城鎮(zhèn)污水廠尾水中硝態(tài)氮的微藻吸收效果研究①

張強(qiáng) 趙彤彤 張曉艷 朱云琦 周爽 周郡 趙春霞

（河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 河北保定 071002）

氮、磷等營養(yǎng)鹽是導(dǎo)致地表水體富營養(yǎng)化的主要因素，而污水處理廠尾水中有機(jī)碳源不足，反硝化作用不充分，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量較高。若采用常規(guī)的物理化學(xué)方法進(jìn)一步去除硝氮，會(huì)顯著增加污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用，并且可能帶來二次污染。藻類對(duì)氮磷的吸收作用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可[1-3]，采用合理的工藝與微藻的脫氮作用相結(jié)合[4-6]，不僅可以有效去除氮磷以及有機(jī)污染物，還可以回收微藻作為生物能源[7]。

本文主要研究和對(duì)比了兩種微藻對(duì)污水處理廠尾水中硝態(tài)氮的去除效果。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)鈍頂螺旋藻和四尾柵藻進(jìn)行了擴(kuò)大化培養(yǎng)，確定了最佳培養(yǎng)條件，然后篩選出鈍頂螺旋藻，進(jìn)行了藻量?jī)?yōu)化硝氮吸收實(shí)驗(yàn)，為采用微藻法吸收去除污水廠尾水中的硝氮提供了數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 微藻培養(yǎng)與擴(kuò)大培養(yǎng)

圖1 鈍頂螺旋藻與四尾柵藻的形貌

鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）屬藍(lán)藻門，原核生物，藻細(xì)胞藍(lán)綠色，藻絲螺旋狀，寬4～5μm，長400～600μm，頂端細(xì)胞鈍圓；四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）屬于綠藻門，綠球藻目，細(xì)胞為卵形，兩端各有1長刺，2～8個(gè)細(xì)胞排成群體，單細(xì)胞寬3.5～6μm，長8～16μm，兩種微藻均購自中科院淡藻庫[8]。鈍頂螺旋藻選擇Spirulina medium培養(yǎng)基，并需加入微量元素A5溶液1mL/L；四尾柵藻選擇BG11培養(yǎng)基，用鹽酸和氫氧化鈉將藻類培養(yǎng)基的pH值調(diào)至7.1。

在無菌操作下，將25mL相應(yīng)的培養(yǎng)基加入50mL玻璃錐形瓶?jī)?nèi)，并分別移入適量的鈍頂螺旋藻液和四尾柵藻液，瓶口用棉花和牛皮紙封住，置于智能人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，溫度25℃左右，光照強(qiáng)度6400Lux，光暗比12h：12h。每天定時(shí)搖晃錐形瓶，使藻種分布均勻，藻種每月重新接種一次。

1.2 藻量測(cè)定

采用干重法測(cè)量鈍頂螺旋藻的生物量，取一定量藻液經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，在80℃下烘干冷卻后稱重。同時(shí)取出一定量藻液稀釋成不同的濃度梯度，在其最大吸收波長560nm處測(cè)定其吸光度值，得到細(xì)胞干重濃度與吸光度的關(guān)系式，藻干重濃度(g/L)=0.3091A560-0.0146(R2=0.9997)。

四尾柵藻則通過生物顯微鏡和血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，并在650nm波長下測(cè)定其吸光度值，得到其細(xì)胞濃度與吸光度的關(guān)系式，藻細(xì)胞濃度(cell/mL)=10.097A650+0.0038(R2=0.9992)。兩種微藻的形貌如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

采用某城市污水處理廠尾水作為研究對(duì)象，進(jìn)行微藻脫氮實(shí)驗(yàn)。污水廠尾水中氨氮濃度0.2～1.5mg/L，總氮6～15mg/L，硝氮5～13mg/L，亞硝氮未檢出，COD濃度約30 mg/L，總磷0.3 mg/L以下。

1.4 濕藻投加量

取適量的藻液在4000 r/min 條件下離心5～10 min，將上清液棄去，用15mg /L NaHCO3溶液洗滌3次，分別接種到盛有25mL污水廠尾水的玻璃比色管中，并通過藻濃度與吸光度的關(guān)系式計(jì)算投加量。

1.5 主要儀器材料

本實(shí)驗(yàn)的主要儀器包括：智能人工氣候箱（RXZ寧波江南）、電熱恒溫干燥箱（上海精宏）、便攜式pH計(jì)（哈希）、紫外可見智能型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀（LH-3BA連華科技）、生物顯微鏡、紫外可見分光光度計(jì)。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純?cè)噭?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 藻種和填料的篩選

分別取適量的兩種藻液離心洗滌后投加到對(duì)應(yīng)的尾水比色管中，在溫度為25℃，光照強(qiáng)度為6400Lux，光暗比為12h:12h時(shí)，進(jìn)行藻種的篩選實(shí)驗(yàn)，注意經(jīng)常搖晃比色管，使微藻充分接觸水樣。向比色管中分別加入棉線或碳纖維，再投加一定量的微藻，使微藻附著在填料上生長進(jìn)行填料篩選實(shí)驗(yàn)。微藻光照處理12h后，取一定量的溶液經(jīng)過0.45μm水系濾膜后測(cè)定濾液的硝氮含量，兩種微藻和不同填料對(duì)硝氮的吸收效果如圖2所示。

分析圖2(a)，當(dāng)鈍頂螺旋藻投加量為0.04g/L和0.08g/L時(shí)，光照處理12h后，尾水中的硝氮濃度由6.57mg/L分別降至0.690mg/L和0.472mg/L，去除效率可達(dá)92.8%。當(dāng)四尾柵藻投加量為3×105cell/mL時(shí)，光照12h后，尾水中的硝氮濃度降至1.32mg/L，去除效率為79.9%。但當(dāng)兩種微藻的投加量過多時(shí)，會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)大量的死藻，導(dǎo)致硝氮去除效果下降。對(duì)比兩種微藻對(duì)硝氮的吸收效果，選用鈍頂螺旋藻對(duì)污水廠尾水中的硝氮進(jìn)行吸收去除。

圖2 微藻種類（a）和投量的選擇，鈍頂螺旋藻和四尾柵藻對(duì)污水廠尾水中硝氮的吸收效果

圖3 出水中硝氮（a）、pH值（b）和溶解氧（c）隨微藻光照處理時(shí)間的變化

由圖2(b)可知，光照處理12h后，碳纖維本身對(duì)硝氮具有一定的吸附效果（55.1%），而投加了鈍頂螺旋藻（0.08g/L）和四尾柵藻（3×105cell/mL）后，硝氮的去除效果反而下降，說明碳纖維表面的活性基團(tuán)對(duì)微藻的生長具有抑制作用，不利于兩種微藻對(duì)尾水中硝氮的去除。

分析圖2(c)，尾水硝氮濃度為6.418mg/L，光照處理12h后，棉線空白組出水中硝氮濃度為6.398mg/L，棉線無吸附作用，分別投加鈍頂螺旋藻和四尾柵藻的出水中硝氮分別降至0.472mg/L和1.342mg/L。結(jié)果表明微藻可以附著在棉線上生長，不用經(jīng)常搖晃比色管，即可達(dá)到水樣中硝氮的吸收去除。

2.2 鈍頂螺旋藻對(duì)尾水中硝氮的吸收效果

選取3種投加量（0.08g/L，0.16g/L和0.32g/L），取藻液離心洗滌后投加到50mL的尾水比色管中，在溫度為25℃，光照強(qiáng)度為6400Lux，光暗比為16h:8h時(shí)，進(jìn)行硝氮吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。光照處理0h、4h、8h、12h、16h，及黑暗8h后分別測(cè)定出水的pH值和溶解氧濃度，再經(jīng)過0.45μm濾膜后測(cè)定濾液的硝氮濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

分析圖3(a)，當(dāng)鈍頂螺旋藻投量為0.08g/L時(shí)，16h光照處理后，硝氮濃度由6.42mg/L降至0.555mg/L，再經(jīng)8 h黑暗處理后下降至0.015mg/L（99.8%）。而當(dāng)藻投量增加至0.16g/L時(shí)，光照處理8h后，硝氮濃度快速下降至0.188mg/L（97.1%），但由于水樣中的無機(jī)碳源和營養(yǎng)鹽不夠支持微藻生長，而出現(xiàn)藻細(xì)胞凋亡，釋放細(xì)胞質(zhì)的現(xiàn)象，導(dǎo)致隨著光照時(shí)間的增加脫氮效果下降，經(jīng)黑暗下呼吸8 h后，水質(zhì)明顯惡化。如果繼續(xù)增加藻量至0.32g/L，光照處理5h后，微藻大量繁殖，光合作用很強(qiáng)，固定無機(jī)碳源的過程會(huì)積累OH-并釋放氧氣，使得出水pH值和溶解氧值（DO）均顯著升高，但尾水中的硝氮去除效果卻不理想，發(fā)生了藻凋亡和分解，不宜繼續(xù)進(jìn)行光照處理。

分析圖3(b)和3(c)，在藻量投加過多時(shí)，光合作用使微藻適宜的pH值（7.1）明顯升高，富氧狀態(tài)也抑制了微藻的繁殖，從而導(dǎo)致大量的微藻凋亡，并釋放硝氮。此外，暗處理的8 h以呼吸作用為主，使出水中的pH值和DO濃度明顯下降，為下一個(gè)光合作用周期提供了基本條件。

3 結(jié)語

針對(duì)污水處理廠尾水中硝氮濃度高的問題，采用鈍頂螺旋藻和四尾柵藻為實(shí)驗(yàn)藻種，進(jìn)行了藻種和填料的篩選實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明兩種淡水微藻對(duì)尾水中的硝氮均有一定的去除效果，在藻量、光強(qiáng)、光暗比、溫度和pH等吸收條件相當(dāng)時(shí)，鈍頂螺旋藻表現(xiàn)出更好的脫硝效果，去除率達(dá)到92.8%。

采用不同投加量的鈍頂螺旋藻對(duì)污水廠尾水的硝氮進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)，在光照強(qiáng)度6400Lux，光暗比16h：8h，溫度25℃，藻量0.08g/L時(shí)，處理24h后，硝氮去除率達(dá)到99.8%。但當(dāng)鈍頂螺旋藻投量過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微藻凋亡，出水水質(zhì)會(huì)明顯下降。此外，光合作用和暗作用應(yīng)交替進(jìn)行（16h：8h），從而保證微藻適宜生長的pH和DO條件。