菌藻系統(tǒng)對(duì)廢水中氮磷去除規(guī)律的研究

郝凱旋陳文兵母銳敏祁峰王洪波

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

目前，我國廢水處理采用的主要技術(shù)為活性污泥法和生物膜法，可以去除大部分有機(jī)污染物，但對(duì)氮、磷的去除效果并不理想[1]，當(dāng)水體中氮、磷濃度過高時(shí)，會(huì)引起富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題[2]。深度處理污水廠的二級(jí)出水，不僅能降低水體的負(fù)荷，還能對(duì)我國的淡水資源進(jìn)行補(bǔ)充。物理化學(xué)法、生態(tài)法、生物法是目前二級(jí)出水深度處理的主要方法[3]。物理化學(xué)法容易產(chǎn)生二次污染且成本較高[4]；生態(tài)法雖然投資成本低，但是維護(hù)成本較高，對(duì)流入的污水有較高的要求[5]；生物法低耗高效，能凈化多種污水，收獲后還會(huì)帶來一定的經(jīng)濟(jì)收益，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的廢水深度處理技術(shù)[6]。

微藻作為自養(yǎng)型生物，可以通過光合作用將水中的氮、磷等營養(yǎng)鹽合成復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)固定CO2并釋放O2[1]。微藻在處理廢水方面展現(xiàn)出的巨大潛力，日益受到國內(nèi)外研究人員的注意。20世紀(jì)60年代，Golueke等[7]首次提出菌藻共生系統(tǒng)，菌藻共生處理廢水引起了廣泛關(guān)注。菌藻共生系統(tǒng)是利用微藻與細(xì)菌之間的協(xié)同作用來處理廢水，是一種節(jié)能環(huán)保的新型技術(shù)[8]。大量研究表明，菌藻共生系統(tǒng)可以對(duì)各種廢水實(shí)現(xiàn)高效處理，在獲得微藻生物質(zhì)方面具有很好的應(yīng)用前景[4]。宋志偉等[8]分別利用好氧顆粒污泥、斜生柵藻及兩者的共生體系處理模擬污水。好氧顆粒污泥和斜生柵藻的共生體系對(duì)污水COD、NH3-N、TP的去除率分別為93.89%、87.64%、91.35%，優(yōu)于單獨(dú)的斜生柵藻和單獨(dú)的好氧顆粒污泥。周鳴等[9]用海藻酸鈉-氯化鈣固定法將硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌與小球藻的混合物進(jìn)行固化，用于去除養(yǎng)殖廢水中的氨氮。固化硝化細(xì)菌小球和固化菌藻小球均可顯著去除污水中的氨氮，但后者的去除效果更佳。目前，采用菌類和微藻對(duì)廢水進(jìn)行深度處理，已經(jīng)成為一種新的發(fā)展方向[10]。

文章利用活性污泥、混合藻及兩者混合物分別處理二級(jí)出水，研究處理后水中的群落組成及對(duì)氮、磷的去除效率，測定生物質(zhì)組成及含量，分析菌藻系統(tǒng)脫氮除磷的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 混合藻

混合藻取自山東建筑大學(xué)映雪湖，經(jīng)顯微鏡觀察其優(yōu)勢種群為小球藻和四尾柵藻。取樣后將藻種放置在含有300 mL無菌BG11培養(yǎng)基的500 mL錐形瓶中(接種密度為1×105)，在20℃的振蕩培養(yǎng)箱中使用4 000 lx光照的白色熒光管燈光照培養(yǎng)。在培養(yǎng)瓶中達(dá)到穩(wěn)定生長后，將藻株經(jīng)4 000 r/min離心后在室溫下轉(zhuǎn)移到圓柱形泡罩柱光生物反應(yīng)器中，以獲得更高的細(xì)胞密度。使用曝氣量為0.5 L/min的鼓風(fēng)機(jī)通過0.2 μm聚四氟乙烯膜通風(fēng)，使培養(yǎng)物不斷懸浮在光生物反應(yīng)器中。

1.1.2 活性污泥

活性污泥取自濟(jì)南市光大水務(wù)的二次沉淀池的污泥回流泵房。取回的污泥經(jīng)過篩網(wǎng)(1 mm×1 mm)過篩，靜置24 h去除污泥上清液，用蒸餾水洗滌3次，再次靜置24 h并去除上清液。污泥在靜置時(shí)每天進(jìn)行2個(gè)周期間歇進(jìn)水馴化(22 h曝氣，2 h靜置)。

1.1.3 菌藻系統(tǒng)

菌藻系統(tǒng)為混合藻和活性污泥以5︰1的生物質(zhì)濃度混合組成。

1.1.4 二級(jí)出水

二級(jí)出水取自山東建筑大學(xué)污水處理廠的中水出水口，氨氮、磷的含量分別為98.63、1.72 mg/L，pH值為7.3。對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行預(yù)處理后使用，具體處理過程為:在經(jīng)過重力沉降去除大固體顆粒后，離心(3 500 r/min、10 min)并通過孔徑為 0.45 μm 的注射器濾膜，去除懸浮固體及溶解性固體，將上清液放置在120℃的環(huán)境中高壓滅菌。預(yù)處理后的二級(jí)出水放置在4℃的冰箱中保存。

1.1.5 BG11液體培養(yǎng)基

BG11液體培養(yǎng)基利用蒸餾水配制，組分及濃度見表1，BG11微量元素母液(A5溶液)的組分及濃度見表2。配制完成后在120℃下滅菌30 min并冷卻到室溫，利用1 mol/L的NaOH或HCl溶液將pH值調(diào)節(jié)至約7.1，儲(chǔ)存在無菌室待用。

表1 BG11培養(yǎng)基成分及濃度表

表2 A5微量元素溶液構(gòu)成及濃度表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 群落組成觀察與氮、磷濃度測定

將活性污泥、混合藻及菌藻系統(tǒng)分別與二級(jí)出水混合于柱狀光生物反應(yīng)器中(高×內(nèi)徑×壁厚為350 mm×105 mm×5 mm)，放置在20℃的通風(fēng)全日熒光燈照(光照強(qiáng)度4 000 lx)實(shí)驗(yàn)室里(每日曝氣22 h，靜置 2 h)培養(yǎng) 6 d。

每天取樣觀察群落組成并測定氮、磷濃度，所取樣品放在4 000 r/min的離心機(jī)中離心10 min。取上清液檢測氮、磷濃度，將沉淀稀釋100倍后滴加在血球計(jì)數(shù)板上，放置在顯微鏡下觀察群落組成。

1.2.2 微藻生物質(zhì)測定

(1)粗蛋白及粗多糖的測定

采用凱式法[11]測定粗蛋白的含量，苯酚-硫酸法[11]測定粗多糖的含量。

(2)總脂的測定

在0.1 g的干藻粉中加入5 mL氯仿-甲醇(其體積比為2∶1)，搖勻使充分混合，震蕩10 min，離心10 min(4 000 r/min，12℃)，將上層液體轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，重復(fù)上述步驟2～3遍。在分液漏斗中加入與提取液等體積的NaCl溶液，震蕩均勻后靜置15 min，測量下層溶液的體積并記錄，取下層溶液5 mL置于10 mL玻璃試管中并用氮?dú)獯抵粮稍铮庞?0℃恒溫烘箱中直至恒重?？傆椭坑墒?1)表示為

式中:LW為干藻粉中油脂含量，%；m0、m1、m2分別為10 mL玻璃試管、干藻粉、10 mL玻璃試管和恒重干燥油脂的總重量，g；V為分液漏斗下層液體的體積，mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落組成

2.1.1 活性污泥的群落組成

活性污泥處理二級(jí)出水時(shí)的微生物組成如圖1所示。活性污泥在處理二級(jí)出水的過程中出現(xiàn)的微生物種類繁多，其中有細(xì)菌，如貝式硫菌；有藻類，如藍(lán)藻、裸藻；有原生動(dòng)物，如漫游蟲、變形蟲、累枝蟲、表殼蟲等；有后生動(dòng)物，如線蟲、輪蟲等。微生物種類多樣表明活性污泥性能良好。

圖1 活性污泥處理二級(jí)出水微生物組成圖

2.1.2 混合藻的群落組成

混合藻處理二級(jí)出水時(shí)的微生物組成如圖2所示。混合藻在處理二級(jí)出水的過程中，初期出現(xiàn)了小球藻、柵藻、顫藻、卵形藻等多種藻類，其中小球藻和柵藻數(shù)量最多，顫藻的數(shù)量次之；中期微藻種類幾乎不變，但卵形藻不再出現(xiàn)，顫藻數(shù)量明顯減少；后期雖然也只有小球藻、柵藻、顫藻3種微藻，但顫藻的數(shù)量很少，小球藻和柵藻成為優(yōu)勢藻種。說明在混合藻處理二級(jí)出水的過程中，發(fā)揮主要作用的是小球藻和柵藻。

圖2 混合藻處理二級(jí)出水微生物組成圖

2.1.3 菌藻系統(tǒng)的群落組成

菌藻系統(tǒng)處理二級(jí)出水時(shí)的微生物組成如圖3所示。菌藻系統(tǒng)在處理二級(jí)出水的過程中，初期有大量的小球藻和四尾柵藻，顫藻的數(shù)量很少，出現(xiàn)少量輪蟲、變形蟲和表殼蟲；中期微藻的種類幾乎不變，但是輪蟲消失，出現(xiàn)了少量草履蟲；后期微藻種類與中期相同，但是原生生物只有少量變形蟲和表殼蟲。說明在菌藻系統(tǒng)處理二級(jí)出水的過程中，活性污泥與混合藻共同發(fā)揮作用。

圖3 菌藻系統(tǒng)處理二級(jí)出水微生物組成圖

2.2 氮、磷的去除

活性污泥、混合藻及菌藻系統(tǒng)去除二級(jí)出水中氮、磷的結(jié)果分別如圖4、5所示。經(jīng)過6 d的處理，二級(jí)出水中的氮、磷大量減少，第6天時(shí)對(duì)二級(jí)出水的處理基本完成，菌藻系統(tǒng)的去除效果優(yōu)于混合藻和活性污泥的。其中，菌藻系統(tǒng)對(duì)氨氮和磷的去除率最高，分別為94.16%、83.30%；混合藻對(duì)氨氮和磷的去除率次之，分別為93.54%、78.46%；活性污泥對(duì)氨氮和磷的去除率最差，分別為80.53%、61.72%。

圖4 二級(jí)出水中氨氮的去除情況圖

圖5 二級(jí)出水中總磷的去除情況圖

結(jié)合活性污泥、混合藻及菌藻系統(tǒng)處理二級(jí)出水時(shí)的群落組成可知，菌藻系統(tǒng)的群落組成最復(fù)雜，其中菌類和微藻協(xié)同處理二級(jí)出水時(shí)，微藻通過光合作用產(chǎn)生氧氣供給菌類，菌類新陳代謝產(chǎn)生碳源提供給微藻進(jìn)行光合作用。研究表明:當(dāng)小球藻與活性污泥共同處理廢水時(shí)，可去除90%的氮、磷[12]，而且微藻的光合作用能引起pH值的升高，使水中的鈣離子與磷酸鹽形成沉淀，造成氨氮的揮發(fā)[13]，所以菌藻系統(tǒng)的去除效果最好。在活性污泥中絕大多數(shù)都是菌類，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知菌類對(duì)氮、磷的去除效果比微藻差。菌類的生長周期較短，在處理后期處于衰亡期，而微藻除了自身的同化作用去除氮、磷，光合作用導(dǎo)致pH值升高，造成了氨氮的揮發(fā)。

在處理初期，活性污泥的去除速率與菌藻系統(tǒng)基本相同，混合藻的處理速率最低。原因可能是微藻處在新環(huán)境的適應(yīng)期，活性污泥中的菌類及細(xì)菌的胞外聚合物有一定的脫氮除磷能力[14-16]，這時(shí)活性污泥中的去除效果更好。

2.3 生物質(zhì)的生化組成

培養(yǎng)物在二級(jí)出水中培養(yǎng)6 d后的生物質(zhì)組成及含量如圖6所示。經(jīng)過6 d實(shí)驗(yàn)后，菌藻系統(tǒng)中蛋白質(zhì)、多糖及總脂的含量高于混合藻和活性污泥的。菌藻系統(tǒng)在生物能源的生產(chǎn)和一些商業(yè)產(chǎn)品的制造等方面有很大潛力，但要真正應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，還需要開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和研究。

圖6 培養(yǎng)物在二級(jí)出水中培養(yǎng)6 d后的生物質(zhì)含量圖

3 結(jié)論

根據(jù)研究結(jié)果，得到以下結(jié)論:

(1)活性污泥中大部分是菌類；混合藻中小球藻和柵藻一直是優(yōu)勢藻種；菌藻系統(tǒng)是由菌類和微藻共同組成的。

(2)對(duì)二級(jí)出水氮、磷的去除效果，菌藻系統(tǒng)最好，混合藻次之，活性污泥最差。菌藻系統(tǒng)中菌類和微藻的協(xié)同作用在處理廢水方面有很大的優(yōu)勢，其對(duì)氨氮、磷的去除率分別為94.16%、83.30%。將活性污泥、混合藻、菌藻系統(tǒng)處理二級(jí)出水時(shí)的群落組成與對(duì)二級(jí)出水中氨氮和磷的去除效率結(jié)合分析可知，菌類對(duì)氨氮和磷的去除效果比微藻的差。

(3)通過測定活性污泥、混合藻及菌藻系統(tǒng)的生物質(zhì)含量可知，菌藻系統(tǒng)的生物質(zhì)含量更高，其蛋白質(zhì)、多糖、總脂的含量分別為 53.20、16.69、21.16 mg/100 mg。