高 斌， 成家楊， 崔 巖

(北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，廣東深圳 518055)

近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)生活污水排放量持續(xù)增大。據(jù)中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部統(tǒng)計(jì)，2014年城鎮(zhèn)生活污水排放量占廢水排放總量的71.3%，比2013年增加1.5%[1]。富含氮、磷的污水未經(jīng)處理排放到河流、湖泊中，極易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞水生態(tài)系統(tǒng)?；钚晕勰喾ǖ瘸Ｒ?guī)污水處理工藝雖對(duì)大部分懸浮物和有機(jī)物去除效果良好，但對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)僅能同時(shí)去除20%～40%[2]。因此，對(duì)污水處理廠的二級(jí)出水進(jìn)行深度凈化十分必要。傳統(tǒng)的污水深度凈化方法主要有人工濕地、活性炭吸附、膜分離和化學(xué)混凝技術(shù)等，其基本原理可歸納為物理法、生物法和化學(xué)法。物理法和化學(xué)法均須消耗大量藥劑材料，成本較高，且易產(chǎn)生二次污染[3-4]。而生物法利用水生生物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，對(duì)自然自凈過(guò)程進(jìn)行人工強(qiáng)化，不僅成本低廉，又可以減小二次污染的可能性，且收獲后加以利用可生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，是一種經(jīng)濟(jì)高效的污水深度凈化技術(shù)[5-7]。

微藻為自養(yǎng)型生物，以光能為能源，可利用氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)凈化污水的作用，日益受到研究人員的關(guān)注[8]。藻類生物膜法是通過(guò)藻細(xì)胞與載體之間存在的相互作用使得藻細(xì)胞固定到載體表面，利用藻細(xì)胞生長(zhǎng)所形成的生物膜處理污水，是一種新型的污水脫氮除磷技術(shù)[9]。已有研究表明，利用藻類生物膜進(jìn)行污水處理，可以有效去除污水中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于緩解受納水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[10-11]。郭莉娜研究了水華魚(yú)腥藻在立體彈性載體上形成的藻膜對(duì)校園污水的凈化效果，5 d時(shí)間內(nèi)水華魚(yú)腥藻對(duì)氨氮、總磷的最高去除率分別達(dá)79.36%、88.58%[10]。田忠峰等采用剛毛藻藻膜系統(tǒng)處理富營(yíng)養(yǎng)化水體，在靜態(tài)試驗(yàn)下連續(xù)處理，第4天時(shí)剛毛藻藻膜系統(tǒng)對(duì)氨氮和正磷酸鹽的去除率分別達(dá)96.81%、98.68%[11]。目前，藻類生物膜的制備是該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。研究表明，除藻種類型外，吸附載體的性質(zhì)、表面粗糙度、表面結(jié)構(gòu)等均對(duì)藻膜的形成產(chǎn)生不同程度的影響[12]。然而，目前的研究多集中于藻種的優(yōu)選，對(duì)吸附載體的研究尚未深入。因此，本研究在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用一種纖維材料作為柵藻的附著載體，研究藻細(xì)胞對(duì)該載體的附著效果，考察藻細(xì)胞年齡、饑餓處理及污水初始pH值對(duì)該藻膜系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響，并利用該藻膜系統(tǒng)凈化實(shí)際二級(jí)出水，以期為藻類生物膜的實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 人工污水 為避免實(shí)際污水中其他成分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，影響因素的研究采用人工污水，人工污水的組分及含量見(jiàn)表1，A5溶液的組分及含量見(jiàn)表2。人工污水的氮(NH4+)、磷(PO43-)初始濃度分別為18.0、2.3 mg/L。

表1 人工污水組分及含量

1.1.2 實(shí)際污水 實(shí)際污水取自廣東省深圳市南山污水處理廠二沉池， 原水的水質(zhì)指標(biāo)： 總氮含量為11.9 mg/L，總磷

表2 A5溶液組分及含量

含量為0.84 mg/L，氨氮含量為1.46 mg/L，正磷酸鹽含量為0.16 mg/L，pH值為7～8。所取污水經(jīng)4.5 μm濾膜過(guò)濾懸浮固體后使用。

1.1.3 試驗(yàn)藻種及載體 試驗(yàn)選用柵藻(Scenedesmussp.)PKU AC174，取自北京大學(xué)深圳研究生院藻類新能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從深圳灣水域分離獲得?；A(chǔ)培養(yǎng)基是BG-11培養(yǎng)基，其配方如表3所示。在無(wú)菌的操作條件下將藻種接種到含BG-11培養(yǎng)基的1 L錐形瓶中，用無(wú)菌膜封好瓶口，置于溫度為(25±1) ℃、光暗比為12 h ∶12 h、光照度為3 000～4 000 lx 條件下的搖床中培養(yǎng)待用[13]。試驗(yàn)選用纖維材料作為固定化載體，裁剪成長(zhǎng)4 cm、寬2 cm、厚0.2 cm的小塊，用錫紙包好后進(jìn)行滅菌處理備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 藻細(xì)胞的固定 將裁剪好并經(jīng)滅菌處理的纖維材料置于培養(yǎng)藻的錐形瓶中，讓材料懸浮在藻液之中，培養(yǎng)約1周后纖維材料表面有氣泡出現(xiàn)，說(shuō)明藻膜在材料上初步形成。

1.2.2 材料及藻膜掃描電鏡試驗(yàn) 分別將藻細(xì)胞附著前后的材料裁成小塊，置于2.5%戊二醛溶液中，靜置2 h以上固定。樣品漂洗后，分別用30%、50%、70%、80%、90%體積分?jǐn)?shù)的乙醇脫水，每個(gè)梯度靜置10 min，再用純乙醇脫水3次，每次15 min。用保鮮膜封存后放入冷凍干燥機(jī)內(nèi)真空干燥[14]。掃描電鏡觀察前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，再置于樣品臺(tái)上用掃描電子顯微鏡觀察材料的結(jié)構(gòu)及藻膜情況。

1.2.3 藻細(xì)胞不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)氮磷去除率的影響試驗(yàn) 根據(jù)懸浮柵藻的生長(zhǎng)周期，分別取指數(shù)末期及穩(wěn)定期的藻細(xì)胞進(jìn)行固定化，另取空白纖維材料作為對(duì)照組。按 4片/L 將載體置于人工污水中，比較藻細(xì)胞不同生長(zhǎng)時(shí)期形成的藻膜對(duì)氮、磷去除效果的影響。

1.2.4 饑餓處理對(duì)氮磷去除率的影響試驗(yàn) 采用穩(wěn)定期的藻細(xì)胞進(jìn)行固定化，將掛膜后的載體懸浮于NaHCO3溶液中，分別經(jīng)0、24、48、72 h饑餓處理后，按 4片/L 將載體置于人工污水中，比較不同饑餓時(shí)間的藻膜對(duì)氮、磷去除效果的影響。

1.2.5 污水初始pH值對(duì)氮磷去除率的影響試驗(yàn) 用 0.1 mol/L HCl或NaOH溶液調(diào)節(jié)人工污水初始pH值分別為5、6、7、8、9。將材料放入穩(wěn)定期藻液中進(jìn)行掛膜處理后，按 4片/L 將載體置于人工污水中，比較不同初始pH值對(duì)藻膜脫氮除磷效果的影響。

1.2.6 對(duì)實(shí)際二級(jí)出水的脫氮除磷試驗(yàn) 取1 L經(jīng)4.5 μm濾膜過(guò)濾處理后的實(shí)際污水于錐形瓶中，在最優(yōu)條件下用 4塊掛膜載體對(duì)污水進(jìn)行處理，每天定時(shí)取樣測(cè)定氮、磷指標(biāo)。以上試驗(yàn)均在(25±1) ℃、光暗比為12 h ∶12 h、光照度為 3 000～4 000 lx條件下進(jìn)行。以上處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3個(gè)重復(fù)的平均值。

1.2.7 水質(zhì)測(cè)定 以上各項(xiàng)試驗(yàn)均將取樣污水離心10 min，去掉可能脫落的藻細(xì)胞，用0.45 μm濾膜過(guò)濾上清液，測(cè)定氮、磷含量。相關(guān)測(cè)定均采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局頒布的標(biāo)準(zhǔn)方法[15]，氨氮含量測(cè)定采用納氏試劑分光光度法，正磷酸鹽含量采用鉬銻抗分光光度法，總氮含量測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷含量測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料結(jié)構(gòu)及微藻附著

載體的主要作用是容納附著微生物，為微生物提供棲息和繁殖的穩(wěn)定環(huán)境。由圖1可知，藻細(xì)胞附著后載體材料整體呈綠色，表面及內(nèi)部孔隙都附著了大量藻細(xì)胞，且經(jīng)過(guò)水浸泡后，形態(tài)并未發(fā)生改變。將材料處理后用電鏡掃描，由圖2-a 可知，載體材料由絲狀結(jié)構(gòu)纏繞而成，豐富的內(nèi)表面為藻細(xì)胞提供了巨大的附著空間，有利于保持較高的藻細(xì)胞量。藻細(xì)胞在載體表面的附著情況如圖2-b所示，藻細(xì)胞利用與載體之間的相互作用以及在代謝分泌物的黏性作用下，附著在載體的條形結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)之間存在的孔隙有利于氣、水和藻細(xì)胞之間的充分接觸，提高藻細(xì)胞對(duì)污水的凈化能力。

2.2 藻細(xì)胞不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)氮磷去除率的影響

由圖3可知，空白的載體材料對(duì)污水中氨氮的去除率影響不大，在1 d后有所波動(dòng)的原因可能是含氮物質(zhì)在載體表面有少量附著，隨后又脫落溶解在溶液中。這說(shuō)明載體材料自身并沒(méi)有吸收氨氮的作用，可認(rèn)為氮的去除均是藻細(xì)胞的作用。附著在載體上的藻細(xì)胞對(duì)氨氮均表現(xiàn)出較好的去除率。其中，穩(wěn)定期的藻細(xì)胞1 d后對(duì)氨氮的去除效率達(dá) 42.2%，高于指數(shù)末期藻細(xì)胞的33.4%。隨后的4 d也始終保持著較高的去除率。這表明與指數(shù)期相比，穩(wěn)定期的柵藻膜系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果較好。由圖4可知，經(jīng)過(guò)5 d處理后，污水中正磷酸鹽的含量下降。與氨氮的去除情況類似，穩(wěn)定期的藻細(xì)胞表現(xiàn)出較高的去除率，5 d后時(shí)去除率達(dá)到 87.8%，高于指數(shù)末期的78.2%。以上結(jié)果表明，穩(wěn)定期的藻細(xì)胞對(duì)氮、磷的吸收量較大。這與安曉雯等利用包埋法固定不同生長(zhǎng)期柵藻所取得的研究結(jié)果[16]一致。

2.3 饑餓處理對(duì)氮磷去除率的影響

由圖5可知，經(jīng)饑餓處理的藻膜對(duì)氨氮的去除率均有不同程度的提升。其中，饑餓48 h組在5 d后對(duì)氨氮的去除率最高，達(dá)90.2%，饑餓72 h組次之，氨氮去除率為86.3%。由圖6可知，與氨氮情況類似，饑餓48 h組在5 d后對(duì)磷酸鹽的去除率最高，達(dá)89.3%，72 h組次之，去除率為84.5%。由此可見(jiàn)，適度的饑餓處理有利于藻細(xì)胞對(duì)氮、磷物質(zhì)的吸收，提高凈化污水的效率。研究證實(shí)，自然界的生物在遭到環(huán)境脅迫時(shí)，往往會(huì)降低生長(zhǎng)速率，降低生物產(chǎn)量等。但一旦這種脅迫被解除，生物會(huì)表現(xiàn)出比之前更強(qiáng)的再生長(zhǎng)能力，這就是超補(bǔ)償作用[17-18]。在一定時(shí)間內(nèi)將藻細(xì)胞置于缺乏氮、磷營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境下，再放入富含氮、磷的污水中，會(huì)引起藻細(xì)胞對(duì)這2種元素的過(guò)量吸收，起到提高凈化效率的作用。但根據(jù)細(xì)胞的耐受力不同，最佳饑餓時(shí)間不盡相同。如本研究中饑餓 72 h 組的去除率要低于饑餓48 h組，這可能是因?yàn)轲囸I時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，過(guò)度的營(yíng)養(yǎng)缺乏導(dǎo)致藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)過(guò)分退化，正常的生理作用受到影響。所以，進(jìn)行饑餓處理時(shí)，要根據(jù)生物的特點(diǎn)，確定適宜的饑餓時(shí)間才能達(dá)到最優(yōu)的效果。

2.4 初始pH值對(duì)氮磷去除率的影響

由圖7可知，當(dāng)pH值為5時(shí)，氨氮的去除率在處理時(shí)間內(nèi)均低于其他pH值水平。這表明，偏酸的環(huán)境不利于柵藻細(xì)胞對(duì)氨氮的吸收利用。在所測(cè)試的5個(gè)pH值水平中，在pH值為9時(shí)，即偏堿性環(huán)境下，氨氮的去除率最高，為 88.2%。由圖8可知，與氨氮去除情況類似，處理時(shí)間內(nèi)依然是堿性環(huán)境比酸性環(huán)境去除率高。當(dāng)pH值為9時(shí)，去除率最高，為88.5%?？傮w來(lái)說(shuō)，偏堿性的環(huán)境條件更有利于柵藻細(xì)胞的代謝作用。研究認(rèn)為，pH值是通過(guò)影響碳酸鹽平衡系統(tǒng)及不同形態(tài)無(wú)機(jī)碳的分配關(guān)系來(lái)影響藻類的生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而影響其對(duì)氮、磷的吸收作用[19]。但值得注意的是，藻細(xì)胞對(duì)生存環(huán)境的pH值有一定的適應(yīng)范圍，在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，藻細(xì)胞可以通過(guò)自身的調(diào)節(jié)適應(yīng)不同pH值水平對(duì)自身帶來(lái)的影響[20]。超過(guò)這一范圍后，藻細(xì)胞會(huì)受到傷害。因此，根據(jù)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)特點(diǎn)，調(diào)節(jié)污水的初始pH值，更有利于藻細(xì)胞的脫氮除磷作用。

2.5 藻膜對(duì)實(shí)際二級(jí)出水脫氮除磷效果

選用穩(wěn)定期、經(jīng)48 h饑餓處理后的固定化藻細(xì)胞，對(duì)實(shí)際二級(jí)出水進(jìn)行凈化處理。各污染物的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化如表4所示。經(jīng)過(guò)5 d處理后，總氮的質(zhì)量濃度由 11.9 mg/L 降至1.86 mg/L，去除率為84.4%。總磷的質(zhì)量濃度由 0.84 mg/L 降至0.11 mg/L，去除率為86.9%。氨氮的質(zhì)量濃度由1.46 mg/L降至0.04 mg/L，去除率達(dá)到 97.3%。正磷酸鹽的質(zhì)量濃度由0.160 mg/L降至 0.010 mg/L，去除率為93.8%。以上結(jié)果表明，該藻膜系統(tǒng)對(duì)實(shí)際二級(jí)出水可起到進(jìn)一步脫氮除磷的作用，且處理效果并未因污水中的其他成分受到明顯影響，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。

表4 實(shí)際污水中污染物隨時(shí)間變化

3 結(jié)論與討論

利用纖維材料固定柵藻，其自身疏松多孔的結(jié)構(gòu)為柵藻附著提供了巨大的比表面積，有利于增大藻細(xì)胞吸附量，從而增強(qiáng)脫氮除磷效果。對(duì)比不同生長(zhǎng)時(shí)期和生長(zhǎng)環(huán)境的微藻脫氮除磷效果，結(jié)果表明，穩(wěn)定期藻細(xì)胞形成的藻膜系統(tǒng)對(duì)污水中氮、磷的吸收作用較好；適當(dāng)?shù)仞囸I處理會(huì)提高藻膜對(duì)污水中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，提高凈化效率，但饑餓時(shí)間過(guò)久會(huì)帶來(lái)反作用；污水初始pH值較低，即酸性較強(qiáng)時(shí)，藻細(xì)胞脫氮除磷作用減弱，偏堿性的環(huán)境會(huì)有利于藻細(xì)胞的脫氮除磷作用。該藻膜系統(tǒng)對(duì)實(shí)際二級(jí)出水具有良好的適應(yīng)性，并在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)污染物達(dá)到良好的處理效果。上述結(jié)果表明，利用藻類生物膜去除生活污水中的氮、磷污染物具有較大的應(yīng)用潛力，但本試驗(yàn)只探討了在靜態(tài)條件下該藻膜系統(tǒng)的脫氮除磷效果，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的處理效果是否理想還有待于進(jìn)一步研究。

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