微藻處理污水的可行性研究

朱新曼,尹兒琴*,劉友春,桑敏,張游,張偉,姜瑞雪**,江丹丹**

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微藻處理污水的可行性研究

朱新曼1,尹兒琴1*,劉友春2,桑敏3,張游2,張偉3,姜瑞雪1**,江丹丹2**

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 山東省湖泊流域管理信息化工程技術(shù)研究中心,水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司, 山東 濟(jì)南 250100 3. 北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室, 北京 100044

傳統(tǒng)的污水處理工藝大都采用活性污泥法，雖然對污水凈化發(fā)揮了重要作用，但處理后的出水中依然殘留部分有機(jī)物、氮、磷等污染物。本研究以污水處理廠出水為萊茵衣藻培養(yǎng)基，探討萊茵衣藻在污水中的生長情況及對污水中營養(yǎng)元素（氮、磷）的去除效果。研究結(jié)果表明，萊茵衣藻在污水中的生長狀態(tài)良好且對污水中總磷、總氮和COD具有較好的處理效果，去除率分別達(dá)到了98.7%、72.6%和81.5%。本研究為污水處理及微藻培養(yǎng)技術(shù)的改進(jìn)提供了新的理論依據(jù)。

萊茵衣藻; 污水處理; 可行性

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市污水的排放量也越來越大。傳統(tǒng)的污水處理方法主要是物理處理法、化學(xué)處理法和生物法等。其中，生物處理被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)有效的方法，其主要原理是利用好氧、缺氧以及厭氧微生物在不同的環(huán)境條件下將污水中的有機(jī)物、氮、磷等污染物通過同化和異化作用分解或者合成在微生物細(xì)胞內(nèi)，從而實現(xiàn)凈化水質(zhì)的目的[1]。微藻是一種細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單、生長繁殖快的微生物，廣泛存在于自然水體中[2,3]，可以利用水中的C、N、P等物質(zhì)為基質(zhì)進(jìn)行生長繁殖。微藻是一類最簡單的低等植物，易于培養(yǎng)，對于環(huán)境適應(yīng)能力以及生存能力極強(qiáng)。利用微藻的生長繁殖過程對水中C、N、P等物質(zhì)的同化作用同樣也可以實現(xiàn)污水的凈化。國內(nèi)外研究表明，藻類既可以有效地去除市政污水中N、P等物質(zhì)[4,5]，還能夠去除高分子有機(jī)物質(zhì)[6,7]。然而，目前已有的研究主要側(cè)重于實驗室條件下微藻的培養(yǎng)以及對高濃度污水的處理方面[8]，而對低濃度污水中微藻的生長繁殖和去除污染物的能力依然缺乏必要的認(rèn)識，尤其在微藻對中水進(jìn)入受納自然水體后的凈化貢獻(xiàn)方面缺乏認(rèn)識。因此，本文的主要目的在于探討微藻在城市污水處理廠排水（即中水）中的生長繁殖能力及其對中水中污染物的凈化能力，旨在為中水水質(zhì)的進(jìn)一步凈化和微污染水體的生態(tài)修復(fù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藻種萊茵衣藻購買自中科院武漢淡水藻藻種庫。

1.1.2 培養(yǎng)基SE培養(yǎng)基基本配方如下：NaNO30.25 g、FeCl3.6H2O 0.005 g、NaCl 0.025 g、KH2PO40.175 g、CaCl2.2H2O 0.025 g、MgSO4.7H2O 0.075 g、K2HPO40.075 g、1 mL EDTA-Fe、1 mLA5、40 mL土壤提取液，定容至1000 mL。

1.1.3 人工污水人工污水配方如下：蔗糖0.15 g、蛋白胨0.15 g、NaAC 0.08 g、NH4Cl 0.0764 g、KH2PO40.0208 g、MgSO4.7H2O 0.02 g、CaCl20.0106 g、NaHCO30.125 g、EDTA 0.003 g，定容至1000 mL，滅菌后備用。

2006年最新修訂《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級（A）標(biāo)準(zhǔn)：TN為：15 mg/L，TP為：1 mg/L，COD為：50 mg/L。因此，本研究配備的人工污水TN為：45 mg/L，TP為：1.5 mg/L，COD為：150 mg/L。

1.1.4 儀器實驗所需儀器：紫外-可見分光光度計（UV-2450）、生物顯微鏡、血球計數(shù)板、生化培養(yǎng)箱、磁力攪拌器、立式壓力蒸汽滅菌器。

1.2 方法

1.2.1 萊茵衣藻預(yù)培養(yǎng)無菌條件下選取適量藻種轉(zhuǎn)接于SE培養(yǎng)基中，培養(yǎng)溫度維持在25 ℃，光照強(qiáng)度2000 Lux，光照：黑暗比12:12的條件下進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，獲得足夠的萊茵衣藻細(xì)胞。

1.2.2 萊茵藻生長情況的研究取適量的藻液用孔徑0.45 μm濾膜過濾洗凈，接種于事先配置好的人工污水中，一份置于原水中，一份置于1/2濃度原水中，藻的初始濃度為2×105個/mL。每天取適量藻液于血球計數(shù)板上用顯微鏡觀察數(shù)量，并記錄。

1.2.3 人工廢水中TP的變化每天取適量藻液，用孔徑0.45 μm濾膜過濾，濾液用鉬銻分光光度法來測量污水中TP的含量并記錄數(shù)據(jù)，每組設(shè)置三個平行實驗，繪制TP變化曲線。

1.2.4 人工廢水中TN的變化每天取適量藻液，用孔徑0.45 μm濾膜過濾，濾液用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測量污水中TN含量并記錄數(shù)據(jù)，每組設(shè)置三個平行試驗，繪制TN變化曲線。

1.2.5 人工廢水中COD的變化：每天取適量藻液，用孔徑0.45 μm濾膜過濾，濾液用高錳酸鉀滴定法測量水中COD量，每組設(shè)置三個平行試驗，并繪制COD變化曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 萊茵衣藻的生長情況

將萊茵衣藻接種到人工污水（模擬中水）后，其生長繁殖情況如圖1所示。由圖1可以看出，萊茵衣藻在兩種濃度的中水中生長狀況均良好，整個生長曲線呈現(xiàn)S型。在接種初期，萊茵衣藻生長緩慢，屬于一個環(huán)境適應(yīng)期，即適應(yīng)新的營養(yǎng)環(huán)境期。經(jīng)過2 d左右的短暫適應(yīng)期后，萊茵衣藻迅速生長，進(jìn)入指數(shù)期。當(dāng)萊茵衣藻的生物量達(dá)到一定數(shù)量后，即生物量達(dá)到600×104個/mL左右時，其生長速率和死亡速率達(dá)到相對平衡，萊茵衣藻的生長進(jìn)入穩(wěn)定期，生物量基本不再增加。這可能是因為生長條件，尤其是營養(yǎng)基質(zhì)（C、N、P）的逐漸減少而導(dǎo)致萊茵衣藻的生長繁殖受到抑制，使其生長速度逐漸放緩。而在指數(shù)期1/2濃度原水中的生物量為500×104個/mL左右，原水中萊茵衣藻的生物量明顯大于1/2濃度原水中的生物量，說明污水濃度能夠影響萊茵衣藻的生物量?？傊?，由該實驗結(jié)果可以看出，萊茵衣藻在中水中不僅可以有效存活，且具有較強(qiáng)的生長繁殖能力。

2.2 萊茵衣藻對中水中TP的去除

萊茵衣藻對中水中總磷（TP）的去除情況如圖2所示。由圖2可以看出，原水和1/2原水中TP的減少主要發(fā)生在前三天，經(jīng)萊茵衣藻處理7天后，原水和1/2濃度原水中TP含量由原來的1.5 mg/L、0.75 mg/L分別減少到了0.08 mg/L和0.01 mg/L由實驗結(jié)果可以看出萊茵衣藻對磷的去除效果非常顯著，原水和1/2濃度原水中TP的去除率分別達(dá)到了94.7%和98.7%。由此可見，萊茵衣藻對中水中總磷具有很強(qiáng)的去除能力。此外，李婷婷等[9]研究的固定化小球藻對市政污水中的磷的去除率為45%；項藎儀[10]基于小球藻培養(yǎng)的市政污水處理研究中對活性污泥法出水總磷去除率最高達(dá)87.64%。由此可以看出，萊茵衣藻對中水中總磷的去除有相當(dāng)好的效果。

圖 1 萊茵藻生長情況

圖 2 萊茵藻對磷的去除效果

2.3 萊茵衣藻對TN的去除效果

萊茵衣藻對中水中總氮（TN）的去除情況如圖3所示。由圖3可以看出，經(jīng)萊茵衣藻處理7 d后，原水和1/2原水中的TN由原來的44.6 mg/L、22.3 mg/L分別減少到了15.2 mg/L和6.1 mg/L。萊茵衣藻對原水和1/2原水中TN的最終去除率分別達(dá)到65.9%和72.6%。劉磊等[11]在3種微藻對人工污水中氮磷去除效果的研究中，在最佳條件下微藻對于TN的去除率才達(dá)到50.7%；李婷婷等[9]研究的固定化小球藻對市政污水中的氮的去除率最高才達(dá)到57%。實驗中萊茵衣藻對1/2原水中的總氮的吸收基本達(dá)到飽和狀態(tài)，以原水為例，剛開始藻處于適應(yīng)期，其處理效果不高，但隨著藻類的快速增長，其處理效果越來越高，后期由于營養(yǎng)物質(zhì)的減少和生存條件的惡化，其處理效率逐漸趨于平穩(wěn)，但總體的總氮去除率為65.9%。

圖 3 萊茵藻對氮的去除效果

2.4 萊茵衣藻對COD的去除效果

萊茵衣藻對污水中的有機(jī)物（Chemical Oxygen Demand, COD）的去除結(jié)果如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，污水經(jīng)萊茵衣藻為期7 d的處理后，原水和1/2濃度原水中的COD由原來的150 mg/L和75 mg/L分別減少到了31.2 mg/L和13.9 mg/L，相應(yīng)的去除率分別為79.2%和81.5%。楊利敏[12]在舟形藻對造紙廢水中COD去除效率及其影響因素的研究中，馴化后的舟形藻對造紙廢水中的COD的降解率最高達(dá)61.9%；項藎儀[10]基于小球藻培養(yǎng)的市政污水處理研究中對活性污泥法出水COD去除率最高達(dá)72.13%。由此可見，萊茵衣藻對水體中有機(jī)物污染物也具有較強(qiáng)的凈化能力。

圖 4 水中COD變化曲線

隨著城市化進(jìn)程的加快，越來越多的生活污水進(jìn)入污水處理廠，城市污水處理廠雖然對水質(zhì)凈化以及水環(huán)境保護(hù)發(fā)揮了重要作用，但是即使污水處理廠排水能夠完全達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級（A）的標(biāo)準(zhǔn)，即COD、TP和TN的濃度分別為50、1和15 mg/L，依然遠(yuǎn)高于我國的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）中的V類水的標(biāo)準(zhǔn)（分別為40、0.4和2 mg/L）。污水處理廠排水的排放濃度雖然考慮到了自然水體的物理稀釋和自然凈化能力，然而結(jié)合目前我國的地表水環(huán)境的脆弱性和較差自凈能力的現(xiàn)狀，中水的進(jìn)入依然是一個較大的污染源。而微藻大量存在于自然水體中，因其體積小、比表面積大、細(xì)胞外含有多聚物等特點具有較強(qiáng)的吸附能力，并且可以同時實現(xiàn)對重金屬離子等其它污染物的去除[13-15]。由本文的結(jié)果也可以證實，微藻不僅能在中水中正常生長繁殖，且對自然水體中的低濃度污染物（如中水稀釋一倍后的濃度）也具有較強(qiáng)的凈化能力，對水體污染物的凈化發(fā)揮著重要作用。因此，微藻不僅對自然水體中的污染物凈化具有重要貢獻(xiàn)，也可以作為污水處理深度處理的一個選擇。

3 結(jié)論

本文以萊茵衣藻為例研究了微藻在中水中的生長繁殖及對污染物的去除能力。結(jié)果表明，采用城市污水處理廠的排水（即中水）為培養(yǎng)基的萊茵衣藻在中水中生長狀況良好，具有較強(qiáng)的存活和生長繁殖能力，在穩(wěn)定期間呈指數(shù)增長；萊茵衣藻對中水中低濃度的TP、TN和有機(jī)物（COD）均具有較強(qiáng)的去除能力，去除率可分別達(dá)到98.7%、72.6%和81.5%以上。

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Study on the Feasibility Treating Wastewater by

ZHU Xin-man1*, YIN Er-qin1*, LIU You-chun2, SANG Min3, ZHANG You2, ZHANG Wei3, JIANG Rui-xue1**, JIANG Dan-dan2**

1.,271018,2.,.,250100,3.,,,100044,

The traditional waste water treatment process, such as activated sludge process, plays an important role in the purification of waste water. However, there are still some residual contaminants like organic matters, nitrogen and phosphorus in the outlet of waste water treatment plants. Thus, the main aim of the present study was to investigate the feasibility of the treated waste water as the cultural medium for cultivatingculturation. The growth ofin treated sewage was investigated by match assays, and the removal capacity offor nutrient elements (nitrogen and phosphorus) in sewage was also studied. the results showed thatcould grow in good condition in the treated sewage. Meanwhile,exhibited a high removal capacity for contaminants in sewage, with a high removal ratio of 98.7%, 72.6%, and 81.5% for TP, TN, and COD. This study provides a new theoretical basis for the improvement of waste water treatment and microalgae culture.

; waste water treatment; feasibility

[R123.3]

A

1000-2324(2019)03-0509-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.033

2018-03-30

2018-04-16

國家自然科學(xué)基金(41771502);山東水利科技推廣項目(SDSLTG201810);水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司科研項目(SFSJKY201903)

朱新曼(1989-),女,在讀碩士,研究方向為水處理理論與技術(shù). E-mail:1184821623@qq.com

*同等作者:尹兒琴(1979-),女,副教授,研究方向為水處理理論與技術(shù). E-mail:44418488@qq.com

Author for correspondence. E-mail:34491783@qq.com; 598715677@qq.com