胡 駿，林煒鐵，羅劍飛

(華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長和人口的增長，使得大量富含N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的生活廢水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)廢水排入水體，由N、P引起的水體污染日益加劇，水體富營養(yǎng)化問題日益突出，對水體生態(tài)造成不利影響[1-3]。目前，生物營養(yǎng)素脫除(BNR)已經(jīng)被廣泛用于廢水的脫氮除磷，其中，A2O(厭氧、缺氧、好氧)是最常用的方法，A2O的處理工藝至少需要三個生物反應(yīng)器(厭氧池、缺氧池、好氧池)串聯(lián)在一起，通過好氧池和缺氧池中的硝化細菌和反硝化細菌進行硝化作用和反硝化作用脫氮，通過好氧池和厭氧池中的聚磷菌除磷，最后通過好氧池中的異養(yǎng)微生物去除COD[4-6]。盡管A2O工藝已經(jīng)實現(xiàn)了較好的處理效果，但在可持續(xù)發(fā)展的理念下，運行條件復(fù)雜、成本高昂以及產(chǎn)生大量剩余的活性污泥造成二次污染等缺點仍然是巨大的挑戰(zhàn)[7]。因此開發(fā)一些高效率、低成本、環(huán)境友好型的廢水處理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

微藻是一類光合利用率高的自養(yǎng)微生物，在生長過程中會大量吸收N、P等營養(yǎng)元素用于合成氨基酸、蛋白質(zhì)、ADP、ATP、核酸等化合物用于自身生長所需。氮作為微藻細胞中最重要的有機物合成元素占細胞干重的1%～11%[8-9]。早在1957年，Oswald等[10]提出的高速率藻類池(HRAP)將基于微藻類的系統(tǒng)開創(chuàng)性地引入廢水處理中，微藻吸收廢水中的養(yǎng)分，同化為生物活性物質(zhì)(油脂、蛋白質(zhì)等)，在積累微藻生物質(zhì)的同時，還實現(xiàn)了廢水的凈化。因此，將微藻培養(yǎng)與廢水處理相結(jié)合已被視為具有高應(yīng)用價值的可持續(xù)且具有成本效益的策略[11]。然而，由于藻細胞微小，細胞收獲技術(shù)成為限制基于微藻的工藝應(yīng)用的主要障礙[12]，迄今為止，已經(jīng)有大量關(guān)于微藻細胞收獲技術(shù)的研究，例如離心、過濾、絮凝和重力沉降等[13-14]。隨著固定化技術(shù)的發(fā)展，在微藻培養(yǎng)中利用固定化技術(shù)被認(rèn)為是從水中分離微藻的有效方法。角叉菜膠、瓊脂、藻酸鹽作為天然凝膠是幾種比較常用的固定化載體[15]。利用微藻細胞固定化技術(shù)能夠很好地克服細胞采收的障礙?；谖⒃逄幚砉に嚕Y(jié)合固定化技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些研究：Tao等[16]研究利用纖維作為微藻固定載體用于處理氮磷廢水以及生物質(zhì)的積累；王曉紀(jì)等[17]研究了固定化菌藻共生生物膜反應(yīng)器脫氮除磷效果評價；賁月等[18]研究利用了聚乙烯醇與海藻酸鈉固定包埋銅綠微囊藻對磷的吸附效果。本研究基于我們之前開發(fā)的利用瓊脂包埋微藻的固定化技術(shù)[19]，自主設(shè)計柱狀光連續(xù)處理反應(yīng)器，研究利用固定化藻處理氮磷廢水，并進行實際廢水處理效果評價，為微藻處理工藝在實際工程應(yīng)用中提供參考和理論指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 材 料

1.1.1 藻 種

實驗所用的微藻藻種為ChlorellasacchrarophilaFACHB-4，購自中國科學(xué)院淡水藻種庫。

1.1.2 培養(yǎng)基

培養(yǎng)基為BG-11[20](mg·L-1)：NaNO31500；K2HPO440；MgSO475；CaCl2·2H2O 36；檸檬酸6.0；檸檬酸鐵6.0；Na2-EDTA 1.0；Na2CO320.0；MnCl2·4H2O 1.81；ZnSO4·7H2O 0.22；NaMoO4·2H2O 0.39；CuSO4·5H2O 0.79；CoNO3·6H2O 0.049；pH=7。

1.1.3 實驗儀器

實驗主要儀器有：光照培養(yǎng)箱；分光光度計；冷凍離心機等。實驗裝置為柱狀光反應(yīng)器，如圖1所示，反應(yīng)器由有機玻璃制成，為圓柱體，內(nèi)徑為0.8 m，高度為0.6 m，分為5個床層，有效體積為10 L，反應(yīng)器四周使用LED燈充當(dāng)光源，底部裝有曝氣裝置。

圖1 柱狀光反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of a cylindrical photoreactor

1.1.4 實驗廢水

實驗后期運行所用廢水取自廣州市瀝滘污水處理廠的生化池進水，水質(zhì)指標(biāo)為氨氮20～25 mg·L-1；磷酸鹽濃度為3～5 mg·L-1；COD濃度為250～300 mg·L-1；pH為7.0～7.2。

1.2 實驗方法

1.2.1 微藻的培養(yǎng)

實驗所用的藻種為小球藻，培養(yǎng)基為BG-11培養(yǎng)基，種子液的培養(yǎng)接種單藻落到50 mL(100 mL錐形瓶)BG-11中，在光照培養(yǎng)箱(ZQLY-180，Zhichu Instruments Co., Ltd, Shanghai, China)中培養(yǎng)，溫度30 ℃，光照強度100 μmol·s-1·m-2，光暗比為12:12[21]。培養(yǎng)3～4天至對數(shù)生長期，再轉(zhuǎn)接至600 mL(1000 mL錐形瓶)BG-11中擴大培養(yǎng)6～7天至穩(wěn)定期。

1.2.2 微藻干重的確定

微藻干重的直接測量方法：先將2 mL離心管于105 ℃烘箱內(nèi)烘干，至干燥器內(nèi)冷卻至室溫，準(zhǔn)確稱重，記錄重量m1(g)，離心 2 mL微藻培養(yǎng)液至離心管中，取沉淀，在105 ℃烘箱內(nèi)烘干，至干燥器內(nèi)冷卻至室溫，準(zhǔn)確稱重，記錄重量m2(g)。干重(g·L-1)=(m2-m1)×100。將藻液梯度稀釋，使用分光光度計測OD680，以橫坐標(biāo)(x)為OD680，縱坐標(biāo)(y)為藻液干重，建立藻液干重與OD680對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到：y=0.4235x-0.0057(R2=0.999)，以藻液在OD680的光密度來反應(yīng)微藻的生物量。

1.2.3 固定化藻顆粒的制備

微藻擴培養(yǎng)至穩(wěn)定期，OD680為2.2左右，藻干重濃度約為1 g·L-1，取100 mL的藻液濃縮至10 mL，濃縮時使用聚合氯化鋁(PAC)和蒙脫土的復(fù)配絮凝劑，復(fù)配比例為1:4。將10 mL的藻濃縮液與90 mL熔融狀態(tài)(溫度為40 ℃左右)的瓊脂(濃度為20 g·L-1)混合均勻，制成1 cm×1 cm的正方體顆粒，藻顆粒的終濃度為1 g·L-1[19]。制成的藻顆粒呈綠色，機械強度良好。

1.2.4 反應(yīng)器的運行

啟動反應(yīng)器：將固定化藻顆粒投加至反應(yīng)器中，投加量為40顆/100 mL，蠕動泵設(shè)置流速為10 L·d-1，即水力停留時間(HRT)為24 h，反應(yīng)器運行期間設(shè)置24 h光照，光照強度為100 μmol·s-1·m-2，廢水以一定的流速至下而上通過固定顆粒組成的床層，在出水口排出。運行期間定期更換一定量(約1/3)的固定化藻顆粒，每天取進水口和出水口的水樣進行水質(zhì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的初步運行與效果評價

圖2 反應(yīng)器初步運行進水與出水濃度變化及去除率Fig.2 The concentration and removal efficiency of in the influent and effluent during the initial operation of the reactor

2.2 曝氣對反應(yīng)器脫氮除磷的影響

圖3 反應(yīng)器曝氣與非曝氣進水與出水濃度變化及去除率Fig.3 The concentration and removal efficiency of in the influent and effluent under aeration and unaeration

2.3 實際廢水處理效果評價

表1 反應(yīng)器運行實際廢水進水與出水濃度變化及去除率Table 1 The concentration and removal efficiency of and COD in the influent and effluent during reactor operation with real wastewater

表2 反應(yīng)器運行實際廢水效果評價Table 2 Evaluation of the real wastewater effect of reactor operation

圖4 反應(yīng)器運行實際廢水出水水質(zhì)對比國標(biāo)情況Fig.4 Comparison of real wastewater effluent quality of reactor operation with national standards

3 結(jié) 論