微藻對中水深度處理的效果研究

宋培學(xué)，王怡，宋賓，劉藝，袁丹青

(棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

中國作為全球十三個貧水國之一，水資源短缺問題十分嚴(yán)峻的同時水環(huán)境污染狀況嚴(yán)重[1].關(guān)于微藻生物處理技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用研究已經(jīng)進(jìn)行了半個多世紀(jì)，微藻生物處理工藝在20世紀(jì)50年代首先被Oswald等提出，微藻不僅有很強(qiáng)的氮磷吸收能力還能很好的富集重金屬，能夠處理一定含量的有毒無機(jī)鹽[2～4].藻類生物技術(shù)在我國已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，在市場上也有了可觀的生產(chǎn)規(guī)模，微藻在污水的深度處理的進(jìn)一步資源化利用方面具有很大的發(fā)展?jié)摿?棗莊學(xué)院污水處理廠處理的廢水多為生活污水，水中氮磷含量較高.本研究選用普通小球藻、萊茵衣藻和柵藻,利用微藻吸收中水的氮磷，使出水中氮磷含量符合一級A的排放標(biāo)準(zhǔn).本實驗旨在對比研究小球藻、衣藻和柵藻對污水處理廠中水的氮磷含量的影響.

1 實驗

1.1 主要儀器與試劑：

表1 實驗儀器

1.2 主要試劑：

中水：山東省棗莊學(xué)院污水處理廠中水.

藻種：小球藻、萊茵衣藻和柵藻(取自中國科學(xué)院武漢水生生物研究所藻種庫).

培養(yǎng)基：將1 L滅菌后的超純水放置至室溫，加入1 mL營養(yǎng)液.

2 實驗步驟

2.1 微藻的培養(yǎng)

將2mL小球藻、衣藻和柵藻的藻種在凈化工作臺上接種在150 mL培養(yǎng)基中,在光照培養(yǎng)箱中培育微藻，設(shè)置溫度為25℃，光暗比為12h:12h，采用4級光照強(qiáng)度.

2.2 確定最適中水比例

將棗莊學(xué)院污水處理廠的中水經(jīng)121℃滅菌20 min，并與超純水和培養(yǎng)基分別按照1:1，1:4，4:1比例混合，在250 mL錐形瓶中混合成200 mL混合液，以培養(yǎng)基作為對照組，接種1 mL微藻，用3層經(jīng)過紫外線殺菌的紗布封口，每日搖晃2-3次，防止微藻沉淀.在光照培養(yǎng)箱中經(jīng)一周的培養(yǎng)觀察，比較其生長狀況，發(fā)現(xiàn)中水與超純水1:1比例的混合液中微藻長勢最好.

2.3 微藻處理中水

將滅菌后放置至室溫的1 L中水放入2 L的量筒中，再加入1 L超純水，中水和超純水按照1:1的比例混合，用經(jīng)紫外線消毒后的紗布罩在量筒上，防止異物落入量筒中，每種微藻做三組平行樣，分別接種10 mL小球藻、衣藻和柵藻藻種，微藻初始濃度約為3×105ind/mL，在自然條件下一次性培養(yǎng)，溫度為25℃，每2個小時用玻璃棒攪拌一次，每隔48 h用移液管取水樣100 mL水樣并經(jīng)砂芯過濾器真空抽濾.實驗周期為2周，通過數(shù)據(jù)對比分析研究3種微藻對水樣中氮磷的處理效果和微藻的生長情況，測定指標(biāo)和測定方法如表2所示.

表2 測定指標(biāo)與測定方法

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 微藻數(shù)量濃度分析

微藻的生長情況如圖1所示：

圖1 微藻生長的密度

微藻可以通過光合作用有效且低成本的去除水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以促進(jìn)自身生長繁殖.衣藻、柵藻和小球藻的接種密度密度約為3×105ind/mL.總體來看微藻密度呈現(xiàn)逐步上升趨向，衣藻和柵藻的長勢大致相同，培養(yǎng)至第11天為接種密度的6.7和6.5倍.小球藻的環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)，光合作用強(qiáng)，培養(yǎng)至第5天時增長迅速，為初始濃度的5.6倍，11天后為初始濃度的9.1倍.中水中微藻們的生長狀況良好，小球藻的密度明顯高于衣藻和柵藻的密度.

3.2 磷酸鹽含量分析

磷酸鹽的濃度變化如圖2所示：

圖2 磷酸鹽的濃度

微藻通過底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化三種途徑，使得磷酸鹽轉(zhuǎn)化成磷脂儲存在細(xì)胞內(nèi)[5].整體看，中水中磷酸鹽的含量逐漸降低，小球藻和衣藻中磷酸鹽濃度曲線變化大致相同，前7天，磷酸鹽濃度降低速度最快，成正比例下降，小球藻和衣藻對中水中磷酸鹽去除率分別達(dá)到92.5%、94.5%，培養(yǎng)至第9天，磷酸鹽的去除率最大，達(dá)到97%、96.2%.9天后磷的含量稍微升高但趨于穩(wěn)定，培養(yǎng)至11天后，磷酸鹽的去除率分別為93%、92.6%.柵藻對中水中磷酸鹽的去除率逐漸增大，培養(yǎng)至11天后，磷酸鹽的去除率分別為84%.小球藻和衣藻對中水中磷酸鹽的去除率優(yōu)于柵藻.圖中磷酸鹽的含量上升的原因可能是由于在低氮低磷的情況下，微藻生長受到抑制，活性較低的微藻逐步死亡，使得磷酸鹽含量升高.

3.3 氨氮含量分析

氨氮濃度變化如圖3所示：

圖3 氨氮濃度

三種藻對中水中氨氮的去除率如圖3-6所示.從圖可以看出，培養(yǎng)至第3天，中水中氨氮濃度都降低，氨氮去除率約為22%，培養(yǎng)至第5天氨氮濃度都上升，上升原因可能是由于氨化作用和固氮作用，水樣中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮以及微藻可將空氣中的氮氣固定.培養(yǎng)至第11天，小球藻、衣藻和柵藻對中水中氨氮去除率分別約為65%、30%、22%.小球藻對中水中氨氮的去除率優(yōu)于衣藻和柵藻.

3.4 亞硝酸鹽氮含量分析

亞硝酸鹽氮的濃度變化如圖4所示：

圖4 亞硝酸鹽氮的濃度

三種藻對中水中亞硝酸鹽氮的去除率如圖4所示.總體看小球藻和衣藻對中水中亞硝酸鹽氮的去除率相似，中水中亞硝酸鹽氮濃度先上升后下降，柵藻對中水中亞硝酸鹽氮的去除率效果不明顯，培養(yǎng)至11后，小球藻、衣藻和柵藻對中水中亞硝酸鹽氮的去除率分別為32%、75%、17%.因為水樣中亞硝酸鹽氮的初始含量較低，該濃度差異在誤差范圍之內(nèi).

3.5 本章小結(jié)

微藻將水作為電子供體，以二氧化碳和溶液中的碳酸鹽作為碳源，將氮磷作為營養(yǎng)物質(zhì)在葉綠體內(nèi)進(jìn)行光合作用產(chǎn)生O2并合成自身所需的細(xì)胞物質(zhì)如：氨基酸、蛋白質(zhì)和磷脂等.還可以生產(chǎn)豐富的生物質(zhì)，產(chǎn)生多種附加產(chǎn)品以及生物燃料[6].

藻類光合作用方程式:

經(jīng)過11天的培養(yǎng)觀察，小球藻、衣藻和柵藻的密度為接種密度的9.1、6.7、6.5倍，小球藻的長勢較好；磷酸鹽的去除率分別為93%、92.6%、84%，小球藻去除中水中磷酸鹽的效果較優(yōu)；氨氮的去除率分別為65%、30%、22%，小球藻去除中水中氨氮的效果較優(yōu)；亞硝酸鹽氮的去除率分別為32%、75%、17%，衣藻去除中水中亞硝酸鹽氮的效果較優(yōu).整體看：小球藻對中水的脫碳除磷效果最好，其次是衣藻.氮的含量變化不穩(wěn)定，可能與同化、氨化、硝化作用和微藻固氮作用有關(guān)[7].結(jié)果顯示：用中水養(yǎng)殖微藻，不僅可以有效去除氮磷含量防止水體富營養(yǎng)化還可以獲得大量微藻，取得一定經(jīng)濟(jì)效益[8].

4 結(jié)論

利用3種微藻對經(jīng)過二級處理的中水進(jìn)行深度處理，得到以下結(jié)論：

1)微藻生物處理技術(shù)在污水深度處理中有很好的脫氮除磷效果，最后出水中磷和氨氮的含量達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn).

2)氮磷含量較高時微藻能夠迅速生長繁衍，小球藻的生長情況優(yōu)于衣藻和柵藻.

3)對比小球藻、衣藻和柵藻對中水脫氮除磷的效果，小球藻的處理效果最優(yōu)，其次是衣藻.

4)雖然在實驗室中論證微藻在污水深度處理中可以達(dá)到一定的脫氮除磷果，但此技術(shù)未在現(xiàn)實生活中的得到大規(guī)模的生產(chǎn)實踐，微藻生物處理技術(shù)在污水深度處理的應(yīng)用具有進(jìn)一步的研究價值.

5)微藻在深度處理污水之后的收集仍需進(jìn)一步研究，致力尋找經(jīng)濟(jì)有效地收集方法.

6)將微藻生物處理技術(shù)與生物能源的生產(chǎn)二者相結(jié)合，在深度處理污水后，將微藻得以培養(yǎng)、收集、利用.使得污水得到再生循環(huán)，微藻獲得經(jīng)濟(jì)價值.

上述結(jié)論為微藻生物處理技術(shù)在污水深度處理中具有良好的脫氮除磷效果提供了經(jīng)驗和依據(jù).