生物培養(yǎng)物的氮磷去除及生物質(zhì)產(chǎn)出能力研究

母銳敏劉樂然祁峰馬桂霞趙燕麗

(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

我國大部分水資源面臨著水體富營養(yǎng)化的問題，其主要污染指標(biāo)為氨氮、總磷[1]。盡管污水處理已取得了巨大進(jìn)展，但傳統(tǒng)化學(xué)物理方法仍存在運(yùn)行成本高、投資大、易產(chǎn)生二次污染等問題[1]。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一便是尋找可再生利用、低耗、高效的污水生物處理技術(shù)。

目前大多數(shù)水處理設(shè)施只有一級(jí)處理和二級(jí)處理。傳統(tǒng)的活性污泥法具有處理效果好、靈活調(diào)節(jié)處理程度等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也十分明顯，即占地面積大、耐沖擊負(fù)荷能力差且生物質(zhì)難以利用[2]等。剩余污泥也常被認(rèn)為是一種“污染轉(zhuǎn)嫁”，燃燒或掩埋均可能產(chǎn)生二級(jí)污染[3]。藻類處理污水的研究從20世紀(jì)初就已經(jīng)開展，以從污水中獲取生物柴油為驅(qū)動(dòng)，藻類凈化污水已取得了諸多進(jìn)展。藻類在脫氮除磷的同時(shí)，還具有吸收水中的二氧化碳，產(chǎn)生氧氣，提升pH值等間接作用[4]。微藻還被認(rèn)為是第三代生物燃料，具有豐富的生物質(zhì)含量，可作為動(dòng)物飼料或肥料[5]。但微藻的研究目前還有諸多難點(diǎn)，如采收困難、環(huán)境二次污染等[6]。早在20世紀(jì)50年代，Oswald等[7]就提出了利用藻菌共生系統(tǒng)處理污水的方法?！霸寰采笔侵笇⒃孱愇杖コ鬯械?、磷和有機(jī)物的能力與細(xì)菌降解污水中污染物的功能結(jié)合在一起，并將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，可進(jìn)一步用于生物能源生產(chǎn)和一些商業(yè)產(chǎn)品等多種應(yīng)用[8]。藻菌共生體系在促進(jìn)藻體沉降性方面有很好的效果[9]，大大降低微藻的采收成本，為微藻的采收提供了新的解決思路。目前，為了研究藻菌共生系統(tǒng)處理污水的潛力，已經(jīng)開發(fā)出良好的藻菌共生動(dòng)力學(xué)模型[10]。研究表明:藻菌共生在處理水體富營養(yǎng)化方面具有很大的前景，但國內(nèi)對(duì)藻類治理污水的研究，大多處仍在藻種篩選和藻類對(duì)污水處理的初級(jí)階段[11]。要使藻類真正地應(yīng)用于水處理，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

上述幾種方法在處理污水方面均具有顯著成效，但在污水處理過程中，仍缺乏對(duì)氮磷去除率和生物質(zhì)產(chǎn)量的橫向比較，無法為工程實(shí)例提供有效參考。因此，文章選用單一微藻、混合微藻、藻菌共生系統(tǒng)和活性污泥等4種生物培養(yǎng)物，分別在二級(jí)出水、BG11和合成污水中進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分析其去除水體中的總磷、氨氮以及生物質(zhì)產(chǎn)出的能力。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)物

利用4種不同的生物培養(yǎng)物開展氮磷去除的研究。單一微藻SA(Single Alage)和混合微藻MA(Mixed Alage)均分離自山東建筑大學(xué)映雪湖，其中單一微藻為四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)，混合微藻主要為四尾柵藻和小球藻(Chlorella)。

活性污泥AS(Actived Sludge)取自濟(jì)南市光大水務(wù)二次沉淀池污泥回流泵房的高濃度泥水混合液。取回污泥首先經(jīng)過篩網(wǎng)(1 mm×1 mm)過篩，靜置24 h以去除污泥上清液。用蒸餾水洗滌靜置后污泥3次，再靜置去除上清液。污泥每天進(jìn)行2周期間歇進(jìn)水馴化污泥。

藻菌混合物AB(Algal-Bacteria)為混合微藻與活性污泥的混合液。根據(jù)兩者生物質(zhì)濃度(干重)，按照質(zhì)量比3∶1比例將混合微藻與活性污泥混合，離心后接種在培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。

1.2 培養(yǎng)基質(zhì)

生物培養(yǎng)物分別在合成污水、二級(jí)出水和BG11培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。合成污水、人工污水、BG11分別代表了氮磷濃度較高、一般、較低的污水。

實(shí)驗(yàn)用的二級(jí)出水取自山東建筑大學(xué)污水處理廠二沉池出水口，在用于處理實(shí)驗(yàn)之前，通過重力沉降去除大固體顆粒。為去除懸浮和溶解固體，將其在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min，取上清液，通過孔徑為0.45 μm的注射器濾膜過濾。

改良BG11培養(yǎng)基在蒸餾水中制備。所有液體培養(yǎng)基在120℃下滅菌30 min，然后冷卻至室溫。用1 mol/L NaOH或HCl將上述培養(yǎng)基的pH值調(diào)節(jié)至7.1，然后將培養(yǎng)基無菌儲(chǔ)存。

實(shí)驗(yàn)用的改良BG11培養(yǎng)基、合成污水的主要組成分別見表1、2，其中，A5溶液為BG11培養(yǎng)基微量元素母液，配制培養(yǎng)基的投入量為1 mL/L。3種培養(yǎng)基質(zhì)中氨氮和總磷濃度見表3。

表1 改良BG11培養(yǎng)基組分表/(mg·L-1)

表2 合成污水組分表/(mg·L-1)

表3 培養(yǎng)基質(zhì)中氨氮和總磷濃度表/(mg·L-1)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將AB、MA、SA、AS等4種微生物培養(yǎng)物分別接種在含二級(jí)出水、BG11培養(yǎng)基、合成污水3種培養(yǎng)基的柱狀光生物反應(yīng)器(高×內(nèi)徑×壁厚為350 mm×105 mm×5 mm)中[12]，放置在人工氣候室中培養(yǎng)6 d。恒溫25℃，光照強(qiáng)度5 000 lx，光暗比12 h∶12 h。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣品，確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

1.4 分析方法

每天在柱狀光生物反應(yīng)器的取樣口處取樣，在4 000 r/min下離心10 min，取上清液測(cè)定氨氮、總磷。在實(shí)驗(yàn)開始前及結(jié)束后，取培養(yǎng)物生物質(zhì)，分別測(cè)定其中的總脂、蛋白質(zhì)以及多糖含量。

(1)生物質(zhì)濃度測(cè)定方法

將濾紙烘干至恒重，稱重。取一定體積的水樣，將水樣通過濾紙過濾。將濾紙烘干至恒重，稱量濾紙質(zhì)量。生物質(zhì)濃度的計(jì)算由式(1)表示為式中:c為生物質(zhì)濃度，g/L；m0為濾紙恒重，g；m1為過濾后濾紙恒重，g；V為量取水樣體積，L。

(2)總脂含量測(cè)定方法

采用有機(jī)溶劑提取法[13]。取0.1 g藻粉放于試管中，加入6 mL體積比2∶1三氯甲烷/甲醇混合溶液，室溫下充分震蕩1 min，于60℃水浴中，從微沸開始計(jì)時(shí)提取60 min。提取結(jié)束后，氮吹儀吹干，在105℃下烘干至恒重稱重?？傊坑?jì)算由式(2)表示為

式中:Lw為總脂含量，%；m0、m1、m2分別為玻璃試管、干藻粉、油脂和玻璃試管的質(zhì)量，g。

(3)蛋白質(zhì)測(cè)定方法

參照GB/T 6432—94飼料中粗蛋白測(cè)定方法[14]。

(4)多糖測(cè)定方法

參照SN/T 4260—2015出口植物源食品中粗多糖的測(cè)定方法[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 總磷去除能力的比較

4種培養(yǎng)物分別在BG11、合成污水和二級(jí)出水中進(jìn)行培養(yǎng)，每日水體中的總磷濃度變化如圖1所示。

圖1 培養(yǎng)介質(zhì)中總磷濃度變化圖

4種培養(yǎng)物均對(duì)于3種污水中總磷有明顯的處理效果，去除率均＞80%。其中AB對(duì)于3種污水的總磷去除效率最快。然而，3種污水中AS對(duì)于總磷的去除效果有較大差別。在BG11培養(yǎng)基和二級(jí)出水中，AS的總磷去除率分別為60.72%、61.72%，明顯低于其他3種培養(yǎng)物。各培養(yǎng)物對(duì)于合成污水總磷去除效果十分接近，合成污水的總磷去除實(shí)驗(yàn)中，AB對(duì)二級(jí)出水的去除率最高達(dá)95.78%，MA的去除率為95.46%，其次是SA為94.43%，去除效率最低的是AS為88.94%，AB的總磷去除速率仍有微弱優(yōu)勢(shì)。相較于SA和AS，AB除磷效率更高。

研究報(bào)道指出，碳源是影響活性污泥除磷的一個(gè)重要因素，反應(yīng)器中適量的碳源能夠進(jìn)行反復(fù)吸磷，而且后期的吸磷量較穩(wěn)定，碳源的匱乏，會(huì)使活性污泥的吸磷量逐漸降低[16]。而在厭氧條件下，聚磷菌能分解體內(nèi)的聚磷酸鹽而產(chǎn)生能量，將污水中的易降解有機(jī)物攝入細(xì)胞內(nèi)，以聚羥基丁酸等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)[17]。實(shí)驗(yàn)中只提供好氧過程，使得AS無法將體內(nèi)的聚磷酸鹽分解產(chǎn)生能量，影響聚磷菌的正常代謝過程。在合成污水中，提供了足夠的碳源及氮磷元素，微藻及活性污泥均充分生長代謝。而在藻菌共生體系當(dāng)中，細(xì)菌和微藻可以形成互利共生關(guān)系。細(xì)菌將水中有機(jī)物分解為CO2、H2O、營養(yǎng)物質(zhì)提供給微藻生長代謝，微藻代謝產(chǎn)生的氧氣可以再次促進(jìn)細(xì)菌的生長代謝。

2.2 氨氮去除能力的比較

4種培養(yǎng)物分別在BG11、合成污水和二級(jí)出水中進(jìn)行培養(yǎng)，每日水體中的氨氮濃度變化曲線如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，BG11中4種培養(yǎng)物氨氮去除效率趨于一致，如圖2(a)所示，3種污水中氨氮濃度均降至最低值，AB氨氮的去除效率最高為84.23%，AS的去除效率最低為80.53%。合成污水中AB的氨氮去除效率最高，達(dá)到了98.26%，如圖2(b)所示。二級(jí)出水中氨氮濃度變化有明顯差別，如圖2(c)所示，但仍可以看出AB的氨氮去除效果最好。在實(shí)驗(yàn)的第1天，AS的去除效率低于其他培養(yǎng)物，說明在二級(jí)出水中需要時(shí)間穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)[18]。合成污水中，AS的去除效率早期較高，但在長時(shí)間的去除效果低于其他培養(yǎng)物，因?yàn)榘钡勺鳛榈赐ㄟ^主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)入微藻和活性污泥中[19]。AB可以形成互利共生的協(xié)同生長關(guān)系，相對(duì)于單獨(dú)微藻和活性污泥對(duì)于去除氨氮更具有優(yōu)勢(shì)。

圖2 培養(yǎng)介質(zhì)中氨氮濃度變化圖

從上述實(shí)驗(yàn)中可以看出，AB、MA、SA在實(shí)驗(yàn)的第6天能將3種污水中的氮磷濃度降至滿足景觀用水的標(biāo)準(zhǔn)。其中，AB的氮磷去除速度最快，在第4天氨氮和總磷即可達(dá)標(biāo)，AS處理后3種污水的總磷濃度均不能滿足景觀用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而AB、SA和MA處理效果均可以滿足景觀用水總磷水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。藻類和菌類均可以有效去除污水的氨氮，且藻類可高效地去除污水中的總磷，去除氨氮的能力也強(qiáng)于菌類。另外，AB在處理BG11這種低濃度氮磷的污水處理效率也比AS高。

2.3 生物質(zhì)產(chǎn)出能力的比較

2.3.1 培養(yǎng)物在BG11出水培養(yǎng)過程中的生物質(zhì)組成

將4種培養(yǎng)物分別置于4個(gè)裝有BG11培養(yǎng)液的反應(yīng)器中，放置在恒溫25℃的培養(yǎng)室中培養(yǎng)，6 d后取部分培養(yǎng)物，過濾、烘干并檢測(cè)生物質(zhì)含量，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過BG11培養(yǎng)6 d后，4種培養(yǎng)物中AB的蛋白質(zhì)含量最高，AS蛋白質(zhì)含量最低。AB脫氮效果是4種培養(yǎng)物中最好的，可以在維持旺盛代謝的過程中合成更多的蛋白質(zhì)。而AS對(duì)氨氮的去除能力較弱，是因?yàn)槌掷m(xù)的好氧過程阻礙了AS的代謝過程。4種培養(yǎng)物的多糖含量最高的為AS，可能是由于AS含有大量的表面附著水，細(xì)菌外面包有黏度很高的黏性物質(zhì)，而這種黏性物質(zhì)主要是由葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、脫氧核糖等形成的多糖[20]，隨著AS的增殖，多糖的含量明顯升高。

圖3 培養(yǎng)物在BG11中培養(yǎng)6 d后的生物質(zhì)含量圖

2.3.2 培養(yǎng)物在二級(jí)處理出水培養(yǎng)過程中的生物質(zhì)組成

4種培養(yǎng)物在二級(jí)出水中培養(yǎng)6 d后獲取的蛋白質(zhì)、多糖和總脂含量，結(jié)果如圖4所示。4種培養(yǎng)物對(duì)比總脂含量，SA的總脂含量最高，AS的總脂含量最低。4種培養(yǎng)物多糖含量對(duì)比，SA的多糖含量最高，AB的多糖含量最低。多糖含量與實(shí)驗(yàn)中3種污水反應(yīng)氨氮含量變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，隨著氨氮含量降低，培養(yǎng)物中多糖含量逐漸升高，從側(cè)面反映了培養(yǎng)物在吸收了氨氮無機(jī)物之后，進(jìn)一步合成了多糖供自身生長，吸收越多，生長越快。MA蛋白質(zhì)含量低于SA，可能是其在處理二級(jí)出水過程中，藻種之間的競爭關(guān)系使部分藻細(xì)胞死亡后破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出[21]，再次被藻群吸收，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低。

圖4 培養(yǎng)物在二級(jí)處理出水中培養(yǎng)6 d后的生物質(zhì)含量對(duì)比圖

2.3.3 培養(yǎng)物在合成污水中培養(yǎng)過程中的生物質(zhì)

4種培養(yǎng)物在合成污水中培養(yǎng)6 d后分析得出的蛋白質(zhì)、多糖和總脂含量如圖5所示。經(jīng)合成污水培養(yǎng)后，AB、MA以及AS的多糖含量接近，約維持在13%，原因可能是SA中多糖大多用來合成細(xì)胞壁[18]，AS中復(fù)雜微生物群落多糖組成比例較低，導(dǎo)致其在合成污水培養(yǎng)過程中多糖含量較少。對(duì)比4種培養(yǎng)物在合成污水中培養(yǎng)后的蛋白質(zhì)含量，AB的蛋白質(zhì)含量最高，AS的蛋白質(zhì)含量最低。SA在合成污水中培養(yǎng)后的蛋白質(zhì)含量，相較于SA在二級(jí)出水中培養(yǎng)后的含量都有所提高，可能是由于合成污水中的氨氮含量較高，藻類過量吸磷合成蛋白質(zhì)導(dǎo)致的。這也與合成污水中4種培養(yǎng)的氨氮和總磷去除率對(duì)應(yīng)。說明部分磷元素被用于合成培養(yǎng)物中的磷脂，對(duì)磷的去除效率越快，自身總脂的含量就會(huì)越高。

圖5 培養(yǎng)物在合成污水中培養(yǎng)6 d后的生物質(zhì)含量圖

3 結(jié)論

通過在不同污水中培養(yǎng)多種生物培養(yǎng)物，探討了其去除氮磷以及生產(chǎn)生物質(zhì)的能力，主要得出以下結(jié)論:

(1)與活性污泥相比，藻菌共生系統(tǒng)與藻類處理污水更具有優(yōu)勢(shì)。藻菌共生系統(tǒng)可以在第4天將二級(jí)出水處理到滿足景觀出水的標(biāo)準(zhǔn)，第6天達(dá)到最高效率，脫氮率、除磷率分別為98.26%、95.78%。

(2)藻菌共生系統(tǒng)相較于單藻系統(tǒng)、混合藻系統(tǒng)以及活性污泥，具有更高的蛋白質(zhì)以及油脂的生物質(zhì)產(chǎn)出，在培養(yǎng)后期的蛋白質(zhì)含量為41.14%～54.12%，總脂的含量為11.83%～20.13%。

(3)氨氮濃度與生物培養(yǎng)物蛋白質(zhì)含量有良好的相關(guān)性，隨著氨氮去除率的增大，培養(yǎng)物中蛋白質(zhì)產(chǎn)出增加。