四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活污水的處理性能研究

李 超，惠曉梅，，潘子鶴，武亞川，樊 飆

(1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030600；2.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，太原 030009；3.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，太原 030006)

城市化的快速發(fā)展以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中化肥的廣泛使用，產(chǎn)生了大量具有高含量氮、磷及有機(jī)物的污水，污水的直接排放造成嚴(yán)重的水污染，給城市和農(nóng)業(yè)用水帶來(lái)較大的威脅[1-3]。生活污水傳統(tǒng)的處理方法主要是絮凝、吸附、膜分離、生物降解等[4-7]。絮凝是利用鋁鹽等絮凝劑通過(guò)靜電、網(wǎng)捕架橋等作用將水體中的大分子、帶電物質(zhì)絮凝沉淀，實(shí)現(xiàn)污水凈化[4]。然而，絮凝劑處理效果不佳且會(huì)產(chǎn)生大量污泥，造成二次污染[8]。吸附和膜分離是新型高效的水處理手段，但易被污染，難以循環(huán)利用，運(yùn)行成本較高[9]。生物降解主要通過(guò)細(xì)菌的厭氧、好氧等過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解，但該技術(shù)對(duì)于氨氮等降解效果不佳，具體表現(xiàn)為降解效率較低、占地面積大并且會(huì)產(chǎn)生剩余污泥[10]。因此，尋找一種綠色、簡(jiǎn)潔的水處理方法十分必要。

近年來(lái)，眾多學(xué)者利用微藻所具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，如在水中繁殖迅速、以C/N/P等物質(zhì)為原料進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖、可進(jìn)行光合作用產(chǎn)氧從而補(bǔ)充水體中的溶解氧等，將其應(yīng)用于污水處理過(guò)程中[11-13]。OSWALD和GOTAAS[14]在1957年首先提出可以利用微藻以含碳氮磷污染物為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)生長(zhǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行污水凈化。朱新曼等[15]研究了萊茵微藻對(duì)污水處理廠出水氮磷的處理效果，結(jié)果顯示污水中總磷、總氮和化學(xué)需氧量(COD)的7 d的去除效率分別達(dá)到98.7%、72.6%和81.5%，但并未研究不同藻類(lèi)及藻類(lèi)投加量對(duì)污水的處理效果。黃健和唐世剛[16]將微藻負(fù)載到膜生物反應(yīng)器上，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器對(duì)COD去除效率達(dá)到90%，對(duì)總磷和總氮的去除效率較傳統(tǒng)的膜生物反應(yīng)器高10%和19%左右。宋培學(xué)等[17]研究小球藻、柵藻、衣藻對(duì)生活污水中磷酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽的處理效率，結(jié)果顯示小球藻對(duì)氨氮處理效果較好，而衣藻對(duì)亞硝酸鹽的處理效果最好，達(dá)到75%.

本研究選取四尾柵藻和蛋白核小球藻處理模擬生活污水原水，研究其對(duì)COD、氨氮、總磷和總氮等指標(biāo)的影響。同時(shí)，探究了微藻種類(lèi)、投加量、處理時(shí)間對(duì)模擬原水的影響規(guī)律，并對(duì)微藻的微觀形貌、處理模擬原水前后表面化學(xué)特征官能團(tuán)等進(jìn)行表征，揭示兩種不同微藻對(duì)模擬生活原水的處理性能，為微藻在污水處理中的應(yīng)用提供理論支持和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

實(shí)驗(yàn)用到的四尾柵藻和蛋白核小球藻均為實(shí)驗(yàn)室自有藻種；硝酸鈉(優(yōu)級(jí)純購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠)；三水磷酸鉀、七水硫酸鎂、二水氯化鈣、碳酸鈉、檸檬酸、檸檬酸鐵銨、乙二胺四乙酸、硼酸、一水氯化錳、七水硫酸鋅、五水硫酸銅、二水鉬酸鈉、六水硝酸鈷、磷酸氫二鉀三水合物、鄰苯二甲酸氫鉀、DL-丙氨酸、L-絲氨酸、甘氨酸、氯化銨、D-葡萄糖-6-磷酸、偏磷酸鈉、磷酸二氫鉀、磷酸三鉀、無(wú)水磷酸二氫鈉，均購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司，分析純。

1.2 微藻的培養(yǎng)

四尾柵藻和蛋白核小球藻藻種選用BG11培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，步驟如下：

將培養(yǎng)基pH值調(diào)整到7.0±0.1，將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的藻細(xì)胞沉淀至三角瓶底部，將上清液倒掉，用滅過(guò)菌的去離子水反復(fù)洗滌微藻細(xì)胞2到3次。再將微藻靜置沉淀后，將微藻濃縮液分別接種到三角瓶中。最后，將藻種的起始接種濃度設(shè)置為200 mg/L，同時(shí)要在錐形瓶上標(biāo)注藻株的名稱(chēng)及培養(yǎng)日期。將藻體接種至含BG11培養(yǎng)基的250 mL的三角錐形瓶中進(jìn)行培養(yǎng)。設(shè)置培養(yǎng)條件為溫度25 ℃，光照強(qiáng)度3 000 lux，光暗比14 h∶10 h.每天手動(dòng)振蕩3到5次，以防止藻細(xì)胞粘附或沉淀在瓶壁上，連續(xù)培養(yǎng)兩個(gè)月。

BG11培養(yǎng)基的配制方法如下：硝酸鈉，1.5 g/L；三水合磷酸氫鉀，0.04 g/L；七水硫酸鎂，0.2 g/L；二水氯化鈣，0.036 g/L；碳酸鈉，0.02 g/L；檸檬酸，0.006 g/L；檸檬酸鐵銨，0.006 g/L；乙二胺四乙酸，0.001 g/L；A5微量元素溶液，1 ml/L.A5微量元素溶液的組成如下：硼酸，2.86 g/L；一水氯化錳，1.81 g/L；七水硫酸鋅，0.222 g/L；五水硫酸銅，0.079 g/L；二水錳酸鈉，0.390 g/L；六水硝酸鈷，0.049 g/L.

1.3 模擬生活原水的配制

COD，350 mg/L；總氮，35 mg/L；有機(jī)氮，15 mg/L；氨氮，20 mg/L；總磷，10 mg/L；有機(jī)磷，3 mg/L；無(wú)機(jī)磷，7 mg/L；鄰苯二甲酸氫鉀，0.425 1 g/L； 丙氨酸，31.25 mg/L；絲氨酸，38.46 mg/L；甘氨酸，26.3 mg/L；氯化銨，76.92 mg/L；D-葡萄糖-6-磷酸，25 mg/L；偏磷酸鈉，3.3 mg/L；磷酸二氫鉀，8.7 mg/L；磷酸三鉀，13.3 mg/L；無(wú)水磷酸二氫鈉，7.7 mg/L.

1.4 儀器設(shè)備

馬爾文粒度儀，Mastersizer 3000型，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)，PerkinElmer 2000型，美國(guó)；Zeta電位分析儀，Nano ZS90型，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-IT500HR/LV型，日本；紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，UV-1601型，中國(guó)；COD快速測(cè)定儀，TongaoTR-408型，同奧科技有限公司，中國(guó)；消解儀，TongaoTDR-16A型，同奧科技有限公司，中國(guó)。

1.5 微藻接種方法

首先，將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的藻細(xì)胞沉淀至三角瓶底部，將上清液倒掉，用滅過(guò)菌的去離子水反復(fù)洗滌藻體沉淀2到3次。再將微藻靜置沉淀后，將微藻濃縮液分別接種到三角瓶中。最后，將藻種的接種質(zhì)量濃度設(shè)置為100 mg/L和200 mg/L，同時(shí)要在錐形瓶上標(biāo)注藻株的名稱(chēng)及培養(yǎng)日期。

接種藻濃度的處理與計(jì)算：取3張0.22 μm的微孔濾膜置于105 ℃的烘箱中烘3 h，烘干后稱(chēng)重，記為m1；將烘好的濾膜置于抽濾裝置上，取1～2 mL綠藻抽濾并記為V；將收集到綠藻的濾膜置于烘箱中烘3 h后，再稱(chēng)重，記為m2，則藻體的干重為m=m2-m1.由此可得培養(yǎng)好的藻體質(zhì)量濃度為m/V.接種到污水中藻的體積(假設(shè)500 mL的污水)計(jì)算方法如下：

(1)

式中：a為微藻細(xì)胞質(zhì)量濃度， mg/L；V1為接種液體積，mL；V2為污水的體積，mL；x為接種微藻液的質(zhì)量濃度，mg/L.取x為100 mg/L、200 mg/L分別計(jì)算不同質(zhì)量濃度藻的接入體積V1.

2 結(jié)果與討論

2.1 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水的COD去除效果

四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水的COD去除效率如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)研究所用模擬生活原水的COD為(351.59±7.11) mg/L.由圖1所示，在加入四尾柵藻和蛋白核小球藻后，模擬生活原水的COD在2 d后從原來(lái)的351.59 mg/L迅速下降到70 mg/L左右，去除效率達(dá)到77.30%.相比之下，當(dāng)四尾柵藻的投加量為100 mg/L和200 mg/L時(shí)，2 d后原水中COD的含量分別下降到(80.71±3.54) mg/L和(72.30±5.67) mg/L；而當(dāng)?shù)鞍缀诵∏蛟宓耐都恿繛?00 mg/L和200 mg/L時(shí)，2 d后原水中COD的質(zhì)量濃度分別下降到(86.47±2.45) mg/L和(80.49±7.89) mg/L，表明蛋白核小球藻對(duì)COD的去除效果低于四尾柵藻。延長(zhǎng)四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水的處理時(shí)間至4 d和6 d，COD下降不明顯。該結(jié)果說(shuō)明四尾柵藻和蛋白核小球藻的使用能夠顯著降低原水COD，而延長(zhǎng)微藻在原水中的反應(yīng)時(shí)間，并未對(duì)COD產(chǎn)生顯著的去除效果。

圖1 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水的COD去除效果Fig.1 Scenedesmus quadricauda and chlorella pyrenoidosa for the removal of simulated domestic sewage COD

圖1中還顯示了四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量對(duì)原水COD的去除效率的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)四尾柵藻的投加量從100 mg/L提高到200 mg/L時(shí)，培養(yǎng)2 d時(shí)污水的COD從(80.71±3.54) mg/L下降到(72.30±5.67) mg/L.當(dāng)四尾柵藻的投加量提高到200 mg/L時(shí)，其對(duì)原水COD的降低只提高了8.4 mg/L左右，提高效率不到10%。說(shuō)明提高四尾柵藻的投加量并未顯著提高COD的去除效率。

綜上所述可知，影響COD下降的主要因素是藻類(lèi)的不同，與投加量和反應(yīng)時(shí)間關(guān)系不大。

2.2 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水的氨氮去除效果

圖2是四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水氨氮去除效率隨處理時(shí)間的變化關(guān)系以及投加量對(duì)模擬生活原水氨氮的去除效率影響。由圖可知，四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量為100 mg/L，處理時(shí)間為2 d時(shí)，原水中氨氮分別由原來(lái)的33.10 mg/L下降到21.36 mg/L和19.82 mg/L，去除效率分別為35.47%和40.10%.隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，氨氮濃度進(jìn)一步下降，在處理4 d后，氨氮質(zhì)量濃度分別下降到20.12 mg/L和15.65 mg/L，去除效率分別為39.20%和52.72%(相對(duì)于原水)。在四尾柵藻和蛋白核小球藻處理6 d后，氨氮質(zhì)量濃度分別下降到19.22 mg/L和18.74 mg/L，處理效率分別為41.93%和43.38%.蛋白核小球藻在處理時(shí)間超過(guò)4 d后出現(xiàn)拐點(diǎn)可能是因?yàn)榈鞍缀诵∏蛟逶谏L(zhǎng)過(guò)程中自身分泌有機(jī)物導(dǎo)致。由圖2對(duì)比可知，在相同的投加量條件下，蛋白核小球藻對(duì)氨氮的去除效果優(yōu)于四尾柵藻。

圖2 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水氨氮去除效果Fig.2 Scenedesmus quadricauda and chlorella pyrenoidosa for the removal of simulated domestic sewage ammonia-nitrogen

改變投加量，氨氮的去除效率也不同。從圖2可知，蛋白核小球藻投加量從100 mg/L提高到200 mg/L時(shí)，6 d時(shí)污水中氨氮從18.74 mg/L下降到13.89 mg/L，說(shuō)明提高投加量有利于蛋白核小球藻對(duì)氨氮的去除。而四尾柵藻投加量從100 mg/L提高到200 mg/L后，污水中氨氮的質(zhì)量濃度僅僅從19.22 mg/L降低到18.65 mg/L，去除效率無(wú)顯著變化。具體而言，蛋白核小球藻投加量為200 mg/L，處理時(shí)間為2 d時(shí)，原水中氨氮質(zhì)量濃度由原來(lái)的33.10 mg/L下降到16.49 mg/L，去除效率為50.18%；而四尾柵藻投加量為200 mg/L，處理時(shí)間為2 d時(shí)，原水中氨氮質(zhì)量濃度由原來(lái)的33.10 mg/L下降到21.41 mg/L，去除效率為35.31%.當(dāng)處理時(shí)間延長(zhǎng)到4 d時(shí)，蛋白核小球藻和四尾柵藻處理的原水氨氮質(zhì)量濃度分別下降到15.39 mg/L和19.34 mg/L，去除效率分別為53.50%和41.57%；繼續(xù)延長(zhǎng)到6 d，氨氮質(zhì)量濃度進(jìn)一步下降到13.79 mg/L和18.65 mg/L，去除效率分別為58.34%和43.66%.

2.3 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水的總磷去除效果

圖3是四尾柵藻和蛋白核小球藻在不同的處理時(shí)間和投加量條件下對(duì)模擬生活原水的總磷去除效果。由圖可知，當(dāng)四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量為100 mg/L，處理時(shí)間2 d時(shí)總磷由原來(lái)的4.6 mg/L分別下降到3.78 mg/L和3.39 mg/L，去除效率分別為17.83%和26.30%.隨著微藻處理時(shí)間的延長(zhǎng)，原水中總磷的濃度進(jìn)一步降低，總磷在四尾柵藻和蛋白核小球藻處理4 d后進(jìn)一步下降到3.67 mg/L和2.73 mg/L；延長(zhǎng)處理時(shí)間到6 d，經(jīng)四尾柵藻和蛋白核小球藻處理的模擬原水中總磷剩余量分別為3.66 mg/L和3.13 mg/L，綜合整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，適當(dāng)延長(zhǎng)微藻對(duì)原水的處理時(shí)間有助于提升總磷的去除效率。當(dāng)四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量提高到200 mg/L，處理時(shí)間為2 d時(shí)，模擬原水中總磷質(zhì)量濃度分別為3.43 mg/L和3.24 mg/L，去除效率分別為25.43%和29.57%.延長(zhǎng)四尾柵藻和蛋白核小球藻的處理時(shí)間至4 d和6 d時(shí)，模擬原水中總磷進(jìn)一步下降，在處理6 d后下降到最小值分別為2.69 mg/L和2.25 mg/L，去除效率分別為41.52%和51.09%.提高四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量能夠提高兩種微藻對(duì)原水總磷的去除效率，總磷的去除效率隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。因此，污水中總磷的去除與藻類(lèi)品種、投加量和處理時(shí)間均有密切關(guān)系。然而進(jìn)一步提高微藻的投加量(300 mg/L)會(huì)導(dǎo)致微藻快速沉降，處理效果降低。

圖3 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水總磷的去除效果Fig.3 Scenedesmus quadricauda and chlorella pyrenoidosa for the removal of simulated domestic sewage TP

2.4 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水總氮的去除效果

圖4是四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水總氮的去除效果。由圖可知，在加入四尾柵藻和蛋白核小球藻后，原水總氮含量迅速降低。其中四尾柵藻處理4 d后總氮含量降到最低值，去除效率在投加量為200 mg/L時(shí)可達(dá)到最高值為85.33%，而蛋白核小球藻對(duì)生活原水總氮的去除效率在投加量為100 mg/L，處理4 d時(shí)最大，可達(dá)到87.67%.對(duì)于四尾柵藻而言，投加量從100 mg/L提高到200 mg/L，總氮的去除效率從72.67%提高到85.33%，說(shuō)明投加量的提高提升了四尾柵藻對(duì)總氮的去除效率。而對(duì)于蛋白核小球藻而言，在投加量分別為100 mg/L和200 mg/L時(shí)對(duì)總氮的最大去除效率均出現(xiàn)在第4 d時(shí)，分別為87.67%和78.67%。無(wú)論是蛋白核小球藻還是四尾柵藻，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，二者對(duì)總氮的去除效率均迅速提高，在第4 d時(shí)達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，原水中總氮的去除效率不僅受到投加量的影響，還會(huì)受到處理時(shí)間的影響。

圖4 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水總氮的去除效果Fig.4 Scenedesmus quadricauda and chlorella pyrenoidosa for the removal of simulated domestic sewage TN

2.5 四尾柵藻和蛋白核小球藻處理原水前后的形貌變化

圖5是四尾柵藻在處理模擬生活原水前后的微觀形貌。由圖5(a)可知，四尾柵藻在處理原水前結(jié)構(gòu)致密，有啞鈴型結(jié)構(gòu)分布。進(jìn)一步放大顯示在四尾柵藻的表面分布有較多納米級(jí)顆粒(圖5(b)).圖5(c)和圖5(d)是四尾柵藻對(duì)模擬生活原水處理4 d后的微觀形貌。由圖可知，四尾柵藻多為片狀或顆粒狀結(jié)構(gòu)(圖5(c))，表面啞鈴狀形貌消失。進(jìn)一步放大觀察四尾柵藻表面發(fā)現(xiàn)，其表面平整，與未處理前表面微觀形貌不同(圖5(d)).這是由于模擬原水中含有一定數(shù)量的氮、磷等物質(zhì)，四尾柵藻可以利用氨氮等作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身的氨基酸，實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的去除。在該過(guò)程中，微藻細(xì)胞會(huì)分泌胞外有機(jī)物，造成微藻微觀形貌的變化[18-19]。由上述分析可知，四尾柵藻對(duì)模擬原水COD、氨氮、總磷具有一定的去除效果，而這些物質(zhì)可以作為微藻的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被微藻利用，造成四尾柵藻進(jìn)行水處理一段時(shí)間后形貌發(fā)生較大變化。

(a,b)處理原水前；(c,d)處理原水4 d后圖5 四尾柵藻處理模擬生活原水前后形貌變化Fig.5 SEM images of the morphology of scenedesmus quadricauda before and after simulated domestic sewage treatment

圖6是蛋白核小球藻在處理模擬生活原水前后的微觀形貌。由圖6(a)可知，蛋白核小球藻在處理前由大量空腔和顆粒組成。進(jìn)一步放大顯示，蛋白核小球藻的表面空腔和顆粒尺寸約為500 nm左右(圖6(b))，且有大量粒度更小的納米顆粒分布。圖6(c)和圖6(d)是蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水處理6 d后的微觀形貌。由圖可知，蛋白核小球藻空腔和納米凸起結(jié)構(gòu)消失(圖6(c))，表面由數(shù)量眾多的微凸起顆粒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。進(jìn)一步放大蛋白核小球藻表面的凸起，顯示凸起是由眾多顆粒構(gòu)成的(圖6(d))，且凸起的尺寸比未處理前大。蛋白核小球藻在處理模擬生活原水前后形貌的巨大變化是由于蛋白核小球藻利用模擬原水中的COD、氨氮、磷等成分作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)長(zhǎng)大的結(jié)果[20]。

(a,b)處理原水前；(c,d)處理原水6 d后圖6 蛋白核小球藻處理模擬生活原水前后形貌變化Fig.6 SEM images of the morphology of chlorella pyrenoidosa before and after simulated domestic sewage treatment

2.6 四尾柵藻和蛋白核小球藻處理原水前后表面組成變化

圖7 四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水處理6 d后表面化學(xué)變化Fig.7 Surface chemistry of scenedesmus quadricauda and chlorella pyrenoidosa before and after the simulated domestic sewage treatment for 6 days

3 結(jié)論

本文以模擬生活原水為對(duì)象，研究了四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量、處理時(shí)間對(duì)模擬生活原水的COD、氨氮、總磷和總氮的去除效果。通過(guò)SEM、FTIR研究了四尾柵藻和蛋白核小球藻對(duì)模擬生活原水各項(xiàng)指標(biāo)去除前后形貌及表面化學(xué)組成的變化。研究結(jié)果表明，二者對(duì)模擬原水COD和總氮的去除效率較高，而對(duì)氨氮和總磷的去除效率相對(duì)較低(小于60%).研究結(jié)果顯示，適當(dāng)提高四尾柵藻和蛋白核小球藻的投加量和處理時(shí)間能夠提高二者對(duì)模擬原水COD、氨氮、總磷和總氮的去除效果。投加量對(duì)四尾柵藻的影響很大，而蛋白核小球藻的處理效果在相同的處理?xiàng)l件下要優(yōu)于四尾柵藻。四尾柵藻和蛋白核小球藻的微觀形貌在處理模擬生活原水后均發(fā)生了顯著的變化，主要是由于兩種藻類(lèi)利用原水中的氮磷和COD作為營(yíng)養(yǎng)質(zhì)進(jìn)行代謝生長(zhǎng)所致。本文的研究結(jié)果為微藻在處理生活廢水COD、氨氮等污染物的應(yīng)用方面提供了理論和實(shí)驗(yàn)支持。