基于海洋菌藻系統(tǒng)對海水沖廁污水的處理研究

摘 要：為了研究海水沖廁污水的最佳處理方法，本文建立了新的海洋細菌藻類系統(tǒng)，對營養(yǎng)物質(zhì)去除和微生物生物量生產(chǎn)以及兼性異養(yǎng)除碳進行了分析。結(jié)果表明：菌藻系統(tǒng)中的細菌和藻類是互惠的，其營養(yǎng)物質(zhì)去除和生物量生產(chǎn)力均優(yōu)于單個藻類和細菌系統(tǒng)的總和。藻類系統(tǒng)對銨的吸收效果高于細菌系統(tǒng)，而細菌系統(tǒng)中的海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）可以增強銨的去除效果，同時微藻生物量的生產(chǎn)力高于污水處理，與城市污水處理結(jié)果基本相同，其產(chǎn)生的生物量富含蛋白質(zhì)，可轉(zhuǎn)化為生物原油，作為生物燃料的原料。菌藻系統(tǒng)中的互惠關(guān)系可有效去除碳和營養(yǎng)物質(zhì)，保證有機碳被細菌利用，避免有機物過量導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。

關(guān)鍵詞：菌藻系統(tǒng)；污水處理；生物量；兼性異養(yǎng)

中圖分類號：X 24 " 文獻標志碼：A

海水沖廁是緩解沿海地區(qū)淡水壓力的重要替代方案，然而，海水黑水富營養(yǎng)化、鹽度高，給城市污水處理帶來了極大的挑戰(zhàn)。城市污水處理目前主要集中在去除元素和達到排放標準，將營養(yǎng)物質(zhì)的回收和生物質(zhì)的生產(chǎn)作為潛在的生物燃料原料，是一種以資源為導(dǎo)向的廢水處理方案。為探求最合理的方案，本文建立新的海洋細菌藻類系統(tǒng)，對海水沖廁污水的處理進行了研究，對營養(yǎng)物質(zhì)去除和微生物生物量生產(chǎn)以及兼性異養(yǎng)除碳進行了分析。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料

本研究采用合成海水黑水作為試驗廢水，該廢水為廁所沖洗污水。本次研究的污水參數(shù)如下。PO4-P：38mg/L（K2HPO4

為P源）。NH4+-N：220mg/L（NH4Cl為N源）。COD：1640mg/L（葡萄糖和乙酸鈉為C源）。微量元素溶液：Na2DEAT為66.2g/L、

CaCl2為5.7g/L、ZnSO4·7H2O為4.1g/L、FeSO4·7H2O為5.2g/L、NaMoO4·2H2O為1.02g/L、CuSO4為1.04g/L、CoCl2·6H2O為1.67g/L，用HCl和NaOH將pH調(diào)節(jié)至7.5，合成廢水的鹽度為3.1%。

1.2 研究方法

在裝有1.2L合成廢水的照明培養(yǎng)箱中設(shè)置一個帶有透氣密封膜（保證氣體自發(fā)交換）的圓柱形玻璃瓶（1.5L），將其作為光生物反應(yīng)器（PBRs）（圖1）。為了驗證海水應(yīng)用廢水節(jié)能的處理方法，在28℃的光培養(yǎng)箱中，在靜態(tài)狀態(tài)下進行所有批次試驗，不提供O2和CO2，明暗循環(huán)分別控制在14h和10h，用95μmol/（m2·s）的光照對生物反應(yīng)器的3個側(cè)面進行環(huán)化，用去離子水洗滌兩次后，在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中培養(yǎng)藻類細胞。

在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中接種最佳的活化細菌液體，通過分批試驗研究藻類和細菌的初始接種濃度。

為了區(qū)分和研究細菌和微藻對碳和營養(yǎng)物質(zhì)去除以及微生物生物量產(chǎn)生的功能，通過接種在相同PBRs中的單一培養(yǎng)物來構(gòu)建另外兩個單一生物系統(tǒng)（僅藻類和僅細菌），每個單獨系統(tǒng)的接種物濃度、合成廢水和操作參數(shù)都與聯(lián)合系統(tǒng)相同。

為了獲得能代表整個系統(tǒng)（包括流出物和生物質(zhì)）的樣品，在取樣前充分搖晃瓶子，同時收集反應(yīng)器中的每個樣品，并用10000r/min離心12min，將其分離為上清液和沉積物，用于水質(zhì)測定（上清液）和微生物生物量（沉積物）。所有玻璃器皿和培養(yǎng)基均在120℃的環(huán)境下高壓滅菌22min，以避免在試驗設(shè)置過程中受到藻類和細菌的潛在污染。

分別用氧電極和pH電極常規(guī)測量溶解氧（DO）和pH，采用標準方法測定總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）和銨態(tài)氮。通過AgNO3預(yù)處理來去除Cl來測量COD，分析之前，用0.24mm過濾器過濾液體樣品來去除微藻細胞和其他顆粒。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)物質(zhì)去除和微生物生物量生產(chǎn)

營養(yǎng)物質(zhì)的去除受pH的影響，pH變化導(dǎo)致氨揮發(fā)和磷沉淀。在藻類系統(tǒng)中，由于過度消耗CO2和藻類嗜堿性，因此pH會從7.5增至9.3，pH過高可能會抑制微生物的生長，不利于水的再利用，添加化學(xué)試劑或向調(diào)節(jié)的pH提供額外的O2或CO2在環(huán)境和經(jīng)濟上均不可行。海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）對寬pH（5.5～9）具有適應(yīng)性，可以將細菌系統(tǒng)和藻類細菌系統(tǒng)的pH分別維持在8.4和8.8，可以推斷兩性的細菌胞外聚合物（EPS）分泌并調(diào)節(jié)溶液pH。結(jié)果表明，海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）在藻類細菌系統(tǒng)中具有將培養(yǎng)基pH調(diào)至9以下的能力，這對保證出水標準和生物量產(chǎn)量具有重要意義[1]。

如圖2所示，營養(yǎng)物質(zhì)去除和生物量產(chǎn)生體現(xiàn)了藻類細菌系統(tǒng)的性能優(yōu)于單個系統(tǒng)的總和，表明系統(tǒng)中的細菌和藻類是互惠的。與單個系統(tǒng)（分別為140.5mg/L和35.5mg/L）相比，去除了約177.5mg/L的銨態(tài)氮（NH4+-N）和37.8mg/L的總磷。對碳來說，這種模式與去除營養(yǎng)物質(zhì)不同，細菌系統(tǒng)對營養(yǎng)物質(zhì)的清除能力在最初階段性能優(yōu)異，去除效率為97.6%，但隨后釋放，藻類細菌系統(tǒng)性能最佳，最終濃度可以降至21.23mg/L。

如圖2（a）所示，在最初的6.5d中，藻類系統(tǒng)幾乎沒有去除銨，而細菌系統(tǒng)中NH4+-N的濃度急劇降至159.9mg/L。

然而，藻類系統(tǒng)對銨的吸收量為83.6mg/L，最終高于細菌系統(tǒng)的55.96mg/L。硝酸鹽是顫藻（S.platensis）的最佳氮源，但工業(yè)廢水中的氮主要以銨的形式存在，高濃度的銨對藻類有毒，導(dǎo)致藻類生長受限甚至死亡[2-3]。藻類系統(tǒng)中銨去除的滯后性：在試驗開始階段，少量的藻類細胞無法承受高濃度的銨，顫藻（S.platensis）吸收磷作為生物質(zhì)生長和生物合成的能量儲存。在有利的能量狀況下，當藻類生物量足夠多時，銨作為營養(yǎng)物質(zhì)可以用于藻類生長而不是抑制藻類生長，而海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）能夠有效地脫氮，并可以耐受高濃度的銨（1600mg/L），在嚴格的好氧條件下生長。因此細菌系統(tǒng)中的海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）可以增強銨的去除效果，尤其是在前6.5d，去除氮主要跟藻類吸收有關(guān)。

磷與氮的去除趨勢不同，在前2.5d，藻類系統(tǒng)（32.8mg/L）

和藻類細菌系統(tǒng)（29.5mg/L）去除趨勢顯著降低，如圖2（b）所示，藻類表面堿性微區(qū)隨著生長會沉淀，會生成約10.4mg/L

的磷。COD的去除結(jié)果與營養(yǎng)物降解不一致，即細菌系統(tǒng)在早期階段可以有效去除碳，但對缺碳的營養(yǎng)物去除無效，這表明，如果沒有外部碳添加單細菌系統(tǒng)，那么海水黑水中的碳和營養(yǎng)物質(zhì)就無法同時存在。在這種藻類細菌系統(tǒng)中，顫藻（S.platensis）是一種混合營養(yǎng)藍藻，它可以合成一定水平的溶解有機碳，用于細菌利用。

對微生物生物量的生產(chǎn)來說（表1），藻類細菌系統(tǒng)生物量的生產(chǎn)量為4.45g/L，高于單個系統(tǒng)的總生物量（3.92g/L），

單個和群落總和間的生物量差異表明，經(jīng)過調(diào)節(jié)和適應(yīng)6.5d，藻類和細菌間的關(guān)系從競爭變?yōu)榛ダ采▓D3）。微藻80.6mg/L的生物量生產(chǎn)力高于污水處理。含鹽廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的可用性較低，輻射量也較低，因此藻類細菌系統(tǒng)的生物量生產(chǎn)力與城市污水處理結(jié)果基本相同。

表1總結(jié)了系統(tǒng)中的生物質(zhì)組成。海洋弧菌可以將氮轉(zhuǎn)移到細胞的蛋白質(zhì)中，藻類細菌系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)水平為65.1%（干重），研究表明，藻類細菌產(chǎn)生的生物量對氮的同化能力強且富含蛋白質(zhì)，高蛋白質(zhì)可以通過水熱液化轉(zhuǎn)化為生物原油。此外，它在單一和互惠系統(tǒng)中獲得的生物量都富含脂質(zhì)。

藻類生物量的脂質(zhì)含量高于培養(yǎng)基中的脂質(zhì)含量，這說明在沒有生長抑制的情況下，脂質(zhì)含量隨著鹽度的增加而增加，并且顫藻（S.platensis）的脂質(zhì)含量不受氮源的影響。然而，在藻類細菌系統(tǒng)中獲得的生物質(zhì)的碳水化合物產(chǎn)量較低，盡管藻類系統(tǒng)中碳水化合物的含量較高，但細菌并不富含碳水化合物。因此，利用新型海水回水處理生物系統(tǒng)的生物量產(chǎn)量除了具有環(huán)保意義外，還可以作為生物燃料的原料。

2.2 兼性異養(yǎng)除碳

顫藻（S.platensis）可以優(yōu)先使用有機碳且呼吸速率較低，因此研究顫藻的系統(tǒng)兼性異養(yǎng)性能具有重要意義。

在不添加有機碳的封閉系統(tǒng)中，總氮和化學(xué)需氧量的水平變化不大，當化學(xué)沉淀時，磷含量略有下降，降至約31.2mg/L。在不含有機碳的開放體系中，總氮和總磷的去除量分別為74.6mg/L和23.2mg/L，而碳含量升至約31.2mg/L，顫藻可以利用空氣中的CO2進行光合作用，產(chǎn)生一定量的O2和有機物。與兼性異養(yǎng)系統(tǒng)（含有機碳開放系統(tǒng)）相比，含有機碳的封閉系統(tǒng)養(yǎng)分去除效率為36.8%（氮）和59.8%（磷），而系統(tǒng)中的碳已經(jīng)耗盡，這表明，當抑制空氣中氧氣和CO2的利用時，碳不足會導(dǎo)致氮和磷的去除效果較低。

異養(yǎng)系統(tǒng)和兼性異養(yǎng)系統(tǒng)的化學(xué)需氧量（COD）的水平下降率相似，進一步表明，當廢水中的碳（無機和有機）短缺時，藻類可以優(yōu)先利用有機碳和空氣中的CO2為細菌合成有機材料，相對經(jīng)濟實惠的方法：高效活性污泥系統(tǒng)（HRAS）可以將廢水中的有機物除至能源生產(chǎn)過程中，但無法同時去除氮和磷?？梢酝ㄟ^主流厭氧處理（厭氧MBR）、UASB（上流式厭氧污泥床）回收添加額外的碳，但須進行脫氮操作，并且在處理過程中少回收氮。海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）和顫藻（S.platensis）間的互惠關(guān)系不僅可以保證有效去除碳和營養(yǎng)物質(zhì)，還能使一定水平的溶解有機碳被細菌利用，避免有機物過量導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。

3 結(jié)論

本文建立了新的海洋細菌藻類系統(tǒng)，對海水沖廁污水處理進行了研究，并對營養(yǎng)物質(zhì)去除和微生物生物量生產(chǎn)以及兼性異養(yǎng)除碳進行了分析，得出以下結(jié)論。1）在營養(yǎng)物質(zhì)去除和生物量產(chǎn)生條件下，藻類細菌系統(tǒng)的性能優(yōu)于藻類和細菌單個系統(tǒng)的總和，與單個系統(tǒng)的總和（分別為140.5mg/L

和35.5mg/L）相比，藻類細菌系統(tǒng)去除了約177.5mg/L的銨態(tài)氮（NH4+-N）和37.8mg/L的總磷，營養(yǎng)物質(zhì)的去除效率為97.6%。2）海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）能有效脫氮，增強銨的去除效果，藻類和細菌的生長可使海水黑水中的磷沉淀，而微藻的生物量生產(chǎn)力高于污水處理，其生物量生產(chǎn)力與城市污水處理結(jié)果基本相同，藻類細菌產(chǎn)生的生物量因其對氮的同化能力強所以富含蛋白質(zhì)，高蛋白質(zhì)通過水熱液化轉(zhuǎn)化為生物原油，通過回收可作為生物燃料的原料。3）在不含有機碳的開放體系中，總氮和總磷的去除量分別為74.6mg/L和23.2mg/L，而碳含量增至約31.2mg/L，基于兼性異養(yǎng)系統(tǒng)，海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）和顫藻（S.platensis）間的互惠關(guān)系可有效去除碳和營養(yǎng)物質(zhì)，并能保證溶解有機碳被細菌利用，以避免產(chǎn)生過量有機物而導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。

參考文獻

[1]梁子陽，彭嘉敏，張泳純，等.低進水濃度CASS工藝沿程污染物去除特征及微生物群落變化[J].環(huán)境工程學(xué)報，2023，21（10）：1-12.

[2]鄭慧麗，李智力，田承濤，等.納米羥基磷灰石的制備及其在水處理中的應(yīng)用研究進展[J].礦產(chǎn)綜合利用，2023，21（10）：1-17.

[3]秦娜，劉新民.改性硅藻土對污水中重金屬離子的吸附性能研究[J].礦產(chǎn)綜合利用，2023，21（10）：1-6.