水熱氧化法回收污泥氮磷用于培養(yǎng)產(chǎn)油柵藻

朱 偉，趙 帥，王若辰，張 昱，呂 藝

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

化石燃料的使用產(chǎn)生了眾多環(huán)境問題，且日益枯竭，因此需要尋找一種替代燃料來滿足世界能源需求。生物柴油的燃燒特性與化石燃料相似，并具有可持續(xù)、環(huán)保的優(yōu)點，具有作為新能源的潛力[1]。在制造生物柴油的原材料中，微藻具有產(chǎn)油率較高、不需要占用農(nóng)田進行培養(yǎng)等優(yōu)勢[2-3]。但使用微藻產(chǎn)油需要提供大量的營養(yǎng)物質(zhì)，使用微藻生產(chǎn)1t生物柴油，淡水培養(yǎng)條件下需要消耗330 kg氮和120 kg磷[4]。為了解決營養(yǎng)成分的問題，有研究利用廢棄生物質(zhì)，如污水[5]、禽畜糞便[6-7]等，提供氮磷和有機質(zhì)等營養(yǎng)成分。

中國市政污泥年產(chǎn)量大、分布面廣，且仍在持續(xù)增長。根據(jù)《城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，2015年、2017年、2019年全國污泥產(chǎn)量(以含水率80%計)分別為4 300萬t、6 000萬t、6 500萬t，污泥的處理和處置需要大量的能源和場地。污泥中含有豐富的生物可利用營養(yǎng)成分，包括氮、磷、鉀等[8]。如果可以使用市政污泥進行微藻的培養(yǎng)，對于污泥的處理和綠色新能源的轉(zhuǎn)化具有重要意義。

脫水污泥無法直接用于培養(yǎng)微藻，需要通過某種手段進行預(yù)處理，將污泥中的營養(yǎng)成分提取到液相中。提取廢棄生物質(zhì)中營養(yǎng)成分用于微藻培養(yǎng)的方法主要有化學(xué)氧化[9]、水熱液化[10]等。對于產(chǎn)量大、體積大的污泥來說，要求處理方法效率高、用時短、操作簡單。

化學(xué)氧化利用氧化劑或氧化劑產(chǎn)生的自由基破壞大分子，將廢棄生物質(zhì)中的有機大分子態(tài)的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物可以利用的小分子態(tài)或無機態(tài)，常用的氧化劑有過氧化氫[11]和過硫酸鉀[12]等。水熱液化可以通過高溫促使大分子分解，使廢棄生物質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)溶解于液相中。Shanableh[13]在亞臨界條件下通過水熱液化處理污泥，可水解污泥中95%以上的有機固體，得到的液相產(chǎn)物中含有大量的有機物。Aida等[14]在225℃下對污泥進行水熱液化處理15 min后，氮回收率為50%～70%，磷回收率約20%。

將化學(xué)氧化和水熱條件聯(lián)用，在水熱條件下使用氧化劑處理污泥，可以加速自由基的產(chǎn)生，強化處理效果。Zhang等[15]使用過氧化氫作為氧化劑水熱氧化處理污泥，液相產(chǎn)物中含有大量小分子有機酸和氨氮。Abelleira等[16]將熱水解和過氧化氫相結(jié)合水熱氧化處理污泥，在138℃下處理34 min后，可有效去除有機物，效果相比不添加過氧化氫時有明顯的提高。Wang等[17]在126℃下使用過氧化氫和過硫酸鉀作為氧化劑水熱氧化處理藍藻藻液30 min后，可回收90%以上的氮磷，液相產(chǎn)物可以用于培養(yǎng)微藻。

微藻對營養(yǎng)的利用可以從兩個層面來論述，一個是營養(yǎng)物質(zhì)形態(tài)方面，對于微藻來說使用小分子有機碳源、氮源培養(yǎng)更容易被利用[18-19]，而大分子難以被微藻利用且可能有抑制生長的作用，Misaki等[20]發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中腐殖酸含量過高時，會增加培養(yǎng)基的色度，影響光合作用；另一個是營養(yǎng)物質(zhì)濃度方面，過高的總有機碳(TOC)可能抑制微藻的生長，進行稀釋處理能夠減輕抑制作用[21]，Wang等[17]將水熱氧化得到的液相產(chǎn)物稀釋至TOC質(zhì)量濃度為1 g/L，可顯著優(yōu)化微藻的生長情況和產(chǎn)油能力，產(chǎn)油量可超過BG11培養(yǎng)基。

脫水污泥產(chǎn)出穩(wěn)定、量大、富含營養(yǎng)物質(zhì)，具有作為微藻營養(yǎng)來源的潛力。而水熱氧化法可以在相對低溫的條件下快速、高效地提取污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)。微藻的生長對碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)的形態(tài)和濃度有一定的要求。本文以脫水污泥作為預(yù)處理原料，選取產(chǎn)油量高且耐受能力強的斜生柵藻[22-25]作為產(chǎn)油藻種，探究水熱氧化對脫水污泥中營養(yǎng)物質(zhì)的提取效果。通過稀釋手段處理水熱氧化的液相產(chǎn)物，利用從污泥中提取的氮磷培養(yǎng)斜生柵藻，得出最合適的產(chǎn)油方案。

1 試驗材料與方法

1.1 污泥的來源和基礎(chǔ)參數(shù)

脫水污泥取自南京市某污水廠，污泥含水率為79.1%，污泥烘干后，TN和TP的質(zhì)量分數(shù)分別為2.107%和1.972%，有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為47.77%，污泥樣本保存于室溫下。

1.2 水熱氧化反應(yīng)參數(shù)的確定

水熱氧化處理過程為：將每100 g污泥與1 L氧化劑溶液混合于錐形瓶中，設(shè)置溫度及時間后放入高壓蒸汽鍋中，反應(yīng)結(jié)束后，對錐形瓶中固液混合物進行離心處理(轉(zhuǎn)速為4 200 r/min，時間為6 min)，棄殘渣取清液。

為了獲得最合適的水熱氧化反應(yīng)條件，首先設(shè)置氧化劑濃度為0.05 mol/L，反應(yīng)時間為30 min，選取過氧化氫和過硫酸鉀兩種氧化劑，根據(jù)Wang等[17]在藍藻藻漿上應(yīng)用水熱氧化的研究，溫度分別設(shè)定為105℃、115℃、121℃和126℃，測試氧化劑種類和反應(yīng)溫度的影響。

根據(jù)所得氮、磷提取率結(jié)果確定合適的氧化劑和溫度，測試氧化劑用量和反應(yīng)時間的影響，將氧化劑質(zhì)量濃度分別設(shè)定為0.01 mol/L、0.05 mol/L、0.1 mol/L和0.2 mol/L，反應(yīng)時間分別設(shè)定為15 min、30 min、60 min和90 min。氮、磷提取率計算公式為

(1)

(2)

式中：EN和EP分別為氮、磷提取率，%；ρTN和ρTP分別為離心后清液中TN、TP質(zhì)量濃度，mg/L；ρW為反應(yīng)前污泥的質(zhì)量濃度，ρW=100 g/L；wTN為干污泥中TN的質(zhì)量分數(shù)，wTN=2.107%；wTP為干污泥中TP的質(zhì)量分數(shù)，wTP=1.972%；k為污泥含固率，k=20.9%。

1.3 培養(yǎng)基的制備

在測得最合適的反應(yīng)條件下進行水熱氧化。為滿足柵藻生長的要求，用HCl和NaOH稀溶液，將培養(yǎng)基pH值調(diào)節(jié)至7.5左右。調(diào)節(jié)pH值后會有大量腐殖酸沉淀析出，使用0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾去除。調(diào)節(jié)pH值并去除沉淀后，使用蒸餾水將培養(yǎng)基分別稀釋3、5和10倍，與未稀釋的培養(yǎng)基結(jié)果對比，以觀察稀釋對柵藻生長和產(chǎn)油的影響。對照組培養(yǎng)基選用BG11，配制方法參考Hamouda等[26]的研究。

1.4 藻種來源和培養(yǎng)環(huán)境

斜生柵藻藻種來自中科院的淡水藻種庫(編號FACHB-416)。藻種保存于BG11培養(yǎng)基中，pH值不低于7.5，溫度為(25±1)℃，光照強度為2 500 lx，光暗循環(huán)交替時間為12 h，將錐形瓶每天搖動2次或3次。

試驗前使用高壓蒸汽鍋對所需的培養(yǎng)基進行滅菌，冷卻后進行接種。接種初始藻細胞密度為40萬個/mL，培養(yǎng)的光照強度為4 500 lx，其他條件與保存藻種時一樣。

1.5 藻細胞的計數(shù)及比生長速率的計算

柵藻生物量計數(shù)使用血小球計數(shù)板計數(shù)法。顯微鏡(Olympus CX31)放大倍數(shù)為400倍。連續(xù)重復(fù)3次計數(shù)，如果差別小于10%，取平均值為藻細胞密度數(shù)值，否則重新進行計數(shù)。培養(yǎng)到達對數(shù)期時計算比生長速率：

μ=(lnN2-lnN1)/t

(3)

式中：μ為比生長速率, d-1；N2和N1分別為對數(shù)期和培養(yǎng)初始的藻細胞密度,萬個/mL；t為培養(yǎng)到達對數(shù)期時的天數(shù)，d。

1.6 培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分質(zhì)量濃度測定及利用率計算

每次取5 mL藻液，以4 200 r/min轉(zhuǎn)速離心處理6 min，取上清液。使用過硫酸鉀在高壓蒸汽鍋中對上清液進行消解后，用分光光度計(Shimadzu UV-2450)測定TN、TP的質(zhì)量濃度，測定方法參考Ebina等[27]的方法，使用TOC分析儀(Shimadzu TOC-V)測定TOC。硝氮和氨氮的測定分別參考HJ/T 346—2007《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法(試行)》和HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》。營養(yǎng)成分利用率計算公式為

(4)

式中：U為營養(yǎng)成分利用率，%；ρS、ρE分別為培養(yǎng)初始和結(jié)束時營養(yǎng)成分的質(zhì)量濃度，mg/L。

1.7 藻產(chǎn)量及含油率的測定

培養(yǎng)達到穩(wěn)定期后，將所有藻液進行離心，下層固體即為藻細胞生物質(zhì)，對其進行冷凍干燥，干燥至恒重后，刮取所有干藻進行稱重，為最終藻干重，單位體積藻液提取出的藻干重即為藻產(chǎn)量。干藻置于4℃冰箱內(nèi)保存待用。

油脂提取參照Bligh等[28]的方法，具體操作為①稱取約100 mg干藻，記錄質(zhì)量；量取4 mL氯仿、8 mL甲醇，在50 mL離心管中與干藻混勻，25℃下使用40 kHz超聲處理60 min；進行6 min的離心分離處理，轉(zhuǎn)速為1萬r/min；使用0.45 μm濾膜抽濾上清液，濾液倒入新的50 mL離心管中；剩余的藻渣按照上述步驟萃取數(shù)次，將各次所得濾液混合。②向混合濾液中加入16 mL質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl溶液，于分液漏斗中充分搖勻后，靜置待其分層；將下層溶液釋放于圓底燒瓶中，加入適量氯仿，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對溶液進行濃縮。③取4 mL玻璃瓶，稱量并記錄質(zhì)量；將濃縮后的液相產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)移到玻璃瓶中，在45℃下用氮吹儀將玻璃瓶吹至恒重，此時玻璃瓶質(zhì)量減去空玻璃瓶質(zhì)量即為萃取出的油脂質(zhì)量。

含油率和油脂產(chǎn)量計算公式為

(5)

W=PWa

(6)

式中：P為含油率，%；mo為萃取出的油脂質(zhì)量，mg；ma為稱取干藻質(zhì)量，mg；W為產(chǎn)油量，g/L；Wa為藻產(chǎn)量，g/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗參數(shù)的比較

2.1.1氧化劑種類和溫度對氮、磷提取率的影響

選取過氧化氫和過硫酸鉀兩種氧化劑，分別在105℃、115℃、121℃和126℃下進行測試，氧化劑濃度為0.05 mol/L，氧化時間為30 min，并設(shè)置無氧化劑組為對照組。圖1顯示了不同溫度下不同氧化劑對氮、磷提取率的影響。可以看出，在試驗設(shè)計的溫度范圍內(nèi)，3組中氮、磷提取率均隨溫度升高而上升。不添加氧化劑時氮、磷的提取率比較低，氮、磷提取率最高分別約為13%和6%；使用過氧化氫氧化劑后，提取率略有提高，氮、磷提取率最高分別約為21%和13%；使用過硫酸鉀氧化劑后，提取率明顯高于另外兩組，氮、磷提取率最高分別約為80%和50%。因此在后續(xù)測定反應(yīng)時間和氧化劑濃度的試驗中選取過硫酸鉀為氧化劑，溫度為126℃。

(a)氮提取率

(b) 磷提取率

2.1.2氧化劑濃度和反應(yīng)時間對氮、磷提取率的影響

設(shè)置了4種過硫酸鉀濃度，分別為0.01 mol/L、0.05 mol/L、0.1 mol/L和0.2 mol/L，在126℃下分別反應(yīng)15 min、30 min、60 min和90 min。圖2顯示不同過硫酸鉀濃度、不同反應(yīng)時間得到的氮、磷提取率。從圖2可以看出，氮、磷提取率與氧化劑濃度和反應(yīng)時間均呈正相關(guān)關(guān)系，與反應(yīng)時間相比，氧化劑濃度的影響更為顯著。在過硫酸鉀量濃度為0.2 mol/L，反應(yīng)時間為90 min的條件下，氮、磷提取率均可達到95%；但在過硫酸鉀濃度為0.2 mol/L，反應(yīng)時間為60 min的條件下，氮、磷提取率可達到90%左右，考慮到能量投入和工藝的效率，后續(xù)培養(yǎng)柵藻的試驗中以此作為反應(yīng)條件進行培養(yǎng)基的制備。

(a)氮提取率

(b) 磷提取率

2.2 結(jié)果分析

2.2.1柵藻的生長曲線

使用由污泥水熱氧化處理液制成的培養(yǎng)基對柵藻進行培養(yǎng)，培養(yǎng)基分為4種稀釋倍數(shù)：未稀釋、稀釋3倍、稀釋5倍和稀釋10倍，使用BG11培養(yǎng)基作為對照組。根據(jù)培養(yǎng)結(jié)果繪制的藻細胞密度變化曲線，如圖3所示。結(jié)果顯示，稀釋倍數(shù)在10倍以內(nèi)時，藻細胞密度隨著稀釋倍數(shù)的增加而升高，實驗組和對照組均在22 d左右達到穩(wěn)定期。稀釋10倍的培養(yǎng)基在達到穩(wěn)定期時藻細胞密度超過600萬個/mL，接近BG11的水平。根據(jù)生長曲線計算到達對數(shù)期的比生長速率，BG11培養(yǎng)的柵藻平均比生長率為0.147 d-1，未稀釋、稀釋3倍、稀釋5倍、稀釋10倍的污泥水熱氧化處理液培養(yǎng)的柵藻平均比生長率分別為0.007 d-1、0.058 d-1、0.103 d-1和0.150 d-1，在試驗設(shè)計的稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，比生長率隨著稀釋倍數(shù)的增大而增大，稀釋10倍時略高于BG11。

圖3 不同培養(yǎng)基中柵藻生長曲線

2.2.2柵藻的藻產(chǎn)量、含油率和產(chǎn)油量

將培養(yǎng)得到的柵藻進行干燥，并通過有機溶劑萃取其中的油脂，得到的藻產(chǎn)量、含油率和產(chǎn)油量如圖4所示。由于藻細胞粒徑的差異，藻產(chǎn)量的變化規(guī)律并不和藻細胞密度一樣隨著稀釋倍數(shù)升高而升高，而是在稀釋3倍時最高；含油率在未稀釋和稀釋3倍、稀釋5倍時隨著稀釋倍數(shù)升高而降低，但在稀釋10倍時含油率反而最高；各組最終的產(chǎn)油量均接近或超過BG11，在稀釋10倍時達到最高，為0.137 g/L，與BG11相比提高了63%。

圖4 不同培養(yǎng)基中柵藻藻產(chǎn)量、含油率和產(chǎn)油量

2.2.3柵藻對培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的利用

培養(yǎng)基初始營養(yǎng)成分質(zhì)量濃度如表1所示, 各稀釋組營養(yǎng)成分質(zhì)量濃度為未稀釋組營養(yǎng)成分質(zhì)量濃度除以相應(yīng)的稀釋倍數(shù)。根據(jù)測定的培養(yǎng)過程中各組培養(yǎng)基內(nèi)營養(yǎng)成分的變化情況，分別計算各組中營養(yǎng)成分的利用率，結(jié)果如圖5所示。BG11中營養(yǎng)成分的利用率(不含氨氮和TOC)均超過其他試驗組，可達到90%以上。污泥水熱氧化處理液稀釋后，所有組均顯示TN、TP和氨氮的利用率增加，且稀釋倍數(shù)越高，利用率越高。TOC利用率與稀釋倍數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，稀釋倍數(shù)越高，利用率越低。而硝氮的利用率受稀釋倍數(shù)的影響并不明顯。

表1 培養(yǎng)基初始營養(yǎng)成分質(zhì)量濃度 單位： mg/L

圖5 不同培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分利用率

2.3 討 論

2.3.1水熱氧化回收污泥氮磷的可行性

污泥絮團在水熱環(huán)境下，絮體內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，胞外聚合物發(fā)生水解，絮體中微生物細胞結(jié)構(gòu)受到破壞[29-30]，微生物細胞中大量氮、磷、有機物等營養(yǎng)物質(zhì)釋放到液相中來[31]，此外，絮團內(nèi)部及胞外聚合物中富含的有機物[32]大分子結(jié)構(gòu)也會被高溫破壞，分解為小分子形態(tài)，溶解于液相中。本試驗中選取的水熱溫度相對較低，破碎細胞結(jié)構(gòu)和分解大分子的作用較為有限，因此在低氧化劑濃度下氮、磷的提取效果不明顯。而過硫酸鉀在水熱條件下被活化[33]，生成的硫酸根自由基具有較強的氧化性，且產(chǎn)生的速率遠高于室溫情況[34-35]。硫酸根自由基能有效地破壞污泥絮體中微生物的細胞結(jié)構(gòu)，并將大分子有機物轉(zhuǎn)化為小分子形態(tài)，使污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)溶解于液相產(chǎn)物中。

水熱處理和化學(xué)氧化劑的聯(lián)合作用能夠破壞污泥中微生物的細胞結(jié)構(gòu)，釋放其中的氮、磷、有機物等營養(yǎng)物質(zhì)，并利用氧化劑產(chǎn)生的自由基氧化這些營養(yǎng)物質(zhì)，破壞其大分子結(jié)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)化為小分子形態(tài)或無機形態(tài)，從而快速、高效地從污泥中提取養(yǎng)分。在126℃、反應(yīng)時間60 min、氧化劑濃度為0.2 mol/L的條件下，氮、磷的提取率可達90%,這與Wang等[17]的研究結(jié)果相似，說明水熱氧化可以高效地從污泥中以液相產(chǎn)物的形式回收氮磷。

2.3.2稀釋對柵藻生長和產(chǎn)油的影響

通過水熱氧化處理污泥，得到了含有高濃度營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基，各營養(yǎng)成分的質(zhì)量濃度均可接近或超過BG11的水平。但是直接用未稀釋的培養(yǎng)基培養(yǎng)微藻效果并不好。

微藻對TOC具有明顯的耐受閾值，在TOC質(zhì)量濃度超過1 100mg/L時，微藻的生長發(fā)育會遭到顯著的抑制[36]，因此，未稀釋的原始培養(yǎng)基中過高的TOC水平可能阻礙柵藻的生長。未稀釋的培養(yǎng)基較高的色度[20]也會影響柵藻的光合作用，從而抑制柵藻生長。此外，微藻對于重金屬離子十分敏感，光合作用很大程度上會受到重金屬的抑制[37-38]；酚類、抗生素類和某些有機酸也會對微藻產(chǎn)生化感作用，抑制微藻的代謝[39-40]。因此，污泥中含有的重金屬等其他有害物質(zhì)也可能進入培養(yǎng)基，對柵藻產(chǎn)生毒害作用。

通過稀釋污泥水熱氧化處理液降低了各種對柵藻生長存在不利影響的組分濃度，從而減輕了對柵藻生長的抑制效果，提高了柵藻對各類營養(yǎng)成分的利用率，促進柵藻的生長。經(jīng)稀釋后，雖然各類營養(yǎng)成分濃度有所降低，但藻細胞密度和產(chǎn)油量在稀釋10倍時仍可接近或超過BG11，說明和無機培養(yǎng)基相比，有機態(tài)的培養(yǎng)基更適宜柵藻的生長和產(chǎn)油，且在本文的稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，有毒物質(zhì)含量的降低對于柵藻生長的促進作用遠高于營養(yǎng)物質(zhì)濃度降低對柵藻生長的不利影響。如果繼續(xù)加大稀釋倍數(shù)，可以降低有害物質(zhì)的濃度，但營養(yǎng)物質(zhì)濃度也會進一步降低，因此，稀釋倍數(shù)最合適的區(qū)間尚需進一步研究。

3 結(jié) 論

a.通過水熱氧化從污泥中成功回收了90%以上的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)，并且獲得了相對合適的水熱氧化處理參數(shù)：溫度為126℃、反應(yīng)時間為60 min、氧化劑過硫酸鉀量濃度為0.2 mol/L。

b.水熱氧化處理液作為培養(yǎng)基直接用于培養(yǎng)斜生柵藻，培養(yǎng)效果不理想，藻細胞密度和營養(yǎng)成分利用率都比較低。但通過稀釋處理可以降低培養(yǎng)基中有害物質(zhì)的濃度，使柵藻更容易利用其中的營養(yǎng)成分，促進柵藻生長和產(chǎn)油，得到較高的產(chǎn)油量。

c.與BG11培養(yǎng)出的柵藻的產(chǎn)油量相比，使用稀釋10倍的污泥氧化液培養(yǎng)柵藻，得到的產(chǎn)油量提高了63%。