞吸收利用水中氮磷等物質。其配置方法如下。

海藻酸鈉溶液：緩慢在100 mL去離子水中加入1 g/2 g/3 g海藻酸鈉，在水浴鍋內加熱攪拌，溶解在溶液中，制成質量分數為1%、2%、3%的海藻酸鈉溶液，并在高壓鍋中進行滅菌。

氯化鈣溶液：緩慢在100 mL去離子水中加入1 g/2 g/3 g氯化鈣，加熱攪拌使其溶解，制成質量分數為1%、2%、3%的氯化鈣溶液，并在高壓鍋中進行滅菌。

擴培養至穩定期(OD680為2.2左右)的小球藻(藻干重濃度約為10 g/L)，取100 mL藻液，將滅菌的不同質量分數(1%、2%、3%)的海藻酸鈉溶液與其混合均勻，配置成混合液，再用注射器吸取10 mm，并套上12號針頭，在滅菌的不同質量分數的氯化鈣溶液的液面上方，滴入混合液，固定成小球藻膠球，其直徑大約為4 mm左右，將形成的膠球置于4 ℃的冰箱中固定16 h，在此之后，用去離子水洗滌兩次。用蒸餾水代替小球藻溶液來做空白組試驗，操作同上。共10組實驗組，將100 mL的藻液全部固定，做兩組平行實驗。

2.4 試驗過程

本階段試驗為靜態試驗，共10組試驗。首先在已滅菌的250 mL廣口錐形瓶中加入150 mL的相應的人工配置廢水，初始氨氮濃度為14mg/L，COD含量為140 mg/L，總磷為5 mg/L。將等干重的小球藻膠球和空白膠球分別投入到已滅菌的裝有150 mL人工配置廢水的錐形瓶中，置于培養箱中培養，培養條件同1.2，共監測14 d，每天對錐形瓶中的氨氮、COD、總磷濃度進行測定，測定去除效率，觀察小球藻的生長情況。

3 結果與分析

3.1 各反應器對變化及去除效果

圖1 各個反應器的去除效果

3.2 各反應器對TP變化及去除效果

由圖2可知，固定化小球藻對磷的去除情況。反應一開始對TP的去除效果趨于一致，均對磷有著較快的去除效率，但最后呈現出不同的去除效果。相比氨氮來說，固定化小球藻對磷的吸收效果較差，在氨氮存在的情況下小球藻主要吸收氨氮。相比之下，空白對照組的總磷濃度略有下降，主要是因為膠球中游離的Ca2+離子與污水中的正磷酸鹽反應沉淀，導致水中的磷濃度下降。反應到達第7天的時候，總磷的濃度小于1 mg/L，最后3%SA2%CACl2組的數據呈現最好，去除率達到了85%左右，1%SA3%CACl2和 2%SA2%CACl2這兩組的去除效果也很不錯，分別達到了79.6%和79.2%，其他組的去除效率均高于60%，但遠沒有這3組效果好。反應第8天，1%SA1%CACl2、1%SA2%CACl2、1%SA3%CACl2、2%SA1%CACl2、2%SA2%CACl2、2%SA3%CACl2、3%SA1%CACl2、3%SA2%CACl2、3%SA3%CACl2及空白的反應器對TP的去除率分別達到了69%、76.2%、75%、72.8%、79%、69.2%、71%、84.6%、67.2%、17%。分析原因是因為小球藻作為光和自養型生物需要充分的光合作用，隨著海藻酸鈉和CACl2質量比不斷地變化，導致對小球藻包埋效果不同，隨之對總磷的去除效果不盡相同。后期固定化小球藻對于TP的去除率不再變化，推測是因為固定化膠球在后期會出現膠球不穩定的情況，導致一些藻細胞泄露，影響了磷去除的效率。吳義誠等人利用納米提高了小球藻對水中總磷的去除,實驗結果顯示總磷去除率隨著膠球加入量的增加和膠球粒徑的減小而提高[15]。

圖2 各個反應器TP的去除效果

3.3 各反應器對COD的變化及去除效果

如圖3所示為各反應器對COD的去除效果。反應第4天固定化體系對COD都有較好的去除效果，有的試驗組減少到了45～60 mg/L，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級B排放標準60 mg/L。3%SA2%CACl2組對COD的去除率高達62.82%，3%SA3%CACl2對COD的去除率高達63.96%。反應第8 d，1%SA1%CACl2、1%SA2%CACl2、1%SA3%CACl2、2%SA1%CACl2、2%SA2%CACl2、2%SA3%CACl2、3%SA1%CACl2、3%SA2%CACl2、3%SA3%CACl2及空白的反應器對COD的去除率分別達到了70.57%、68.65%、68.02%、66.84%、67.18%、72.08%、75.8%、78.12%、78.23%和31.93%，均顯示出了不錯的去除效果。從COD的去除規律來看，海藻酸鈉含量越高，COD的去除率相對較高，可見在固定化體系中，SA的含量很重要。由圖3可知，去除效果最好的反應器是3%SA3%CACl2組，第14 d的去除率達到了78.82%，其次是3%SA2%CACl2組反應器，第14天的去除率達到了78.66%。后期固定化小球藻對于COD的去除率不再變化，推測是因為固定化膠球在后期由于固定化影響了小球藻光合速率[16],但是抗逆能力提高，導致其對COD的去除率到達一定程度后便變化甚微，但將小球藻固定化會保留并延長懸浮態小球藻的生長活性,從而提高其脫氮除磷效果[17,18]。

圖3 各個反應器COD的去除效果

4 結論

固定化小球藻對低碳氮比的生活污水處理效果非常明顯，并且存在最佳的固定化比例。當海藻酸鈉和CACl2比例為3%SA2%CACl2時，對低碳氮比污水中的氨氮、總磷和COD的去除效果最好。經過兩周的連續監測，此試驗組對氨氮的去除率達到了77%，對總磷的去除率達到了85%，對COD的去除率達到了78.66%。在水力停留時間為8 d時，根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)，對氨氮、總磷、COD的去除效果已經達到一級A排放標準。分析結果，固定化后的膠球結構對小球藻主要起到了固定和保護的作用，加強了小球藻對氮磷的同化作用，吸收氮磷營養元素合成自身生物質，所以對氨氮、總磷有很好的去除效果。