纖維材料固定化柵藻凈化生活污水及其影響因素研究

高 斌， 成家楊， 崔 巖

(北京大學深圳研究生院環(huán)境與能源學院，廣東深圳 518055)

近年來，我國城鎮(zhèn)化進程發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)生活污水排放量持續(xù)增大。據中華人民共和國環(huán)境保護部統(tǒng)計，2014年城鎮(zhèn)生活污水排放量占廢水排放總量的71.3%，比2013年增加1.5%[1]。富含氮、磷的污水未經處理排放到河流、湖泊中，極易引起水體富營養(yǎng)化，破壞水生態(tài)系統(tǒng)。活性污泥法等常規(guī)污水處理工藝雖對大部分懸浮物和有機物去除效果良好，但對氮、磷等營養(yǎng)物質僅能同時去除20%～40%[2]。因此，對污水處理廠的二級出水進行深度凈化十分必要。傳統(tǒng)的污水深度凈化方法主要有人工濕地、活性炭吸附、膜分離和化學混凝技術等，其基本原理可歸納為物理法、生物法和化學法。物理法和化學法均須消耗大量藥劑材料，成本較高，且易產生二次污染[3-4]。而生物法利用水生生物的生長特點，對自然自凈過程進行人工強化，不僅成本低廉，又可以減小二次污染的可能性，且收獲后加以利用可生產高附加值產品，是一種經濟高效的污水深度凈化技術[5-7]。

微藻為自養(yǎng)型生物，以光能為能源，可利用氮、磷等營養(yǎng)物質合成復雜的有機質，從而實現(xiàn)凈化污水的作用，日益受到研究人員的關注[8]。藻類生物膜法是通過藻細胞與載體之間存在的相互作用使得藻細胞固定到載體表面，利用藻細胞生長所形成的生物膜處理污水，是一種新型的污水脫氮除磷技術[9]。已有研究表明，利用藻類生物膜進行污水處理，可以有效去除污水中的氮、磷營養(yǎng)物質，有利于緩解受納水體的富營養(yǎng)化問題[10-11]。郭莉娜研究了水華魚腥藻在立體彈性載體上形成的藻膜對校園污水的凈化效果，5 d時間內水華魚腥藻對氨氮、總磷的最高去除率分別達79.36%、88.58%[10]。田忠峰等采用剛毛藻藻膜系統(tǒng)處理富營養(yǎng)化水體，在靜態(tài)試驗下連續(xù)處理，第4天時剛毛藻藻膜系統(tǒng)對氨氮和正磷酸鹽的去除率分別達96.81%、98.68%[11]。目前，藻類生物膜的制備是該技術推廣應用的關鍵。研究表明，除藻種類型外，吸附載體的性質、表面粗糙度、表面結構等均對藻膜的形成產生不同程度的影響[12]。然而，目前的研究多集中于藻種的優(yōu)選，對吸附載體的研究尚未深入。因此，本研究在實驗室條件下，采用一種纖維材料作為柵藻的附著載體，研究藻細胞對該載體的附著效果，考察藻細胞年齡、饑餓處理及污水初始pH值對該藻膜系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響，并利用該藻膜系統(tǒng)凈化實際二級出水，以期為藻類生物膜的實際應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 人工污水 為避免實際污水中其他成分對試驗結果的干擾，影響因素的研究采用人工污水，人工污水的組分及含量見表1，A5溶液的組分及含量見表2。人工污水的氮(NH4+)、磷(PO43-)初始濃度分別為18.0、2.3 mg/L。

表1 人工污水組分及含量

1.1.2 實際污水 實際污水取自廣東省深圳市南山污水處理廠二沉池， 原水的水質指標： 總氮含量為11.9 mg/L，總磷

表2 A5溶液組分及含量

含量為0.84 mg/L，氨氮含量為1.46 mg/L，正磷酸鹽含量為0.16 mg/L，pH值為7～8。所取污水經4.5 μm濾膜過濾懸浮固體后使用。

1.1.3 試驗藻種及載體 試驗選用柵藻(Scenedesmussp.)PKU AC174，取自北京大學深圳研究生院藻類新能源重點實驗室，從深圳灣水域分離獲得。基礎培養(yǎng)基是BG-11培養(yǎng)基，其配方如表3所示。在無菌的操作條件下將藻種接種到含BG-11培養(yǎng)基的1 L錐形瓶中，用無菌膜封好瓶口，置于溫度為(25±1) ℃、光暗比為12 h ∶12 h、光照度為3 000～4 000 lx 條件下的搖床中培養(yǎng)待用[13]。試驗選用纖維材料作為固定化載體，裁剪成長4 cm、寬2 cm、厚0.2 cm的小塊，用錫紙包好后進行滅菌處理備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 藻細胞的固定 將裁剪好并經滅菌處理的纖維材料置于培養(yǎng)藻的錐形瓶中，讓材料懸浮在藻液之中，培養(yǎng)約1周后纖維材料表面有氣泡出現(xiàn)，說明藻膜在材料上初步形成。

1.2.2 材料及藻膜掃描電鏡試驗 分別將藻細胞附著前后的材料裁成小塊，置于2.5%戊二醛溶液中，靜置2 h以上固定。樣品漂洗后，分別用30%、50%、70%、80%、90%體積分數(shù)的乙醇脫水，每個梯度靜置10 min，再用純乙醇脫水3次，每次15 min。用保鮮膜封存后放入冷凍干燥機內真空干燥[14]。掃描電鏡觀察前對樣品進行噴金處理，再置于樣品臺上用掃描電子顯微鏡觀察材料的結構及藻膜情況。

1.2.3 藻細胞不同生長時期對氮磷去除率的影響試驗 根據懸浮柵藻的生長周期，分別取指數(shù)末期及穩(wěn)定期的藻細胞進行固定化，另取空白纖維材料作為對照組。按 4片/L 將載體置于人工污水中，比較藻細胞不同生長時期形成的藻膜對氮、磷去除效果的影響。

1.2.4 饑餓處理對氮磷去除率的影響試驗 采用穩(wěn)定期的藻細胞進行固定化，將掛膜后的載體懸浮于NaHCO3溶液中，分別經0、24、48、72 h饑餓處理后，按 4片/L 將載體置于人工污水中，比較不同饑餓時間的藻膜對氮、磷去除效果的影響。

1.2.5 污水初始pH值對氮磷去除率的影響試驗 用 0.1 mol/L HCl或NaOH溶液調節(jié)人工污水初始pH值分別為5、6、7、8、9。將材料放入穩(wěn)定期藻液中進行掛膜處理后，按 4片/L 將載體置于人工污水中，比較不同初始pH值對藻膜脫氮除磷效果的影響。

1.2.6 對實際二級出水的脫氮除磷試驗 取1 L經4.5 μm濾膜過濾處理后的實際污水于錐形瓶中，在最優(yōu)條件下用 4塊掛膜載體對污水進行處理，每天定時取樣測定氮、磷指標。以上試驗均在(25±1) ℃、光暗比為12 h ∶12 h、光照度為 3 000～4 000 lx條件下進行。以上處理均設3個重復，試驗數(shù)據為3個重復的平均值。

1.2.7 水質測定 以上各項試驗均將取樣污水離心10 min，去掉可能脫落的藻細胞，用0.45 μm濾膜過濾上清液，測定氮、磷含量。相關測定均采用國家環(huán)境保護總局頒布的標準方法[15]，氨氮含量測定采用納氏試劑分光光度法，正磷酸鹽含量采用鉬銻抗分光光度法，總氮含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷含量測定采用鉬酸銨分光光度法。

2 結果與分析

2.1 材料結構及微藻附著

載體的主要作用是容納附著微生物，為微生物提供棲息和繁殖的穩(wěn)定環(huán)境。由圖1可知，藻細胞附著后載體材料整體呈綠色，表面及內部孔隙都附著了大量藻細胞，且經過水浸泡后，形態(tài)并未發(fā)生改變。將材料處理后用電鏡掃描，由圖2-a 可知，載體材料由絲狀結構纏繞而成，豐富的內表面為藻細胞提供了巨大的附著空間，有利于保持較高的藻細胞量。藻細胞在載體表面的附著情況如圖2-b所示，藻細胞利用與載體之間的相互作用以及在代謝分泌物的黏性作用下，附著在載體的條形結構上，該結構之間存在的孔隙有利于氣、水和藻細胞之間的充分接觸，提高藻細胞對污水的凈化能力。

2.2 藻細胞不同生長時期對氮磷去除率的影響

由圖3可知，空白的載體材料對污水中氨氮的去除率影響不大，在1 d后有所波動的原因可能是含氮物質在載體表面有少量附著，隨后又脫落溶解在溶液中。這說明載體材料自身并沒有吸收氨氮的作用，可認為氮的去除均是藻細胞的作用。附著在載體上的藻細胞對氨氮均表現(xiàn)出較好的去除率。其中，穩(wěn)定期的藻細胞1 d后對氨氮的去除效率達 42.2%，高于指數(shù)末期藻細胞的33.4%。隨后的4 d也始終保持著較高的去除率。這表明與指數(shù)期相比，穩(wěn)定期的柵藻膜系統(tǒng)對氨氮的去除效果較好。由圖4可知，經過5 d處理后，污水中正磷酸鹽的含量下降。與氨氮的去除情況類似，穩(wěn)定期的藻細胞表現(xiàn)出較高的去除率，5 d后時去除率達到 87.8%，高于指數(shù)末期的78.2%。以上結果表明，穩(wěn)定期的藻細胞對氮、磷的吸收量較大。這與安曉雯等利用包埋法固定不同生長期柵藻所取得的研究結果[16]一致。

2.3 饑餓處理對氮磷去除率的影響

由圖5可知，經饑餓處理的藻膜對氨氮的去除率均有不同程度的提升。其中，饑餓48 h組在5 d后對氨氮的去除率最高，達90.2%，饑餓72 h組次之，氨氮去除率為86.3%。由圖6可知，與氨氮情況類似，饑餓48 h組在5 d后對磷酸鹽的去除率最高，達89.3%，72 h組次之，去除率為84.5%。由此可見，適度的饑餓處理有利于藻細胞對氮、磷物質的吸收，提高凈化污水的效率。研究證實，自然界的生物在遭到環(huán)境脅迫時，往往會降低生長速率，降低生物產量等。但一旦這種脅迫被解除，生物會表現(xiàn)出比之前更強的再生長能力，這就是超補償作用[17-18]。在一定時間內將藻細胞置于缺乏氮、磷營養(yǎng)的環(huán)境下，再放入富含氮、磷的污水中，會引起藻細胞對這2種元素的過量吸收，起到提高凈化效率的作用。但根據細胞的耐受力不同，最佳饑餓時間不盡相同。如本研究中饑餓 72 h 組的去除率要低于饑餓48 h組，這可能是因為饑餓時間過長，過度的營養(yǎng)缺乏導致藻細胞結構過分退化，正常的生理作用受到影響。所以，進行饑餓處理時，要根據生物的特點，確定適宜的饑餓時間才能達到最優(yōu)的效果。

2.4 初始pH值對氮磷去除率的影響

由圖7可知，當pH值為5時，氨氮的去除率在處理時間內均低于其他pH值水平。這表明，偏酸的環(huán)境不利于柵藻細胞對氨氮的吸收利用。在所測試的5個pH值水平中，在pH值為9時，即偏堿性環(huán)境下，氨氮的去除率最高，為 88.2%。由圖8可知，與氨氮去除情況類似，處理時間內依然是堿性環(huán)境比酸性環(huán)境去除率高。當pH值為9時，去除率最高，為88.5%。總體來說，偏堿性的環(huán)境條件更有利于柵藻細胞的代謝作用。研究認為，pH值是通過影響碳酸鹽平衡系統(tǒng)及不同形態(tài)無機碳的分配關系來影響藻類的生長代謝，進而影響其對氮、磷的吸收作用[19]。但值得注意的是，藻細胞對生存環(huán)境的pH值有一定的適應范圍，在恰當?shù)姆秶鷥?，藻細胞可以通過自身的調節(jié)適應不同pH值水平對自身帶來的影響[20]。超過這一范圍后，藻細胞會受到傷害。因此，根據藻細胞的生長特點，調節(jié)污水的初始pH值，更有利于藻細胞的脫氮除磷作用。

2.5 藻膜對實際二級出水脫氮除磷效果

選用穩(wěn)定期、經48 h饑餓處理后的固定化藻細胞，對實際二級出水進行凈化處理。各污染物的質量濃度隨時間的變化如表4所示。經過5 d處理后，總氮的質量濃度由 11.9 mg/L 降至1.86 mg/L，去除率為84.4%。總磷的質量濃度由 0.84 mg/L 降至0.11 mg/L，去除率為86.9%。氨氮的質量濃度由1.46 mg/L降至0.04 mg/L，去除率達到 97.3%。正磷酸鹽的質量濃度由0.160 mg/L降至 0.010 mg/L，去除率為93.8%。以上結果表明，該藻膜系統(tǒng)對實際二級出水可起到進一步脫氮除磷的作用，且處理效果并未因污水中的其他成分受到明顯影響，表現(xiàn)出較強的適應性。

表4 實際污水中污染物隨時間變化

3 結論與討論

利用纖維材料固定柵藻，其自身疏松多孔的結構為柵藻附著提供了巨大的比表面積，有利于增大藻細胞吸附量，從而增強脫氮除磷效果。對比不同生長時期和生長環(huán)境的微藻脫氮除磷效果，結果表明，穩(wěn)定期藻細胞形成的藻膜系統(tǒng)對污水中氮、磷的吸收作用較好；適當?shù)仞囸I處理會提高藻膜對污水中氮、磷營養(yǎng)鹽的吸收，提高凈化效率，但饑餓時間過久會帶來反作用；污水初始pH值較低，即酸性較強時，藻細胞脫氮除磷作用減弱，偏堿性的環(huán)境會有利于藻細胞的脫氮除磷作用。該藻膜系統(tǒng)對實際二級出水具有良好的適應性，并在較短的時間內對污染物達到良好的處理效果。上述結果表明，利用藻類生物膜去除生活污水中的氮、磷污染物具有較大的應用潛力，但本試驗只探討了在靜態(tài)條件下該藻膜系統(tǒng)的脫氮除磷效果，在動態(tài)過程中的處理效果是否理想還有待于進一步研究。

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