袁思涵 魏群 羅曉暄 張之浩

（廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西南寧 530004）

1 引言

傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)存在能耗高、碳排放高等問題，與節(jié)能減排和資源回收的可持續(xù)發(fā)展理念相矛盾［1-2］。從綠色低碳的角度來看，藻類生物污水處理是一種新型綠色的污水處理技術(shù)［3］。藻類能通過光合作用固定污水中的碳源并釋放O2，高效吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)并降解有機(jī)污染物［4］。目前有研究認(rèn)為，藻類細(xì)胞通過分泌胞外聚合物（EPS）可以在載體上形成穩(wěn)定的生物膜，這種形式相比于懸浮培養(yǎng)增加了藻細(xì)胞濃度，提高了藻類承受pH、溫度和營養(yǎng)物濃度波動的能力，并且減少了后續(xù)藻細(xì)胞分離或收獲的壓力［5］。Zhang 等［6］研究認(rèn)為，微濾（MF）和超濾（UF）膜工藝不僅能夠去除各種水體中顆粒和膠體以及病原微生物，而且膜技術(shù)已被證明對藻類的分離特別有效。由于環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，污水排放要求也越來越嚴(yán)格，超濾膜技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢受到污水處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近年來，藻類生物膜與超濾膜技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域已有大量研究，但將藻類生物膜與超濾膜組成完整污水處理系統(tǒng)的研究甚少。本研究設(shè)計(jì)了一套管式藻類生物膜—超濾膜污水處理裝置，針對水力停留時(shí)間（HRT）和光照模式進(jìn)行了深入研究，以期為微藻水處理技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

管式藻類生物膜—超濾膜污水處理裝置由原水箱、蠕動泵、管式藻類膜反應(yīng)器、沉淀池、超濾膜組件和出水箱構(gòu)成，如圖1 所示。管式藻類膜反應(yīng)器材質(zhì)為亞克力有機(jī)玻璃，有效尺寸Φ95 mm×1 000 mm，有效容積6 L。藻類膜載體為MBBR（移動床生物膜反應(yīng)器）填料，該填料具有多個(gè)凸起、孔洞和內(nèi)部通道，可提供大量表面積用于微生物生長和附著，規(guī)格25 mm×12 mm，材質(zhì)為聚丙烯，設(shè)置填充度75%。超濾膜采用60 mm×350 mm 的中空纖維膜，有效膜面積0.5 m2，膜孔徑0.1 μm。LED 燈管為藻類膜提供光源。

圖1 管式藻類膜—超濾膜污水處理裝置示意

2.2 藻類培養(yǎng)與試驗(yàn)污水水質(zhì)

試驗(yàn)藻種選用斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）FACHB-12，購自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫。預(yù)培養(yǎng)選用BG11 培養(yǎng)基，在光照培養(yǎng)箱中以藻種庫推薦環(huán)境條件（25 ℃，2 000 lx，12 h∶12 h 光暗比）培養(yǎng)，然后在2 L 錐形瓶內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)條件：溫度25±2 ℃，曝氣量1.5 L/min，光照強(qiáng)度5 000 lx，24 h 光照。

試驗(yàn)污水取自貴港市某污水處理廠細(xì)格柵處，采集時(shí)用4 層紗布過濾，試驗(yàn)前用紫外滅菌燈照射污水1 h，以減少污水中細(xì)菌等微生物對藻類生物膜的干擾。主要水質(zhì)指標(biāo)如下：化學(xué)需氧量（COD）濃度為278.14～375.55 mg/L；總磷（TP）濃度為2.06～4.58 mg/L；總氮（TN）濃度為32.91～43.39 mg/L；氨氮（NH4+-N）濃度為16.57～26.04 mg/L。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 藻類生物膜掛膜及馴化

管式藻類膜光反應(yīng)器按0.4 g/L（以干重記）的接種比加入斜生柵藻藻液，利用蠕動泵按100 mL/min的流量讓反應(yīng)器內(nèi)的藻液循環(huán)流動，進(jìn)行為期10 d的掛膜培養(yǎng)，待載體表面明顯變綠后開始馴化，馴化持續(xù)5 d，前4 d 每天放出1.5 L 藻液，并加入1.5 L試驗(yàn)污水；第5 天用污水將所有藻液全部置換。

2.3.2 HRT 試驗(yàn)

在室溫、5 000 lx 平均光照強(qiáng)度的連續(xù)光照條件下，向管式藻類膜裝置內(nèi)通入6 L 試驗(yàn)污水進(jìn)行動態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，HRT 分別設(shè)置為3，4，5 d，則每天進(jìn)出水量對應(yīng)為2.0，1.5，1.2 L。為期5 d 每天定時(shí)檢測進(jìn)水和藻類膜出水COD，TP，TN，NH4+-N 等指標(biāo)。

2.3.3 光照模式試驗(yàn)

設(shè)置4 個(gè)不同的光照模式：5 000 lx 人工光源24 h（模式Ⅰ）；5 000 lx 人工光源12 h +12 h 黑暗（模式Ⅱ）；自然光源+夜間5 000 lx 人工光源（模式Ⅲ）；純自然光源（模式Ⅳ）。HRT 設(shè)為5 d，檢測進(jìn)水、管式藻類膜反應(yīng)器出水和超濾膜出水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。

2.4 分析方法

pH 直接用多參數(shù)水質(zhì)測定儀測出；藻類光密度（OD680）采用分光光度法；COD 采用快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）；TP 采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）；TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）；NH4+-N 采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）。

3 結(jié)果與分析

3.1 HRT 對藻類膜污水處理效果的影響

3.1.1 對COD 和TP 的去除效果

圖2 展示了管式藻類膜反應(yīng)器對COD 的去除效果。由圖2 可以看出，當(dāng)進(jìn)水COD 濃度在278.14～375.55 mg/L 之間時(shí)，出水COD 濃度隨著HRT 的延長而降低。當(dāng)HRT 為3 d 時(shí)，COD 出水平均濃度為91.53 mg/L，平均去除率僅為70.44%；當(dāng)HRT 延長至5 d 時(shí)，系統(tǒng)出水COD 濃度大幅度降低并趨于穩(wěn)定，由平均濃度326.48 mg/L 降至27.20 mg/L，平均去除率為91.69%。由于污水中含有大量有機(jī)碳源，微藻生物膜系統(tǒng)處于混養(yǎng)狀態(tài)，斜生柵藻FACHB-12 可通過異養(yǎng)作用，以污水中的溶解性物質(zhì)或一些懸浮物為營養(yǎng)，完成自身生長繁殖，從而達(dá)到消耗污水中有機(jī)底物的目的［7］。隨著HRT 的增加，生物膜藻細(xì)胞逐漸適應(yīng)了污水環(huán)境，光合速率和產(chǎn)氧速率加快，為滿足自身生長繁殖需求，需要同化大量有機(jī)營養(yǎng)物。較短的HRT 要求微藻在短時(shí)間內(nèi)處理大量的有機(jī)污染物，高負(fù)荷可能會對微藻的生長和代謝能力造成影響，使微藻無法有效降解COD。適當(dāng)增加HRT 可以控制污水中的有機(jī)負(fù)荷，使微藻處于高效吸收狀態(tài)［8］。

圖2 不同HRT 下藻類膜對COD 的去除效果

3 種HRT 下TP 濃度以及去除率的變化如圖3所示。藻類膜系統(tǒng)TP 平均濃度分別由4.45，4.39，4.40 mg/L 降至0.82，0.27，0.09 mg/L，平均去除率隨著HRT 的提高從81.46%增長至97.37%。微藻對磷的去除主要依靠同化作用，藻類生物膜表面的胞外聚合物可通過吸附和絡(luò)合作用捕獲PO43-，然后通過細(xì)胞質(zhì)膜中磷轉(zhuǎn)運(yùn)體主動吸收PO43-，最后用于合成核酸和細(xì)胞代謝等生理活動［9］。HRT 設(shè)置為4 d 和5 d 時(shí)TP 去除效果較好，這可能與藻類生物膜系統(tǒng)pH 和DO 的變化有關(guān)，在pH 升高和DO 濃度較高的情況下，磷酸鹽會與水體中的金屬離子（如鈣、鎂和鐵）形成不溶性沉淀，這將有助于磷的去除［10］。

圖3 不同HRT 下藻類膜對TP 的去除效果

3.1.2 對TN 和NH4+-N 的去除效果

藻類膜對TN 和NH4+-N 的去除效果見表1。在HRT 為3 d 和4 d 時(shí)，TN 的平均去除率分別為49.42%和45.89%，說明污水停留時(shí)間過短，藻類膜不能對含氮污染物有效去除。當(dāng)HRT 延長至5 d時(shí)，出水TN 濃度出現(xiàn)明顯下降，平均濃度由35.73 mg/L降至6.68 mg/L，平均去除率上升至81.06%。由于實(shí)際污水中含氮污染物成分復(fù)雜，藻類需要足夠的能量和時(shí)間用于氮的轉(zhuǎn)化和利用，這一點(diǎn)與磷的吸收不同，磷可以在較短HRT 下得到去除。這與Iman Shayan［11］評估HRT 對旋轉(zhuǎn)藻類生物膜反應(yīng)器去除污染物的影響得出的結(jié)論一致。NH4+-N 的去除率隨著HRT 的增加而提升，當(dāng)HRT 分別為3，4，5 d 時(shí)，NH4+-N 的平均濃度分別由20.43，22.37，21.04 mg/L降至7.78，4.28，1.41 mg/L，NH4+-N 的去除效果相對于TN 有了大幅提升。原因是藻類生物膜對NH4+-N的吸收途徑相對簡單，通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞后能直接被藻類利用［9］。有機(jī)氮通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入微藻細(xì)胞后需要轉(zhuǎn)化為NH4+才被微藻吸收，而NO3-進(jìn)入微藻細(xì)胞后，需要轉(zhuǎn)化為NO2-再轉(zhuǎn)化為NH4+才能被微藻直接利用，這表明微藻吸收有機(jī)氮和硝酸鹽需要消耗更多的能量。此外，藻類除了吸收氨氮，還可以通過光合作用產(chǎn)生氧氣而促進(jìn)氨氮的氧化［12］。隨著HRT 的增加，DO 濃度大幅提高，因此NH4+-N 的去除效率也逐漸升高。

表1 不同HRT 下TN 和NH4+-N 的去除效果

3.2 光照模式試驗(yàn)

3.2.1 pH 的變化

各光照模式下進(jìn)出水pH 如圖4 所示。進(jìn)水pH范圍為7.1～7.6，經(jīng)過管式藻類膜反應(yīng)器的處理后，藻類膜出水pH 均高于進(jìn)水值。在模式Ⅰ下，pH 平均值為8.5，而模式Ⅱ由于每天只進(jìn)行12 h 小時(shí)的人工光源照射，藻類膜光合作用減弱，出水平均pH 下降為8.1；模式Ⅲ和模式Ⅳ藻類膜開始接受自然光照，藻類膜反應(yīng)器出水pH 迅速上升，這可能是因?yàn)樽匀还庠吹墓庾V范圍比人工光源全面，促進(jìn)了微藻的光合作用，從而使pH 升高；模式Ⅳ在夜晚沒有人工光源補(bǔ)光，出水pH 有所下降，說明在失去夜晚補(bǔ)光后，藻類膜代謝強(qiáng)度降低，這與模式Ⅱ在無夜晚補(bǔ)光后出現(xiàn)的情況一致。含藻水經(jīng)超濾膜過濾后，出水pH 在一定程度上均有所降低，其范圍在7.8～9.0 之間，符合排放要求。

圖4 不同光照模式下pH 的變化

3.2.2 OD680的變化

試驗(yàn)各光照模式下的出水OD680如圖5 所示。進(jìn)水中的OD680范圍在0.027～0.243，其主要由實(shí)際污水中所含藻類及部分雜質(zhì)引起。由于生物膜上的藻細(xì)胞處于吸附—脫附—再吸附的動態(tài)平衡，因此反應(yīng)器出水OD680可推測藻類膜系統(tǒng)在不同光照模式下的生長狀況。在Ⅰ，Ⅱ光照模式下，藻類膜反應(yīng)器出水中OD680處于較低水平，平均值分別為0.052 和0.038，模式Ⅱ由于光照時(shí)間縮短，懸浮藻生長時(shí)間變短，其OD680平均值略低于Ⅰ階段；在Ⅲ，Ⅳ光照模式下，藻類膜開始接受自然光照，藻細(xì)胞代謝強(qiáng)度增加，繁殖速度加快，出水OD680迅速上升，平均值分別為0.160 和0.110。另一方面，當(dāng)藻類暴露于高光強(qiáng)時(shí)，過量的光會導(dǎo)致PSII 成分的光氧化，從而導(dǎo)致光抑制［13］，這種現(xiàn)象最終會使得部分藻類細(xì)胞衰亡。模式Ⅳ由于夜晚缺乏光照，OD680平均值低于Ⅲ階段。所有光照模式經(jīng)過超濾膜處理后，藻類幾乎被全部去除，其出水OD680平均值僅為0.01。

圖5 不同光照模式下藻類OD680 的變化

3.2.3 污染物的去除效果

在4 種不同光照模式下，裝置對污染物的去除效果如圖6 所示。

圖6 不同光照模式下污染物去除效果

由圖6 可以看出，采用光照模式Ⅲ（自然光照12 h+夜間補(bǔ)光12 h）時(shí)，COD，TN，NH4+-N 的去除效果最好，平均出水濃度分別為20.39，3.53，1.17 mg/L，去除率分別為93.69%，90.19%，94.95%。這表明藻類生物膜系統(tǒng)的營養(yǎng)去除能力與光照強(qiáng)度和光照時(shí)間密切相關(guān)，模式Ⅲ在白天采用自然光源照射，夜晚進(jìn)行人工補(bǔ)光，光照較為充足，促進(jìn)了藻類生物膜以及懸浮藻對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。值得注意的是，TP 的去除效果在采用模式Ⅰ（人工光源24 h）時(shí)最佳，去除率達(dá)到97.26%，分析原因?yàn)槟Ｊ舰窆庹窄h(huán)境較為穩(wěn)定，微藻在光合作用過程中磷的利用效率較高，TP去除效果最好。綜合來講，無論是在人工光源還是在自然光源下，連續(xù)的光照環(huán)境更有利于藻類生物膜吸收營養(yǎng)物質(zhì)；經(jīng)超濾膜處理后，裝置各項(xiàng)出水指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）HRT 作為生物法污水處理的重要運(yùn)行參數(shù)，直接影響微生物新陳代謝和營養(yǎng)吸收。適當(dāng)延長管式藻類膜系統(tǒng)運(yùn)行的HRT，可有效提高對各類污染物的去除效果。當(dāng)HRT 為5 d 時(shí)，管式藻類膜反應(yīng)器 對COD，TP，TN，NH4+-N 的 平 均 去 除 率 分 別 為91.69%，97.37%，81.06%，92.62%。

（2）在4 種不同的光照模式下，系統(tǒng)對污染物去除效果均表現(xiàn)穩(wěn)定，其中采用自然光源加上夜晚人工補(bǔ)光的模式處理效果最好，COD，TP，TN，NH4+-N的平均出水濃度分別為20.39，0.12，3.53，1.17 mg/L，去除率分別達(dá)到93.69%，97.26%，90.19%，94.95%。

（3）出水經(jīng)超濾膜過濾處理后藻類及懸浮物含量大大降低，出水OD680穩(wěn)定在0.01 左右。采用管式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)藻類生物膜，其光照適應(yīng)性強(qiáng)，污染物去除效果顯著，再聯(lián)合超濾膜水處理技術(shù)，降低藻類污染風(fēng)險(xiǎn)，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，能達(dá)到污水深度處理的目的。