項藎儀，劉一萱，梅 洪，萬端極，2

小球藻處理市政污水的室外研究

項藎儀1，劉一萱1，梅 洪1，萬端極1，2

（1湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)膜技術(shù)研究所，湖北武漢430068）

通過在室外大型平板式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)小球藻，來考察小球藻處理市政污水的能力。實驗結(jié)果表明，小球藻在各個季節(jié)均對污水的脫氮除磷效果顯著，總氮去除率達51.76%～97.66%，總磷去除率達79.37%～97.85%，處理后總氮和總磷均能在短時間達到城鎮(zhèn)污水一級A排放標準，COD經(jīng)小球藻培養(yǎng)系統(tǒng)處理雖達到一級A排放標準，但用時略長。每個污水處理周期可收獲小球藻干物質(zhì)0.43～0.47g／L進行資源化利用。研究結(jié)果表明本研究所選用的小球藻應(yīng)用于城市污水處理產(chǎn)業(yè)的潛力巨大。

小球藻；光生物反應(yīng)器；市政污水處理

2015年，全國城市污水處理率達到91.97%［1］。同年，湖北省廢水排放總量為313784.76萬t，其中工業(yè)廢水排放量80817.33萬t，約占總量的25.8%；生活污水排放量232729.87萬t，約占總量的74.2%；集中式廢水排放量237.56萬t，約占總量的0.08%左右［2］，市政污水包括生活污水和工業(yè)污水。針對市政污水中較高的氮磷含量，生物化學(xué)處理法是當前主要處理方法。大部分城市污水處理廠中主要采用活性污泥法、AB法、A2／O法和MBR等。但是活性污泥法和AB法都面臨著剩余污泥處理處置難的問題；A2／O法則是污泥回流系統(tǒng)和內(nèi)回流系統(tǒng)需分別設(shè)置，運營成本高，內(nèi)回流的控制復(fù)雜，管理要求高［3］；MBR有分置式和一體式，分置式主要問題是動力消耗大，循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力有可能使菌體失活，而一體式則涉及膜的清洗更換［4］；現(xiàn)在對于活性污泥法有許多變型工藝，但是對高氮磷廢水，活性污泥法及其變型工藝處理效果并不理想，而且存在污泥膨脹問題［5］。

其實，無論是活性污泥法的變型工藝還是利用新的裝置來處理污水，處理過程中都會產(chǎn)生二次污染及高額投資維護成本，難以達到人們期望的“收支平衡”，所以，面對污水處理如此現(xiàn)狀，許多學(xué)者積極探索綠色經(jīng)濟的污水處理工藝。早在20世紀50年代Oswald［6］就提出了利用微藻處理污水的技術(shù)，并設(shè)計出高效藻類塘（HRAP），而且利用微藻處理污水可以在達到脫氮除磷效果的前提下不會產(chǎn)生二次污染物，成本可控，某些具有經(jīng)濟價值的微藻還可以回收再利用［7］。

藻類的生長周期短，可以在較短時間里達到一定的生物量，藻類可以利用污水中豐富的氮磷合成蛋白、脂肪酸等的同時達到脫氮除磷的效果。有研究表明，綠球藻在人工配比高濃度氮磷污水中氨氮、總氮和總磷的去除率分別達到98.4%，46.2%和79.3%［8］，在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中培養(yǎng)柵藻LX1培養(yǎng)至16d穩(wěn)定期時，對氨氮、總氮和總磷的去除率分別為95.5%、88.0%和98.8%［9］，小球藻在無光異養(yǎng)條件下能利用啤酒廠廢水中多種營養(yǎng)成分，并顯著地降低廢水中的COD、BOD［10］。在污水中培養(yǎng)萊茵衣藻不僅能有效去除氮磷還能產(chǎn)生占干重25.25%的可用作生物燃料的油脂［11］，藻類對于城市污水處理方面體現(xiàn)了處理成本低、碳排放少、主要污染物的處理率高，還能產(chǎn)生高附加值產(chǎn)物來為污水處理創(chuàng)收的生態(tài)優(yōu)勢［12］。

然而現(xiàn)有大部分微藻處理廢水的實驗都是在室內(nèi)進行或者使用人工配比的污水完成的［13－14］小體積實驗，就處理量和實際污水情況而言，應(yīng)用于工業(yè)具有一定的局限性。本研究通過不同季節(jié)在室外大型平板式光生物反應(yīng)器中，利用小球藻處理市政污水，測定相應(yīng)的水化學(xué)指標，來探究小球藻在室外較大規(guī)模進行的污水處理能力及工業(yè)應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

藻種：小球藻（Chlorella zofingiensis），湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院選育。

藻種培養(yǎng)采用BG－11培養(yǎng)基，24h光照，25℃±1℃培養(yǎng)。收取對數(shù)生長期小球藻，離心濃縮，棄去上清液，用蒸餾水沖洗、離心2次以去除吸附在藻細胞表面的培養(yǎng)基，然后用無菌蒸餾水懸浮。

本實驗中污水直接取自市政污水管道，紗網(wǎng)過濾較大固體物質(zhì)。每次實驗取用污水約150L。

1.2 實驗設(shè)計與方法

1.2.1 污水接種小球藻 將濾除較大固體物質(zhì)后的污水運至平板式光生物反應(yīng)器（圖1），接種制備好的藻液至OD值為1左右。工業(yè)應(yīng)用的前提除考察小球藻對大量污水的處理效率外，還在不同季節(jié)氣候條件下小球藻室外處理污水的適應(yīng)能力。所以實驗分4次進行：春季實驗于4月進行，夏季實驗于7月進行，秋季于11月進行，冬季于來年1月進行。

圖1 平板式光生物反應(yīng)器

1.2.2 取樣及測定方法 室外實驗周期為6d，每天通氣10h，早上8點通氣，下午18點停氣，取樣時間點為8點，12點，18點，需測定溫度、OD、干重、氨氮、總氮、總磷、COD以及BOD。污水的各項指標的測定方法按照國標法，NH4＋－N按照納氏試劑分光光度法［15］，TN按照堿性過硫酸鉀法［16］，TP按照鉬酸銨分光光度法［17］，COD按照重鉻酸鹽法［18］，BOD按照稀釋與接種法［19］。

2 結(jié)果和討論

2.1 氨氮的去除

微藻可以利用的氮源包括有機氮和無機氮，并且微藻會優(yōu)先利用NH4＋－N，再是NO3—N，最后是簡單有機氮。微藻對無機氮的同化過程主要包括以下3步：a）微藻在一種特定的酶的協(xié)助下將硝酸鹽等無機氮吸收到細胞內(nèi)，該吸收過程需要能量；b）在ATP作用下通過硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶連續(xù)活化催化將硝酸鹽還原為銨，并且消耗8個電子；c）將還原生成的銨并入碳骨架［20］。

圖2 NH4＋－N的體積質(zhì)量變化及去除率

由圖2可以看出，每次實驗的氨氮體積質(zhì)量在接種后24h內(nèi)都會有較大降幅，氨氮短時間內(nèi)去除率較高，除了小球藻對水樣中氨氮的利用，也有可能是通氣造成水體攪動使得氨氮含量下降。對比氨氮的體積質(zhì)量變化和去除率，春季實驗的處理效果較好，24 h內(nèi)去除率可達74%，72h內(nèi)便可將氨氮體積質(zhì)量由原水的27.81mg／L降至4.47mg／L，已達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中的一級A標準（5mg／L）［21］，培養(yǎng)至第4d達最高去除率96%。有研究將初級處理的生活污水與海水進行1∶1稀釋后對102種微藻進行培養(yǎng)和篩選，發(fā)現(xiàn)一些藻種在培養(yǎng)7d甚至更短時間后就可以去除水中90%的銨鹽［22］。夏季實驗時，經(jīng)過4d的培養(yǎng)，氨氮體積質(zhì)量由43.22mg／L降至2.96mg／L，相應(yīng)去除率為93%。如果對小球藻進行一定的預(yù)處理，可以提高小球藻的處理效率，氨氮的去除最高可以達到99.8%［23］，本次實驗在第6d達最高去除率的99.86%，秋冬季的氨氮需經(jīng)5～6d才能處理達標，冬季實驗時氨氮的檢測值在5～8mg／L范圍波動，整體降低趨勢不明顯，最高去除率分別為88.46%和63.72%，對原水氨氮體積質(zhì)量范圍為16.95～43.2 mg／L，實驗結(jié)束時處理至0.059～6.14mg／L，去除率范圍為63.72%～99.86%。綜合比較每季實驗結(jié)果，隨著處理時間增加，能得到更好的氨氮去除效果，其中春季實驗小球藻的處理效果較好，冬季實驗時室外溫度較低，日平均氣溫僅1℃，影響了小球藻的活性，使得小球藻不能充分利用污水中的氨氮，而且低溫環(huán)境下氣體擾動對污水中氨氮的揮發(fā)量也有一定影響。

2.2 總氮的去除

總氮的變化曲線見圖3。對污水總氮體積質(zhì)量范圍為18.24～32.14mg／L進行6d的批次培養(yǎng)，可獲得的最高去除率為51.76%～97.66%。對比總氮的體積質(zhì)量變化和去除率發(fā)現(xiàn)，春季實驗總氮于24h內(nèi)由32.14mg／L降至10.37mg／L，已低于一級A標準的15mg／L，去除率為67.7%，培養(yǎng)至第4天達最高去除率92.8%，夏季實驗總氮的變化和氨氮的變化基本一致，實驗至第3天中午達標，但夏季實驗的最高去除率可以達到97.66%，明顯高于其他三季，秋冬季總氮的變化平緩，分別于第3天中午和第5天下午處理達標，4次實驗結(jié)束時總氮含量為0.81～12.63mg／L。有研究利用經(jīng)紫外線處理后的小球藻（Chlorella vulgaris）處理500mL的廢水奶牛場，可以去除約63.6%～95.4%的總氮［23］，而本研究中直接取用過濾后的市政污水約150L進行室外大規(guī)模培養(yǎng)，最高除氮率可達97.66%。

圖3 TN的體積質(zhì)量變化及去除率

因為氨氮占總氮約86%～97%左右是氮在水中的主要存在形式，接種后72h內(nèi)顯示出總氮的去除率較高，和氨氮變化曲線基本吻合，后期有機氮不能被小球藻完全利用，水樣中的總氮去除率也沒有明顯升高。

2.3 總磷的去除

藻類優(yōu)先吸收利用HPO42－和H2PO4－形式的磷，吸收的磷用來合成有機或無機化合物。微藻對無機磷酸鹽的吸收利用之外還對含磷的化合物有表面吸附沉降作用。藻類生長導(dǎo)致pH升高，使得溶解性磷酸鹽和水中的鈣離子形成磷酸鈣沉淀，再被藻類吸附沉降［24］?？偭椎捏w積質(zhì)量變化及去除率見圖4。

圖4 TP的體積質(zhì)量變化及去除率

對比總磷的體積質(zhì)量變化和去除率發(fā)現(xiàn)，春冬季的總磷去除效果較好，春季培養(yǎng)24h內(nèi)由2.35 mg／L降至0.12mg／L，去除率達95%，冬季培養(yǎng)48 h內(nèi)由2.31mg／L降至0.2mg／L，均低于一級A排放標準的0.5mg／L，實驗后期水樣磷含量變化趨于平緩，夏季和秋季磷變化波動較大，整體下降趨勢一致，夏季實驗培養(yǎng)至第6天處理達標，秋季則在72h內(nèi)由2.2mg／L降至0.45mg／L。有研究利用沙角衣藻等4種藻去除污水中的磷，去除率達70%以上，藻類去除磷能力的大小是由單個細胞的吸磷量和藻體生物量共同決定的［25］。每季實驗時小球藻生物量的增長情況有所差別，這也是小球藻脫氮除磷效果差異性的原因之一。本研究對磷含量2.2～2.37mg／L污水進行小球藻培養(yǎng)期間，可獲得最高磷去除率為79.37%～97.85%，而且小球藻對磷的利用率在24h內(nèi)達到較高的值，此后水樣中的磷含量在較低水平浮動，后期小球藻的生長應(yīng)該是處于缺磷的狀態(tài)。綜合來看，春季和冬季小球藻的除磷效果較好，夏季實驗期間日平均溫度為30℃，但是取樣時多次測得光生物反應(yīng)器內(nèi)污水的溫度達42℃，并且實驗期間經(jīng)歷多次極端高溫，可能造成部分藻體死亡、生物量降低，進而影響處理效果。

2.4 COD和BOD5的去除

COD的變化和去除率見圖5。COD的測量頻率是每天一次，4次實驗中原水的COD值范圍是196.4～336.89mg／L，小球藻對于有機物的去除在短時間內(nèi)并不能達到一級A標準的50mg／L，有研究在奶牛場廢水中培養(yǎng)經(jīng)過不同預(yù)處理的小球藻，4d后其COD去除率最高可以達到74.8%［23］，本研究實驗結(jié)束時，水樣中的COD降到45.31～78.4mg／L，去除率達60.1%～86.6%。延長實驗時間可以獲得更高的COD去除率，但考慮到運行成本，會選擇相對最佳的處理時間。

圖5 COD的變化及去除率

BOD5變化見圖6。4次實驗中冬季的BOD5去除效果最好，達91.5%。接種前，BOD5為206.1mg／L；經(jīng)6d實驗處理后，BOD5為17.42mg／L。BOD的降低可能導(dǎo)致碳源不足而影響脫氮效果。秋冬季的氮含量下降趨勢較為平緩可能是培養(yǎng)期間碳氮比不利于小球藻對氮的吸收。春季實驗時，接種前測得污水的BOD5為327.2mg／L；經(jīng)6d的實驗處理后測得BOD5為33.16mg／L，去除率達89.87%。有實驗表明，在以人工配比污水培養(yǎng)活性藻系統(tǒng)運轉(zhuǎn)10個周期，每個周期運行7d，COD的平均去除率為90.89%，相應(yīng)的BOD5的平均去除率為95.77%。當BOD與COD的初始體積質(zhì)量比值為0.55%左右，有利于生化處理［26］。

圖6 BOD的變化及去除率

2.5 OD和干重的變化

對小球藻OD在540nm波長進行測量。對于干重的稱量，每次抽濾時做一個平行，烘干后稱量計算干重并取平均值。從圖7可以看出，小球藻的OD和干重變化基本一致，接種后先稍稍降低然后增加，可能是小球藻對污水營養(yǎng)環(huán)境的短期適應(yīng)，春季實驗培養(yǎng)至第4天下午達最高生物量0.55g／L，為初始值的2.1倍，每次實驗結(jié)束時可獲得0.425～0.467g／L干重物質(zhì)。實驗期間曾遇到高溫和陰雨天，對小球藻的生長有一定的影響，并且市政污水過濾后仍有明顯懸浮物質(zhì)，接種小球藻后可能發(fā)生絮凝沉降導(dǎo)致OD和干重的下降，干重稱量的平行實驗時，濾膜本身對實驗結(jié)果有一定的影響，這也造成了實驗結(jié)果誤差較大，由于是批次培養(yǎng)，在小球藻充分利用污水中氮磷后不能給小球藻以補充，實驗后期小球藻生物量的增長較為緩慢。

圖7 OD值及干重的變化

綜上所述，小球藻對于市政污水的脫氮除磷效果較為理想，COD的去除不能在48h內(nèi)達到一級A標準，如果要進行工藝化應(yīng)用，則要考慮結(jié)合其他方法來快速降低COD。

3 結(jié)果與結(jié)論

從表1中可以看出，市政污水中氮、磷和有機物含量偏高，氮主要以氨氮形式存在，而夏季總氮的測定值低于氨氮的測定值，這可能是在堿性介質(zhì)條件下，氨氮以氨氣形式逸散在消解管的氣相中，使得測出的總氮只是硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和部分氨氮之和。本研究中小球藻對市政污水的室外處理實驗表現(xiàn)出較強的脫氮除磷能力，而且在實驗過程中，沒有對污水進行滅菌處理，平板式光生物反應(yīng)器沒有進行封閉，也未產(chǎn)生其他藻種競爭，體現(xiàn)了小球藻能夠適應(yīng)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)應(yīng)用的潛力，這是工藝應(yīng)用的前提。在實驗過程中，COD的測量值有反復(fù)，可能是培養(yǎng)過程中藻細胞分泌了自身難以利用的胞外物質(zhì)［27］。實驗結(jié)束時，獲得0.425～0.467g／L干物質(zhì)，可用于后續(xù)加工。

表1 污水的各項化學(xué)指標值mg·L－1

本次實驗分4次在室外進行，實驗過程中極端天氣因素對實驗結(jié)果有一定的影響。但小球藻對主要污染物的去除有良好表現(xiàn)，如果要應(yīng)對更大的處理量，需添加輔助設(shè)備來保證在極端環(huán)境因素影響下小球藻的生長。實驗結(jié)果顯示，為避免環(huán)境的影響，可以在高溫天氣下采用冷凝水循環(huán)使小球藻處理溫度保持30℃左右，在低溫時添置加加熱裝置，保持水溫在15℃左右，以保證小球藻達到處理要求的生物量，后續(xù)實驗可能考慮應(yīng)用技術(shù)成熟、成本低廉的太陽能設(shè)備進行補光。對于COD，后期會考慮在實驗中加入一定的活性污泥菌群，來輔助降低污水中的COD，但是投入的藻菌的比例、投放密度、溫度、PH等還有待于進一步實驗研究。

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Study of Treating Urban Wastewater by Chlorella Zofingiensis Outdoor

XIANG Jingyi1，LIU Yixuan1，MEI Hong1，WANG Duanji1，2
（1 Key Laboratory of Ecological Remediation for Lakes and Algal Utilization of Hubei Province，Hubei Provincial Cooperative Innovation Center of Industrial Fermentation，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

In this study，the Chlorella zofingiensis was cultured in outdoor large flat plate photobioreactor in urban wastewater to investigate the urban wastewater treatment ability of chlorella zofingiensis under different seasons.The results showed that the effect of Chlorella zofingiensis in every season for denitrification and dephosphorization was significant，TN removal rate of 51.76%－97.66%，TP removal rate of 79.37%－97.85%.TN and TP after treatment could achieve the discharge standard of urban wastewater A level in a short time，the removal of COD was slightly longer when it was treated by chlorella zofingiensis culture system.Each wastewater treatment cycle could be harvested about 0.43g／L－0.47g／L of dry matter of chlorella for resource utilization.These results indicated the chlorella strain used in this study has great potential to be applied to urban wastewater treatment industry.

Chlorella zofingiensis；photobioreactor；urban wastewater

Q939.97，X52

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0070－05

2017－05－11

國家自然科學(xué)基金重大項目（91647207）；淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室開放基金（2014FB04）；河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點實驗室項目（HHKF201508）；湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才引進啟動項目（BSQD13010）

項藎儀（1990－），女，湖北鄂州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為污水微藻資源化處理技術(shù)

梅 洪（1979－），女，湖北武漢人，工學(xué)博士，研究方向為能源微藻