瓊脂包埋微藻用于處理氮磷廢水的研究*

胡 駿，林煒鐵，羅劍飛

(華南理工大學生物科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

近年來，隨著工農業生產的增長和人口的增長，使得大量富含N、P等營養物質的生活廢水、工業廢水以及農業廢水排入水體，由N、P引起的水體污染日益加劇，水體富營養化問題日益突出，對水體生態造成不利影響[1-3]。目前，生物營養素脫除(BNR)已經被廣泛用于廢水的脫氮除磷，其中，A2O(厭氧、缺氧、好氧)是最常用的方法，A2O的處理工藝至少需要三個生物反應器(厭氧池、缺氧池、好氧池)串聯在一起，通過好氧池和缺氧池中的硝化細菌和反硝化細菌進行硝化作用和反硝化作用脫氮，通過好氧池和厭氧池中的聚磷菌除磷，最后通過好氧池中的異養微生物去除COD[4-6]。盡管A2O工藝已經實現了較好的處理效果，但在可持續發展的理念下，運行條件復雜、成本高昂以及產生大量剩余的活性污泥造成二次污染等缺點仍然是巨大的挑戰[7]。因此開發一些高效率、低成本、環境友好型的廢水處理技術具有重要的現實意義。

微藻是一類光合利用率高的自養微生物，在生長過程中會大量吸收N、P等營養元素用于合成氨基酸、蛋白質、ADP、ATP、核酸等化合物用于自身生長所需。氮作為微藻細胞中最重要的有機物合成元素占細胞干重的1%～11%[8-9]。早在1957年，Oswald等[10]提出的高速率藻類池(HRAP)將基于微藻類的系統開創性地引入廢水處理中，微藻吸收廢水中的養分，同化為生物活性物質(油脂、蛋白質等)，在積累微藻生物質的同時，還實現了廢水的凈化。因此，將微藻培養與廢水處理相結合已被視為具有高應用價值的可持續且具有成本效益的策略[11]。然而，由于藻細胞微小，細胞收獲技術成為限制基于微藻的工藝應用的主要障礙[12]，迄今為止，已經有大量關于微藻細胞收獲技術的研究，例如離心、過濾、絮凝和重力沉降等[13-14]。隨著固定化技術的發展，在微藻培養中利用固定化技術被認為是從水中分離微藻的有效方法。角叉菜膠、瓊脂、藻酸鹽作為天然凝膠是幾種比較常用的固定化載體[15]。利用微藻細胞固定化技術能夠很好地克服細胞采收的障礙。基于微藻處理工藝，結合固定化技術，國內外學者開展了一些研究：Tao等[16]研究利用纖維作為微藻固定載體用于處理氮磷廢水以及生物質的積累；王曉紀等[17]研究了固定化菌藻共生生物膜反應器脫氮除磷效果評價；賁月等[18]研究利用了聚乙烯醇與海藻酸鈉固定包埋銅綠微囊藻對磷的吸附效果。本研究基于我們之前開發的利用瓊脂包埋微藻的固定化技術[19]，自主設計柱狀光連續處理反應器，研究利用固定化藻處理氮磷廢水，并進行實際廢水處理效果評價，為微藻處理工藝在實際工程應用中提供參考和理論指導。

1 實 驗

1.1 材 料

1.1.1 藻 種

實驗所用的微藻藻種為ChlorellasacchrarophilaFACHB-4，購自中國科學院淡水藻種庫。

1.1.2 培養基

培養基為BG-11[20](mg·L-1)：NaNO31500；K2HPO440；MgSO475；CaCl2·2H2O 36；檸檬酸6.0；檸檬酸鐵6.0；Na2-EDTA 1.0；Na2CO320.0；MnCl2·4H2O 1.81；ZnSO4·7H2O 0.22；NaMoO4·2H2O 0.39；CuSO4·5H2O 0.79；CoNO3·6H2O 0.049；pH=7。

1.1.3 實驗儀器

實驗主要儀器有：光照培養箱；分光光度計；冷凍離心機等。實驗裝置為柱狀光反應器，如圖1所示，反應器由有機玻璃制成，為圓柱體，內徑為0.8 m，高度為0.6 m，分為5個床層，有效體積為10 L，反應器四周使用LED燈充當光源，底部裝有曝氣裝置。

圖1 柱狀光反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of a cylindrical photoreactor

1.1.4 實驗廢水

實驗后期運行所用廢水取自廣州市瀝滘污水處理廠的生化池進水，水質指標為氨氮20～25 mg·L-1；磷酸鹽濃度為3～5 mg·L-1；COD濃度為250～300 mg·L-1；pH為7.0～7.2。

1.2 實驗方法

1.2.1 微藻的培養

實驗所用的藻種為小球藻，培養基為BG-11培養基，種子液的培養接種單藻落到50 mL(100 mL錐形瓶)BG-11中，在光照培養箱(ZQLY-180，Zhichu Instruments Co., Ltd, Shanghai, China)中培養，溫度30 ℃，光照強度100 μmol·s-1·m-2，光暗比為12:12[21]。培養3～4天至對數生長期，再轉接至600 mL(1000 mL錐形瓶)BG-11中擴大培養6～7天至穩定期。

1.2.2 微藻干重的確定

微藻干重的直接測量方法：先將2 mL離心管于105 ℃烘箱內烘干，至干燥器內冷卻至室溫，準確稱重，記錄重量m1(g)，離心 2 mL微藻培養液至離心管中，取沉淀，在105 ℃烘箱內烘干，至干燥器內冷卻至室溫，準確稱重，記錄重量m2(g)。干重(g·L-1)=(m2-m1)×100。將藻液梯度稀釋，使用分光光度計測OD680，以橫坐標(x)為OD680，縱坐標(y)為藻液干重，建立藻液干重與OD680對應的標準曲線，得到：y=0.4235x-0.0057(R2=0.999)，以藻液在OD680的光密度來反應微藻的生物量。

1.2.3 固定化藻顆粒的制備

微藻擴培養至穩定期，OD680為2.2左右，藻干重濃度約為1 g·L-1，取100 mL的藻液濃縮至10 mL，濃縮時使用聚合氯化鋁(PAC)和蒙脫土的復配絮凝劑，復配比例為1:4。將10 mL的藻濃縮液與90 mL熔融狀態(溫度為40 ℃左右)的瓊脂(濃度為20 g·L-1)混合均勻，制成1 cm×1 cm的正方體顆粒，藻顆粒的終濃度為1 g·L-1[19]。制成的藻顆粒呈綠色，機械強度良好。

1.2.4 反應器的運行

啟動反應器：將固定化藻顆粒投加至反應器中，投加量為40顆/100 mL，蠕動泵設置流速為10 L·d-1，即水力停留時間(HRT)為24 h，反應器運行期間設置24 h光照，光照強度為100 μmol·s-1·m-2，廢水以一定的流速至下而上通過固定顆粒組成的床層，在出水口排出。運行期間定期更換一定量(約1/3)的固定化藻顆粒，每天取進水口和出水口的水樣進行水質分析。

2 結果與討論

2.1 反應器的初步運行與效果評價

圖2 反應器初步運行進水與出水濃度變化及去除率Fig.2 The concentration and removal efficiency of in the influent and effluent during the initial operation of the reactor

2.2 曝氣對反應器脫氮除磷的影響

圖3 反應器曝氣與非曝氣進水與出水濃度變化及去除率Fig.3 The concentration and removal efficiency of in the influent and effluent under aeration and unaeration

2.3 實際廢水處理效果評價

表1 反應器運行實際廢水進水與出水濃度變化及去除率Table 1 The concentration and removal efficiency of and COD in the influent and effluent during reactor operation with real wastewater

表2 反應器運行實際廢水效果評價Table 2 Evaluation of the real wastewater effect of reactor operation

圖4 反應器運行實際廢水出水水質對比國標情況Fig.4 Comparison of real wastewater effluent quality of reactor operation with national standards

3 結 論