張曉青, 司曉光, 成玉, 邱金泉, 曹軍瑞

三種微藻對城市二級出水脫氮除磷作用的研究

張曉青, 司曉光, 成玉, 邱金泉, 曹軍瑞*

自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所, 天津 300192

利用污水培養(yǎng)微藻可去除廢水中的氮、磷污染物, 又可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)生產(chǎn)的耦合。以城市二級出水做為培養(yǎng)基, 選取了小球藻(sp.)、柵藻(sp.)、螺旋藻(sp.)為實(shí)驗(yàn)藻種, 考察3種微藻的生長特性和脫氮除磷的能力。結(jié)果表明, 所選的藻種在模擬二級出水中都能較好生長, 其中柵藻的生物量高于小球藻和螺旋藻, 最大生物量分別為0.328 g·L-1、0.264 g·L-1、0.192 g·L-1, 比生長速率為0.226 d-1、0.213 d-1、0.197 d-1。柵藻的油脂產(chǎn)量達(dá)97.35 mg·L-1, 高于其他兩種微藻。3種微藻對模擬二級出水都具有較好的脫氮除磷效能, TP的去除率達(dá)到90%以上, TN的去除率達(dá)到80%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用3種微藻均可達(dá)到對二級出水的深度脫氮除磷和生物質(zhì)的富集。

微藻; 二級出水; 生長特性; 油脂產(chǎn)量; 脫氮除磷

0 前言

城市生活污水二級出水易受到進(jìn)水水質(zhì)、有機(jī)碳源、溫度等因素影響, 難以達(dá)到高效脫氮除磷。出水中含有較高濃度的磷酸鹽、氨氮等污染物, 易造成水體富營養(yǎng)化[1]。微藻作為一種易得的自養(yǎng)型生物資源, 具有種類繁多、分布廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2–3]。微藻在生長過程中會大量攝取N、P等營養(yǎng)物質(zhì)合成有機(jī)質(zhì), 降低環(huán)境中的氮、磷含量。國內(nèi)外大量研究證實(shí)了微藻處理生活污水、養(yǎng)殖廢水的可行性。李魯?shù)4]等研究表明毛枝藻在污水深度脫氮除磷方面具有一定潛力, 可以應(yīng)用于城市生活污水二級出水深度處理。Zamani[5]等研究證明了微藻對市政廢水中正磷酸鹽的去除效果, 12 d后廢水正磷酸鹽去除率可達(dá)72.3%。趙秀俠[6]等選取小球藻、柵藻和螺旋藻處理龜鱉養(yǎng)殖廢水, 結(jié)果表明柵藻對養(yǎng)殖廢水的TN去除率達(dá)93.65%, 小球藻對TP最大去除率達(dá)99.46%, 螺旋藻去除NH4+-N效果最好, 達(dá)98.79%。此外, 微藻還應(yīng)用于重金屬吸附[7]、多環(huán)芳烴富集和降解[8]、畜禽廢水處理等[9]方面。

利用藻類處理污水成本低廉、凈化效率高, 不會帶來二次污染, 可實(shí)現(xiàn)了污水的良性生態(tài)循環(huán), 同時產(chǎn)生的藻類生物量也可作為飼料、生物燃料等再利用, 創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值。微藻制備生物柴油和深度脫氮除磷分別作為新型的可再生能源和污水處理方面的研究熱點(diǎn)[10]。鐘成華[11]等利用城市生活污水培養(yǎng)柵藻、小球藻和布朗葡萄藻, 油脂含量為可達(dá)26.34%、23.4%和21.54%。韓松芳[12]等利用城市污水培養(yǎng)柵藻和蛋白核小球藻, 研究發(fā)現(xiàn)兩種微藻對污水有較好的凈化效果, 同時具有較好的產(chǎn)脂性能, 油脂產(chǎn)量分別可達(dá)0.43g·L-1和0.33g·L-1, 適宜生物柴油的制備。

因此, 以二級出水培養(yǎng)微藻, 可同時實(shí)現(xiàn)廢水的無害化處理和生物質(zhì)資源化回收, 但目前微藻藻種的篩選及其廢水中較低生物量產(chǎn)率仍為制約該技術(shù)的主要因素[13]。小球藻、螺旋藻、柵藻是常見的無毒微藻, 具有分布廣、生長速率快、較好的環(huán)境耐受性、油脂含量高等優(yōu)點(diǎn), 在處理廢水方面應(yīng)用廣泛[10]。本實(shí)驗(yàn)選取小球藻和柵藻、螺旋藻為實(shí)驗(yàn)藻種, 考察3種微藻的生長情況和脫氮除磷的能力, 以期為資源化利用城市二級出水用于能源微藻培養(yǎng)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藻種

實(shí)驗(yàn)用小球藻(sp.)、柵藻(sp.)、螺旋藻(sp.)購于上海光語生物科技有限公司。

1.1.2 培養(yǎng)基

小球藻和柵藻采用BG-11培養(yǎng)基, 螺旋藻采用Zarrouk培養(yǎng)基進(jìn)行藻種擴(kuò)大培養(yǎng)。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)用水

采用模擬城市污水處理廠二級出水作為實(shí)驗(yàn)用水, 水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微藻的培養(yǎng)

取對數(shù)生長期的藻種轉(zhuǎn)接到250 mL盛有新配置無菌培養(yǎng)基的三角瓶中, 置于光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。培養(yǎng)條件: 溫度(25±1) ℃, 光強(qiáng)3000 lx, 光暗比12 h:12 h, 每天人工搖瓶3次。

1.2.2 脫氮除磷實(shí)驗(yàn)

取擴(kuò)大培養(yǎng)的藻液在5000 r·min-1離心8 min, 用去離子水清洗3遍, 收集藻體細(xì)胞。在500 mL三角瓶中加入200 mL滅菌后的二級出水, 按照每瓶初始接種藻細(xì)胞中干物質(zhì)量濃度均為0.01 g·L-1, 將藻細(xì)胞轉(zhuǎn)接至三角瓶中, 置于人工氣候箱中培養(yǎng), 培養(yǎng)條件同前。每組實(shí)驗(yàn)做2個平行樣, 結(jié)果取平均值。每隔一天取10 mL藻液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后, 測定濾液中的總氮(TN)、總磷(TP)濃度。

1.3 分析方法

1.3.1 微藻的指標(biāo)測定

微藻生物量采用干重法測定。取一定量培養(yǎng)液用預(yù)先烘干至恒重的0.45 μm醋酸纖維濾膜進(jìn)行抽濾, 將帶有藻細(xì)胞的濾膜在105 ℃烘干至恒重, 在干燥器中冷卻至恒重后稱重。藻細(xì)胞生物量干重=(1–0)/,1為載有藻體的濾膜重量, mg;0為預(yù)先烘干至恒重的濾膜質(zhì)量, mg;為藻液體積, L。

表1 二級出水水質(zhì)

藻細(xì)胞的比生長速率=(lnW2-lnt1)/t2-t1,W2、t1分別為第1、2的生物量。

藻細(xì)胞油脂含量采用氯仿甲醇-超聲破碎法測定[14]。

1.3.2 水質(zhì)指標(biāo)測定

pH采用pH計(jì)測定; COD采用高錳酸鉀法; TP測定采用鉬酸銨分光光度法; NH4-N測定采用納氏試劑分光光度法; TN測定采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種微藻在污水中的生長特性

小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻在模擬二級出水中生物量隨時間的變化見圖1。由圖1可知, 3種微藻均能在人工二級出水中生長, 柵藻的細(xì)胞生物量增加最快, 其次為小球藻。在實(shí)驗(yàn)前3 d為遲滯期, 微藻生長較慢, 藻細(xì)胞生物量增加較少; 隨著培養(yǎng)時間的增加, 藻細(xì)胞開始利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì), 進(jìn)入對數(shù)生長期, 藻類生物量增加較快; 第12 d左右3種微藻細(xì)胞進(jìn)入生長穩(wěn)定期, 藻細(xì)胞生物量下降。

比生長速率是由藻細(xì)胞的生理活動決定, 直接反映微藻的實(shí)際生長速率[16], 圖2顯示了3種微藻15 d的比生長速率。從圖2可知, 柵藻和小球藻的比生長速率差別不大, 分別為0.226 d-1和0.213 d-1, 螺旋藻的最低, 為0.197 d-1。

2.2 不同藻種對TP的去除

磷是微藻生長的主要營養(yǎng)物質(zhì), 廢水中磷的去除效果直接受藻類生長狀況的影響。3種微藻在模擬二級出水中培養(yǎng)15 d后, 對TP去除效果見圖3。由圖3可知, 3種微藻對TP都有較好的去除效果, 最高去除率分別為91.65%、89.73%和92.11%。在實(shí)驗(yàn)初期, 微藻處于延滯期, 生長較慢, 磷的消耗較少, 去除率較低; 隨著微藻進(jìn)入快速生長期, 微藻的大量繁殖需要吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì), 在實(shí)驗(yàn)第9 d時廢水中TP去除率已經(jīng)達(dá)80%以上; 第12 d 后, 隨著廢水中磷含量降低, 難以維持微藻大量繁殖需求, 磷的消耗逐漸降低, 廢水中TP濃度下降趨于平緩。

圖1 3種微藻的生長曲線

Figure 1 Growth curves of three microalgae

圖2 3種微藻的比生長速率

Figure 2 The specific growth rate of three microalgae

2.3 不同藻種對二級出水中TN的去除

微藻對廢水中TN的凈化效果見圖4。從圖4可以看出, TN的去除效果和TP呈相似的變化趨勢, TN濃度變化與微藻生長密切相關(guān)。在培養(yǎng)前3 d, TN的去除率較低, 小球藻、螺旋藻和柵藻分別為20.78%、17.34%和28.7%; 隨著培養(yǎng)時間的延長, 微藻生物量增加, 廢水中TN濃度迅速下降; 柵藻在第9 d、小球藻和螺旋藻第11 d后TN下降趨勢趨于平緩, 在第15 d部分實(shí)驗(yàn)組的TN的濃度上升, 這可能是由于藻細(xì)胞死亡分解過程中釋放出的氮、磷和有機(jī)碳。在實(shí)驗(yàn)過程中小球藻、螺旋藻和柵藻對TN的最高去除率分別達(dá)81.54%、81.73%和84.34%。

圖3 不同微藻對TP的去除效果

Figure 3 Removal efficiency of TP in different microalgae

圖4 不同微藻對TN的去除效果

Figure 4 Removal efficiency of TN in different microalgae

2.4 微藻的油脂含量

從表2中可以看出, 在模擬二級出水中3種微藻的油脂產(chǎn)量從高到低依次為柵藻、小球藻和螺旋藻, 分別為97.35 mg·L-1、76.43 mg·L-1和53.39 mg·L-1, 這是由于柵藻和小球藻的生物量高于螺旋藻, 其油脂含量也顯著高于螺旋藻。常見的高含油脂藻種的油脂含量為20%—50%[17], 模擬二級出水培養(yǎng)的小球藻和柵藻的油脂含量都大于20%。

3 討論

藻類因自身特殊生理結(jié)構(gòu)和新陳代謝能力 , 能利用氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機(jī)質(zhì), 利用微藻處理二級出水是一項(xiàng)污水資源化利用技術(shù)。有研究表明, 在相同初始氮磷濃度的養(yǎng)殖廢水中, 小球藻與柵藻具有較高的生物量, 均高于同組的螺旋藻[6]。方華[18]等以二級出水培養(yǎng)微藻, 發(fā)現(xiàn)普通小球藻和二形柵藻可達(dá)到較高的生物量和生長速率, 適合二級出水中生長。章婓[19]等在不同氮磷水平的城市二級出水培養(yǎng)微藻, 研究發(fā)現(xiàn)純培養(yǎng)條件下橢圓小球藻的和斜生柵藻獲得最高生物量的氮磷比不同。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在相同初始氮磷濃度條件下, 柵藻、小球藻和螺旋藻的最大生物量分別為0.328 g·L-1、0.264 g·L-1、0.192 g·L-1, 為最初生物量的10—30倍, 因此3種微藻都可以在較低氮磷水平下的二級出水生長并收獲高生物量。從結(jié)果還可知, 從培養(yǎng)第1d開始, 柵藻生物量和小球藻生物量高于螺旋藻, 說明柵藻比小球藻整體生長更好, 而螺旋藻生物量最低, 這可能是綠藻門的小球藻和柵藻葉綠素含量高于藍(lán)藻門的螺旋藻, 光合作用較強(qiáng), 藻細(xì)胞生長更快[20]。

表2 不同微藻的油脂產(chǎn)量

微藻為自養(yǎng)型生物, 在有氧條件下水中的磷能直接被藻細(xì)胞吸收磷酸化轉(zhuǎn)化為ATP、磷脂等有機(jī)物, 而在無氧條件下可形成磷酸鹽沉淀去除[21–22]。營養(yǎng)鹽的種類、構(gòu)成及濃度直接影響微藻的生長繁殖和代謝[23]。水中磷含量直接影響藻類的生長, 大量數(shù)據(jù)顯示磷與藻類生物量之間呈顯著正相關(guān)性[24–25]。還有研究表明在純培養(yǎng)條件下, 在TN=5 mg·L-1, TP= 1 mg·L-1時, 小球藻和柵藻對二級出水中TP去除率達(dá)90%以上, 適宜的氮磷濃度比能夠促進(jìn)微藻的快速生長[19]。在本實(shí)驗(yàn)中, TP初始濃度不高, 殘余TP濃度分別為0.19 mg·L-1、0.23 mg·L-1、0.18 mg·L-1, 3種微藻在模擬二級出水中均有較好的除磷效能。

微藻在光合作用時可以利用廢水中的氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等無機(jī)氮和各類有機(jī)氮合成藻體生長必需氨基酸、蛋白質(zhì)等, 同時隨著微藻的生長, 污水的pH升高也會促使NH3-N以氣態(tài)形式揮發(fā)[17]。劉婷[26]等研究了二級出水中不同氮形態(tài)對鈍頂螺旋藻除氮性能的影響, 研究表明鈍頂螺旋藻在氮形態(tài)不同的模擬二級出水中均可生長并有效去除其中的氮, 其中75%以上的氮被微藻同化積累在藻體內(nèi), 4%—10% 以氣態(tài)氮形式被去除。鐘成華[11]等研究了小球藻、柵藻和布朗葡萄藻對城市生活污水脫氮除磷效果, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種藻類對污水中的TN和TP都有較好的去除效果, 其中柵藻的去除率達(dá)95%。在本研究中小球藻、柵藻和螺旋藻對模擬二級出水TN達(dá)80%以上, 同時3種微藻的油脂產(chǎn)量分別為76.43 mg·L-1、97.35 mg·L-1和53.39 mg·L-1, 達(dá)到二級出水深度凈化和生物質(zhì)的累積, 降低了二級出水中的氮磷濃度, 減少水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。

微藻生長和油脂積累影響因素包括營養(yǎng)鹽和光照、溫度、pH等培養(yǎng)條件[27]。本研究采用模擬二級出水條件下進(jìn)行, 實(shí)際污水中氮磷濃度變化更為復(fù)雜。此外, 由于二級出水中的氮磷含量較低, 在微藻培養(yǎng)中很難保持高密度培養(yǎng), 因此下一步需要開展自然條件下微藻藻種的誘變和馴化、微藻在污水中的生長特性研究, 通過增加CO2、調(diào)整培養(yǎng)方式等在保持微藻生長速率和生物量的前提下, 提高油脂含量, 達(dá)到脫氮除磷和生物質(zhì)積累的耦合。

4 結(jié)論

(1) 3種微藻在模擬二級出水中生長符合微生物生長規(guī)律, 小球藻、柵藻的最大生物量分別為0.264 g·L-1和0.328 g·L-1, 螺旋藻的最低, 為0.192 g·L-1; 3種微藻的比生長速率差別不大, 分別為0.213 d-1、0.226 d-1和0.197 d-1。二級出水培養(yǎng)3種微藻的油脂產(chǎn)量從高到低依次為柵藻、小球藻和螺旋藻, 分別為97.35 mg·L-1、76.43 mg·L-1和53.39 mg·L-1。

(2) 3種微藻在模擬二級生化出水中均表現(xiàn)出較好的脫氮除磷效果 , TP 的去除率都達(dá)到 90 %以上, 殘余TP濃度分別為0.19 mg·L-1、0.23 mg·L-1、0.18 mg·L-1; 小球藻、螺旋藻和柵藻對TN的最高去除率分別達(dá)81.54%、81.73%和84.34%, 可實(shí)現(xiàn)對二級出水深度的脫氮除磷。

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Study on the effects of nitrogen and phosphorus removal from municipal secondary effluent by three microalgae

ZHANG Xiaoqing, SI Xiaoguang, CHENG Yu, QIU Jinquan, CAO Junrui

The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization, MNR Tianjin 300192, China

Using wastewater to cultivate microalgae can remove nitrogen and phosphorus pollutants in wastewater and couple of biomass production. The growth characteristics and the removal ability of nitrogen and phosphorus of by three species of microalgae were studied by using the municipal secondary effluent as the culture medium, andsp.,sp. andsp.as the experimental species. The results showed that the selected algae species could grow well in the simulated secondary effluent, and the biomass ofsp. was higher than that ofsp. andsp., in which the maximum biomass was 0.328 g·L-1, 0.264 g·L-1and 0.192 g·L-1, respectively, with specific growth rates of 0.226 d-1, 0.213 d-1and 0.197 d-1, respectively. The lipid production ofspwas 97.35 mg·L-1, which was higher than that of other two microalgae. These three species of microalgae demonstrated efficient removal of nitrogen and phosphorus for simulated secondary effluent. The removal rate of total phosphorus were more than 90%, and the total nitrogen removal rate reached above 80%.This study implied that the three species of microalgae could achieve advanced removal of nitrogen and phosphorus, and biomass enrichment of secondary effluent.

microalgae;secondary effluent;growth characteristics;lipid production;nitrogen and phosphorus removal

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.017

X703

A

1008-8873(2021)06-140-06

張曉青, 司曉光, 成玉, 等. 三種微藻對城市二級出水脫氮除磷作用的研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(6): 140–145.

ZHANG Xiaoqing, SI Xiaoguang, CHENG Yu, et al. Study on the effects of nitrogen and phosphorus removal from municipal secondary effluent by three microalgae[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 140–145.

2020-05-07;

2020-05-26

天津市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(17YFZCSF00960); 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFE0196000); 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目( K-JBYWF-2019-QR02)

張曉青（1983—）, 女, 高級工程師, 主要從事環(huán)境微生物和污水處理技術(shù)研究, E-mail:zhangxiaoqing@isdmu.com.cn

通信作者:曹軍瑞, 正高級工程師, 主要從事海水淡化及凈水技術(shù)究, E-mail:caojunrui@isdmu.com.cn