不同藻類膜對(duì)城市污水深度凈化的效果研究

鄧　芳　趙　磊

（1華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院湖北武漢4300742武漢華咨同惠科技有限公司湖北武漢430073）

不同藻類膜對(duì)城市污水深度凈化的效果研究

鄧芳1趙磊2

（1華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院湖北武漢4300742武漢華咨同惠科技有限公司湖北武漢430073）

藻類膜深度凈化城市污水是一種新型的節(jié)能環(huán)保水處理技術(shù)。本文分別以小顫藻(Oscillatoria tenuis)、水華魚腥藻（Anabaena flos-aquae）、斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）為掛膜藻種，以立體彈性聚氯乙烯為載體，分析了不同藻類膜對(duì)城市污水二級(jí)出水的凈化效果，同時(shí)評(píng)價(jià)膜的穩(wěn)定性，以選出最適合掛膜藻種。

藻類膜；城市污水；富營(yíng)養(yǎng)化；脫氮除磷

常規(guī)的城市污水二級(jí)處理方法技術(shù)成熟，但二級(jí)出水中仍含有大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如不進(jìn)行深度處理而長(zhǎng)期大量排入水體，將會(huì)引發(fā)大面積的“水華”、“赤潮”等富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)災(zāi)害[1]。因此，城市二級(jí)出水的深度處理技術(shù)備受廣大研究學(xué)者關(guān)注，各種物理、化學(xué)及生物技術(shù)被用于去除二級(jí)出水中低濃度的氮、磷、有機(jī)物及重金屬等其他污染成分。然而，傳統(tǒng)的微生物深度處理技術(shù)面臨有機(jī)碳源不足的問(wèn)題，且常規(guī)的物理化學(xué)技術(shù)又存在能耗高、成本昂貴、環(huán)境副作用大、潛在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)丟失嚴(yán)重等弊端[2]。因此，城市污水二級(jí)出水的進(jìn)一步脫氮除磷成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

利用藻類處理污水，能夠大幅度降低水中氮磷含量，脫氮除磷的同時(shí)可固定CO2而無(wú)需投加外部碳源，且減少污泥排放，節(jié)約水資源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗，同時(shí)收獲的藻類生物質(zhì)也是一種清潔可再生能源的理想原材料[3,4]。因此該水處理技術(shù)越來(lái)越受廣大學(xué)者的青睞。藻類的應(yīng)用方式主要包括：懸浮態(tài)藻類，固定化藻類以及藻類膜。由于懸浮態(tài)藻類技術(shù)存在無(wú)法有效去除出水中藻類生物量以及現(xiàn)有固定化技術(shù)存在成本昂貴，二次污染等問(wèn)題。最近發(fā)展的藻類膜技術(shù)在藻類培養(yǎng)、馴化、收獲方面更為簡(jiǎn)單，并且藻類生物膜技術(shù)可以兼顧污水處理和藻類生物質(zhì)生產(chǎn)，且藻類的收獲方式相對(duì)簡(jiǎn)便，在污水處理工程中具有巨大的潛力和良好的應(yīng)用前景[5]。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

藻種：小顫藻(Oscillatoria tenuis)、水華魚腥藻（Anabaena flos-aquae）、斜生柵藻（Scenedesmus obliquus），由中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所提供。

實(shí)驗(yàn)污水：取自武漢某污水處理廠二級(jí)出水，NH4+-N質(zhì)量濃度為10.2 mg/L，TP質(zhì)量濃度為0.8 mg/L，COD質(zhì)量濃度為112.8 mg/L，初始pH值為7.51。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2實(shí)驗(yàn)方法

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置。將立體彈性聚氯乙烯(高度約10 cm)置于2 L錐形瓶中，加入150 mL處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻液和1500 mLBG11培養(yǎng)基，錐形瓶?jī)蓚?cè)分別添加1盞20 W的熒光燈，連續(xù)光照，光強(qiáng)約為3500 lx，溫度為(25±2℃)，并通入一定量無(wú)菌空氣，曝氣是為了給藻類膜提供一定的CO2作為碳源。藻液在BG11培養(yǎng)基中靜態(tài)培養(yǎng)3 d后，加入實(shí)驗(yàn)污水進(jìn)行馴化培養(yǎng)，每天置換出300 mL藻液，持續(xù)5 d，第6 d加入1500 mL實(shí)驗(yàn)污水置換出全部藻液。穩(wěn)定培養(yǎng)10 d，直至載體上形成穩(wěn)定的藻類膜。利用穩(wěn)定的藻類膜對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行為期7天的脫氮除磷研究。

2　結(jié)果與討論

2.1污水pH值的變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污水pH值的變化如圖2所示。

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)污水的初始pH值為7.51，前2 d pH值迅速上升，小顫藻、水華魚腥藻、斜生柵藻在第2 d分別達(dá)到最大pH值9.65、10.28、9.95。隨后pH值均有所下降，但最終所有的pH值都大于8.20。污水pH值的變化主要與藻類的代謝活動(dòng)密切相關(guān)，藻類進(jìn)行光合作用吸收CO2，消耗水中碳酸根、重碳酸根，打破了水中的酸堿平衡，導(dǎo)致水中pH值上升。

圖2　污水pH值的變化

三種藻類膜對(duì)實(shí)驗(yàn)污水中NH4+-N去除率隨時(shí)間的變化如圖3所示。由圖3可知，各種藻類膜在實(shí)驗(yàn)前2 d對(duì)實(shí)驗(yàn)污水的去除率迅速上升，隨后4 d藻類膜去除率變化趨于平緩，小顫藻、水華魚腥藻、斜生柵藻在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)污水的去除率達(dá)到最大，分別是96.1%、98.9%、97.8%。同時(shí)，經(jīng)過(guò)7d的處理，實(shí)驗(yàn)污水的NH4+-N由10.2 mg/L降至0.39 mg/L、0.11 mg/L、0.22 mg/L，相比于城市污水處理廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（NH4+-N為8 mg/L），此時(shí)出水NH4+-N濃度已經(jīng)得到大幅度下降，表明藻類膜能有效吸收二級(jí)出水中的NH4+-N，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市污水的深度凈化。

圖3　藻類膜的NH4+-N去除率隨時(shí)間變化

圖4　藻類膜的TP去除率隨時(shí)間變化

氨氮的去除包括兩個(gè)機(jī)理：一是藻類通過(guò)光合作用攝入水中氨氮合成自身藻細(xì)胞，完成氮元素的同化吸收；二是藻類進(jìn)行光合作用導(dǎo)致污水中pH值不斷升高，較高的pH值促進(jìn)NH4+-N揮發(fā)而去除。

圖4為三種藻類膜對(duì)實(shí)驗(yàn)污水中磷的去除率隨時(shí)間的變化。由圖4可知，各類藻類膜對(duì)TP的去除效果隨時(shí)間的增加，污水中的TP濃度逐漸降低，去除率不斷提高。三種藻類膜對(duì)TP的最大去除率分別是：小顫藻為90.5%，水華魚腥藻為99.2%，斜生柵藻為81.7%，經(jīng)過(guò)7d的處理，實(shí)驗(yàn)污水的TP由0.8 mg/L分別降至0.077 mg/L，0.006 mg/L，0.147 mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種藻類膜均可以穩(wěn)定地去除二級(jí)出水中的磷。

藻類對(duì)污水中溶解性磷的去除機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用吸收磷合成自身細(xì)胞物質(zhì)，另一方面藻細(xì)胞生長(zhǎng)導(dǎo)致污水中pH不斷升高，pH值增加促進(jìn)水中磷酸根和鈣、鎂離子形成磷酸鹽沉淀，從而實(shí)現(xiàn)磷的去除。磷以磷酸鹽沉淀的形式去除，受pH的影響較大，當(dāng)pH大于8.50時(shí)，即有磷酸鹽沉淀產(chǎn)生[6]。結(jié)合圖2可知，實(shí)驗(yàn)階段所有藻類膜的pH值基本都大于8.50，則磷主要以磷酸鹽沉淀的形式去除。

圖5　污水中COD的變化

2.3污水COD值的變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污水COD值隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)前3d藻類膜降解COD的速率并沒有NH4+-N和TP的去除率快，因?yàn)樵孱愔饕峭ㄟ^(guò)自養(yǎng)光合作用吸收利用空氣中無(wú)機(jī)碳（CO2），因此降解水中有機(jī)碳效率偏低。但隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)COD去除率逐漸升高，最終小顫藻、水華魚腥藻、斜生柵藻的去除率分別達(dá)到95.7%，98.4%，97.5%。這主要是由于水中好氧微生物利用水中有機(jī)物，而藻類膜光合作用釋放氧氣，增加水中溶解氧含量，促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)物的降解，因此實(shí)驗(yàn)后4 d COD降解效果更好。

3　結(jié)語(yǔ)

小顫藻、水華魚腥藻以及斜生柵藻藻類膜均可以有效地去除城市污水二級(jí)出水中的氮、磷污染物，對(duì)水中有機(jī)物也有較好的去除效果。水華魚腥藻的脫氮除磷效果最好，NH4+-N和TP的最大去除率分別達(dá)到98.9%和99.2%。小顫藻極易附著在填料上，形成的藻類膜穩(wěn)定不易脫落，且小顫藻對(duì)污水的耐受能力強(qiáng)，因此小顫藻是最佳的掛膜藻種。

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[2]邢麗貞,馬清,李哿,等.藻類技術(shù)在污水深度處理中的應(yīng)用[J].凈水技術(shù),2009,28(6):44-49.

[3]Boelee N C,Temmink H,Janssen M,et al.Nitrogen and phosphorus removal from municipal wastewater effluent using microalgal biofilms[J].Water Research,2011,45(18):5925-5933.

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