基于微藻培養(yǎng)的污水凈化與資源化技術(shù)研究

馮金東

摘 要：水污染問題從近代以來就一直困擾著人們。為此，人們采用了各種方法試圖克服這個問題。然而，現(xiàn)在世界范圍內(nèi)所采用的最為廣泛的污水凈化法，活性污泥法，仍然存在著不少的問題，比如過程控制難度大，成本高，污染物去除率低下等等。所以人們試圖使用其他方法替代掉活性污泥法以解決這些缺點(diǎn)。其中最為突出的是微藻法。污水中的主要污染物：總氮，總磷，COD等，都是微藻生長所需要的養(yǎng)料。因此可以以污水作為微藻的“培養(yǎng)基”，讓微藻吸收水中的污染物從而達(dá)到凈化污水的目的。同時，成熟后的微藻內(nèi)的生物質(zhì)也可以用于副產(chǎn)品的制造。

關(guān)鍵詞：微藻;污水凈化;懸浮附著微藻培養(yǎng)法;總氮總磷去除;油脂

一、緒論

時至今日，水污染已經(jīng)成為了最嚴(yán)重的生態(tài)問題之一。它在發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家都存在，只是具體的情況有所差別。在美國，有59%的人們都在擔(dān)心他們的飲用水是否被污染（Saad L.，2009）。在馬來西亞，由于污水的大量排放，盡管存在保護(hù)水質(zhì)的立法，在2013年由環(huán)境部監(jiān)測的340條河流中，大約25條河流被列為高度污染（Mariani Ariffin等，2015）。在日本，一組研究人員對當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，40個分區(qū)中有15個分區(qū)的硝酸鹽含量超標(biāo)（Wang，S等，2015）。同樣，在我國，2017年的全國污水總排放量為6996610萬噸（中國統(tǒng)計(jì)出版社，2019），幾乎是2000年污水總排放量（1942405萬噸）的3.6倍（中國統(tǒng)計(jì)出版社，2001）。由此可見，水污染問題是全世界所共有的。水污染問題對于環(huán)境及生態(tài)存在嚴(yán)重的危害。比如，當(dāng)污水被排放到海洋后，便對珊瑚產(chǎn)生了極大的危害，其中高濃度的無機(jī)物養(yǎng)分（銨，磷酸，和亞硝酸鹽），不僅會危害到珊瑚的共生生物，同時造成藻類大規(guī)模的生長，從而導(dǎo)致珊瑚的數(shù)量銳減（Stephanie L. Wear等，2015）。在馬來西亞，污水的排放導(dǎo)致海藻在其海域大量繁殖，并已擴(kuò)散到了一定數(shù)量的島嶼的珊瑚礁中（Mariani Ariffin等，2015）。由此可見，水污染已經(jīng)成為了全球范圍內(nèi)亟待解決的問題。

在調(diào)研了30多篇文章后，可以得出結(jié)論：大多數(shù)工廠都在使用物化生連用的方法處理污水，其中生物法是核心。這是因?yàn)樯锓ǖ暮锰幱泻芏?，其中包括簡單高效易于操作、能夠?qū)ξ鬯械牡椎然瘜W(xué)元素進(jìn)行快速去除、保證污水的處理效果等優(yōu)點(diǎn)（鄭昆等，2019）。同時，生態(tài)法（其中大部分為人工濕地）的使用量較為低下，是因?yàn)槿斯竦靥幚砦鬯年P(guān)鍵因素，植物種類和其介質(zhì)種類可能會影響到人工濕地的污水處理效果，因?yàn)樗鼈儠S著時間的推移直接或者間接改變污水的處理效果（Arias C.A.等，2001.Li， J.等，2008.）。此外，人工濕地的處理性能嚴(yán)重依賴于合適的操作參數(shù)（水深、水力停留時間和負(fù)荷、進(jìn)料方式、設(shè)置設(shè)計(jì)等）（Haiming Wu等，2015）。因此，工廠只能選擇相較于其他方法更為普適，性價比更高的生物法，同時配合物理法和化學(xué)法進(jìn)一步提高污水凈化的質(zhì)量。

在圖表中可以看到，在生物法中，活性污泥法是目前工廠采取的最為廣泛的方法。圖1是活性污泥法的大致工作流程（葉銳，2017.唐橫，2019.王冰等，2015.）。其處理污水的優(yōu)點(diǎn)有以下： 1、活性污泥法還能夠有效地清除污水中的臭氣。臭氣中的主要成分NH3是一種易容于水的化合物，而當(dāng)它溶解到水中后，會轉(zhuǎn)化成硝酸鹽和亞硝酸鹽。而這兩種物質(zhì)，可以在微生物的硝化過程中被處理干凈（Fuqiang Fan等，2020）。2、活性污泥對有機(jī)物和氮的去除效果較為可觀（田宇等，2014）。然而，活性污泥法同樣存在一些缺陷。一，活性污泥法凈化效果相較于微藻法較為低下。二，活性污泥法中污泥回流所帶來的磷酸鹽會對其中的微生物造成影響，從而影響到其處理污水的效果（田宇等，2014）。此外在該方法中所有的微生物處在同一個反應(yīng)器，會導(dǎo)致菌種間的競爭，這一點(diǎn)同樣也會造成污水處理效果的降低（田宇等，2014）。三、從活性污泥法的流程圖（圖1）中也可以看到該種方法在凈化污水時的過程冗長。

在調(diào)研中，同樣可以知道微藻法清理污水的使用范圍較小，運(yùn)用不大，這是因?yàn)橐袁F(xiàn)在的技術(shù)，微藻培養(yǎng)、維持等費(fèi)用太高。但是，微藻處理污水技術(shù)仍然具有很大的研究前景。因?yàn)?，微藻處理污水的?yōu)點(diǎn)很明顯：1、微藻能夠在處理污水的同時將太陽能轉(zhuǎn)化為有用的生物質(zhì)，可以高效吸收諸如氮、磷等能引起水體富營養(yǎng)化的物質(zhì)（N. Abdel-Raouf 等，2012.）， 致使污水中的污染物能夠以微藻為媒介被再利用，再次創(chuàng)造價值。2、由于微藻能夠大幅度吸收污染物，因此相較于其他的生物法污水凈化方法（如：活性污泥法，氧化溝法）微藻法的性價比會更高。（降低污水處理成本）（Kun Lia等，2019）。其處理效果如圖四。3、微藻能夠?qū)⑽鬯械臓I養(yǎng)物質(zhì)去除到一個較低的水平，從而滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰╓hitton R.等，2015.）。4、微藻在凈化污水的同時，也能同時獲得許多有用的副產(chǎn)品：（1）.油脂。微藻中的油脂可用于生物柴油的制備。微藻中的油脂可以被轉(zhuǎn)化成不同的生物柴油， 如生物氫， 生物柴油，生物乙醇和沼氣。同時，微藻油脂在被做成生物柴油時，每公頃所能釋放的能量是土地作物所制成的生物油所能放出能量的30-100倍（Raheem A.等，2015）。由此可見，如果用微藻為原料制造生物柴油，那么能源利用效率將會被極大地提高。

現(xiàn)在，也有很多的學(xué)者已經(jīng)展開了關(guān)于微藻凈化污水的研究。圖五是他們所采用的微藻凈化污水實(shí)驗(yàn)（Thi-Thuy-Duong Nguyen等，2020.Pengfei Cheng 等，2020.Andrea Hernández-García等，2019.A. Sánchez Zurano等，2020.Bidhu Bhusan Makut等，2019.）。從他們的實(shí)驗(yàn)可見，微藻培養(yǎng)仍然存在一定的問題。在他們的實(shí)驗(yàn)中，普遍采用的是微藻培養(yǎng)方法是懸浮式微藻培養(yǎng)器，也就是泳道。懸浮式微藻培養(yǎng)方法本身就伴隨著不小的缺陷。1、在懸浮式微藻培養(yǎng)中，水池中微藻藻細(xì)胞的密度往往會比較低（Martin Gross等，2015.）。2、懸浮式微藻培養(yǎng)的藻種非常難以收獲。根據(jù)調(diào)查，在懸浮式微藻培養(yǎng)的水池中，只是收獲培養(yǎng)的微藻的生物質(zhì)的成本就已占據(jù)了總成本的21%（Ryan Davis等，2011）。相較而言，附著式微藻培養(yǎng)會好很多。它有以下優(yōu)點(diǎn)：1、附著式微藻培養(yǎng)法的反應(yīng)器上的微藻容易收獲，從而節(jié)省成本（Martin Gross等，2015.）。2、附著式培養(yǎng)可以使光照限制最小化（Martin Gross等，2015.）。3、附著式培養(yǎng)可以增強(qiáng)二氧化碳的物質(zhì)傳遞（Martin Gross等，2015.）。4、附著式培養(yǎng)可以增加微藻細(xì)胞的固體滯留時間，從而使它不會被輕易的洗掉（Martin Gross等，2015.）。

二、材料與方法

2.1材料

2.1.1藻種

本次實(shí)驗(yàn)中采用的微藻藻種是柵藻CGMCC 3036，在中國微生物保藏中心購得。微藻的保存方法是將其置于BG11培養(yǎng)基內(nèi)。

2.1.2實(shí)驗(yàn)原理與反應(yīng)器構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)中所用的培養(yǎng)方法是懸浮法與附著法結(jié)合法。具體的反應(yīng)器則如圖2所示。反應(yīng)器的主體是一個透明圓柱型透明薄壁容器，其規(guī)格為10 L。容器的頂部有一個燈箱，以便能夠令微藻進(jìn)行光合作用。本實(shí)驗(yàn)中光暗比為14 h：10 h。在容器的底部，有一個功率為250 W，轉(zhuǎn)速為1400 轉(zhuǎn)/分的氣泵，具體效果如下：1.曝氣。氣泵可以使反應(yīng)器內(nèi)的微藻有足夠的氧氣和其他種類的氣體進(jìn)行各種生命活動， 從而保證其中的污水能夠被充分的凈化，微藻也能成長到一定的程度用以萃取生物質(zhì)用于制造其他副產(chǎn)品。2.增加效率。氣泵可以使培養(yǎng)器中的污水充分流動，循環(huán)， 因此懸浮培養(yǎng)的微藻都能充分的進(jìn)行光合作用。此外，載體也能夠隨著污水的流動而流動。

2.1.3污水配置

本次實(shí)驗(yàn)采用了八組不同的污水配置（Lin-Lan Zhuang等，2018）。其中，前四組被稱為“低濃度組”， 其中的總氮含量都為15 mg/L， 四組的總磷含量各有不同， 分別為5 mg/L，3 mg/L， 1.5 mg/L， 0.5 mg/L. 后四個組被稱為“高濃度組”， 他們的總氮含量都為150 mg/L。 這四個組的總磷含量有所不同， 分別是15 mg/L，10 mg/L，5 mg/L，1.5 mg/L。 其中，高濃度組在測量指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理時會按照一定的倍數(shù)進(jìn)行稀釋。

2.2計(jì)算方法與指標(biāo)

2.2.1計(jì)算公式

懸浮培養(yǎng)的微藻和附著培養(yǎng)的微藻的生物量比例計(jì)算公式如下：

單位為個/（ml·天）。c2 為隔了時間t后微藻的密度，單位是個/ml。c1為實(shí)驗(yàn)開始時微藻的密度，單位也是個/ml。t為時間，單位是天。

2.2.2氮磷的檢測方法

2.2.2.1總氮的檢測方法

本實(shí)驗(yàn)中對于總氮的檢測采用的是TOC儀。具體操作步驟如下：將待測水樣注入TOC/TN分析儀的高溫燃燒管中，使得總氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮（以下用NO代替），再將NO導(dǎo)入電化學(xué)檢測器中，就可以通過NO氣體的濃度測定出總氮的含量（張媛媛等，2019.）。

2.2.2.2總磷的測定方法

本實(shí)驗(yàn)中對于總磷的測定采用的方法是國標(biāo)法（鉬酸銨分光光度法，2011）。測定TP所需要的藥品有5%過硫化鉀溶液、10%抗壞血酸溶液、鉬酸鹽溶液、磷儲備液（50.0 μg P / mL）、磷標(biāo)準(zhǔn)液（2.00 μg P / mL）。需要的儀器有比色管、光譜儀。5%過硫化鉀溶液是將5g的過硫化鉀溶解于100ml的去離子水制備而成，10%抗壞血酸溶液是將10 g抗壞血酸溶解至100ml去離子水制備得到。鉬酸鹽溶液的制備過程如下：1、將13 g鉬酸銨（（NH4）6Mo7O24 4H2O）溶解至100 ml的去離子水中。2、將0.35 g酒石酸鉀氧銻（K（SbO）C4H4O6 1/2H2O）溶解至100 ml去離子水中。3、將第一步中調(diào)配好的鉬酸銨溶液慢慢倒入300 ml（1+1）硫酸溶液，并攪拌。4、往第三步調(diào)制好的溶液中加入第二步調(diào)制好的酒石酸鉀氧銻溶液，并攪拌均勻。磷儲備液的制備方法如下：1、將磷酸二氫鉀在110 ℃的條件下干燥2 h。2、在干燥器中將其冷卻。3、將0.2197 g KH2PO4轉(zhuǎn)移至1000 ml容量瓶。4、加入5 ml（1+1）硫酸。5、加入去離子水并定容至1000 ml。磷標(biāo)準(zhǔn)液的制備過程如下：1、吸取10 ml磷儲備液至規(guī)格為250 ml的容量瓶中。2、加入去離子水并定容至250 ml。實(shí)驗(yàn)步驟如圖3.

2.3 藻密度檢測方法

藻密度的檢測方法是顯微鏡血球計(jì)數(shù)板法。具體的操作步驟如圖4 所示。先提取一部分藻液，滴入一滴至血球計(jì)數(shù)板中，若一小格中的微藻數(shù)量不是5-10個，則需要稀釋，直到一小格中有大約5-10個微藻為止。如若一小格中的微藻大約為5-10個，則無需稀釋，直接觀察。本次實(shí)驗(yàn)中采用的是規(guī)格為25x16血球計(jì)數(shù)板，只需要觀察四角還有中央五個中格的的微藻，即80個小格的微藻，并數(shù)出微藻的數(shù)量。將數(shù)出來的微藻數(shù)量記為n，稀釋倍數(shù)記為x，藻密度記為r， 25x16規(guī)格的血球計(jì)數(shù)板的藻密度計(jì)

2.4微藻中三大營養(yǎng)物質(zhì)（生物質(zhì)成分）測定方法

本次實(shí)驗(yàn)中用于測定微藻中三大營養(yǎng)物質(zhì)的測量方法為傅里葉變換紅外光譜法（孟迎迎等，2017.）。主要的測量工具為傅里葉變換紅外光譜儀。測量原理如下：由于該儀器屬于分子光譜，因此它可以同時測定微藻中的多種營養(yǎng)物質(zhì)的種類和含量

2.5實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)階段為10天， 實(shí)驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備工作為期14天，共計(jì)24天。 在準(zhǔn)備階段，使用BG11配方（NaNO3 1.5 g/L， K2HPO4 3×10-2 g/L， MgSO4·7H2O 7.5×10-2 g/L， CaCl2·2H2O 36×10-2 g/L， 和鐵結(jié)合的檸檬酸 6×10-3 g/L， 檸檬酸銨 6×10-3 g/L， 乙二胺四乙酸? 1×10-3 g/L， Na2CO3 6×10-3 g/L， H3BO3 2.86×10-3 g/L， MnCl2·4H2O? 1.81×10-3 g/L， ZnSO4·7H2O 2.22×10-4 g/L， NaMoO4·5H2O 3.9×10-4 g/L， CuSO4·5H2O 7.9×10-5 g/L， Co（NO2）2·6H2O 4.94×10-4 g/L? （Li Gang等，2017.））將柵藻培育在250 ml的錐形瓶中。 14天后，將柵藻從錐形瓶中移出，轉(zhuǎn)移至10 L的反應(yīng)裝置中，同時將污水注入反應(yīng)裝置， 當(dāng)作微藻的培養(yǎng)液，還要打開氣泵，以確保柵藻能夠懸浮在污水中， 不會沉積至反應(yīng)器底部。

四、結(jié)論

綜上所述，總氮總磷含量對于微藻的生長和污水凈化效果的影響并不絕對，關(guān)鍵在于其比例。過高的氮磷比會抑制微藻的生長速度，同時減弱其對污水的凈化效果。此外懸浮附著混合培養(yǎng)法所培養(yǎng)的微藻的生長情況較為良好，其對于總氮總磷的去除能力也較為可觀，同時微藻中的油脂含量也比較可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]Saad L. Water pollution Americans top green concern.[OL] http：//www.gallup.com/poll/ 117079/waterpollution-americans-top-green-concern.aspx，2009.

[2]中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M]，中國統(tǒng)計(jì)出版社，2019.

[3]中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M]，中國統(tǒng)計(jì)出版社，2001.

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