不同藻類膜對城市污水深度凈化的效果研究

鄧　芳　趙　磊

（1華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院湖北武漢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華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院湖北武漢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能環保水處理技術。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城市污水二級出水的凈化效果，同時評價膜的穩定性，以選出最適合掛膜藻種。

藻類膜；城市污水；富營養化；脫氮除磷

常規的城市污水二級處理方法技術成熟，但二級出水中仍含有大量的氮、磷等營養物質，如不進行深度處理而長期大量排入水體，將會引發大面積的“水華”、“赤潮”等富營養化水質災害[1]。因此，城市二級出水的深度處理技術備受廣大研究學者關注，各種物理、化學及生物技術被用于去除二級出水中低濃度的氮、磷、有機物及重金屬等其他污染成分。然而，傳統的微生物深度處理技術面臨有機碳源不足的問題，且常規的物理化學技術又存在能耗高、成本昂貴、環境副作用大、潛在營養物質丟失嚴重等弊端[2]。因此，城市污水二級出水的進一步脫氮除磷成為國內外研究的熱點和難點。

利用藻類處理污水，能夠大幅度降低水中氮磷含量，脫氮除磷的同時可固定CO2而無需投加外部碳源，且減少污泥排放，節約水資源和營養物質消耗，同時收獲的藻類生物質也是一種清潔可再生能源的理想原材料[3,4]。因此該水處理技術越來越受廣大學者的青睞。藻類的應用方式主要包括：懸浮態藻類，固定化藻類以及藻類膜。由于懸浮態藻類技術存在無法有效去除出水中藻類生物量以及現有固定化技術存在成本昂貴，二次污染等問題。最近發展的藻類膜技術在藻類培養、馴化、收獲方面更為簡單，并且藻類生物膜技術可以兼顧污水處理和藻類生物質生產，且藻類的收獲方式相對簡便，在污水處理工程中具有巨大的潛力和良好的應用前景[5]。

1　實驗設計

1.1實驗材料

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

實驗污水：取自武漢某污水處理廠二級出水，NH4+-N質量濃度為10.2 mg/L，TP質量濃度為0.8 mg/L，COD質量濃度為112.8 mg/L，初始pH值為7.51。

圖1　實驗裝置圖

1.2實驗方法

圖1為實驗裝置。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處于對數生長期的藻液和1500 mLBG11培養基，錐形瓶兩側分別添加1盞20 W的熒光燈，連續光照，光強約為3500 lx，溫度為(25±2℃)，并通入一定量無菌空氣，曝氣是為了給藻類膜提供一定的CO2作為碳源。藻液在BG11培養基中靜態培養3 d后，加入實驗污水進行馴化培養，每天置換出300 mL藻液，持續5 d，第6 d加入1500 mL實驗污水置換出全部藻液。穩定培養10 d，直至載體上形成穩定的藻類膜。利用穩定的藻類膜對二級出水進行為期7天的脫氮除磷研究。

2　結果與討論

2.1污水pH值的變化

實驗過程中污水pH值的變化如圖2所示。

由圖2可知，實驗污水的初始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密切相關，藻類進行光合作用吸收CO2，消耗水中碳酸根、重碳酸根，打破了水中的酸堿平衡，導致水中pH值上升。

圖2　污水pH值的變化

三種藻類膜對實驗污水中NH4+-N去除率隨時間的變化如圖3所示。由圖3可知，各種藻類膜在實驗前2 d對實驗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、斜生柵藻在實驗結束時對污水的去除率達到最大，分別是96.1%、98.9%、97.8%。同時，經過7d的處理，實驗污水的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A標準（NH4+-N為8 mg/L），此時出水NH4+-N濃度已經得到大幅度下降，表明藻類膜能有效吸收二級出水中的NH4+-N，實現對城市污水的深度凈化。

圖3　藻類膜的NH4+-N去除率隨時間變化

圖4　藻類膜的TP去除率隨時間變化

氨氮的去除包括兩個機理：一是藻類通過光合作用攝入水中氨氮合成自身藻細胞，完成氮元素的同化吸收；二是藻類進行光合作用導致污水中pH值不斷升高，較高的pH值促進NH4+-N揮發而去除。

圖4為三種藻類膜對實驗污水中磷的去除率隨時間的變化。由圖4可知，各類藻類膜對TP的去除效果隨時間的增加，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%，經過7d的處理，實驗污水的TP由0.8 mg/L分別降至0.077 mg/L，0.006 mg/L，0.147 mg/L。實驗結果表明，三種藻類膜均可以穩定地去除二級出水中的磷。

藻類對污水中溶解性磷的去除機理主要表現在兩個方面，一方面是藻細胞進行光合作用吸收磷合成自身細胞物質，另一方面藻細胞生長導致污水中pH不斷升高，pH值增加促進水中磷酸根和鈣、鎂離子形成磷酸鹽沉淀，從而實現磷的去除。磷以磷酸鹽沉淀的形式去除，受pH的影響較大，當pH大于8.50時，即有磷酸鹽沉淀產生[6]。結合圖2可知，實驗階段所有藻類膜的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

實驗過程中污水COD值隨時間的變化如圖5所示。由圖5可知，在實驗前3d藻類膜降解COD的速率并沒有NH4+-N和TP的去除率快，因為藻類主要是通過自養光合作用吸收利用空氣中無機碳（CO2），因此降解水中有機碳效率偏低。但隨著實驗時間的延長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物，而藻類膜光合作用釋放氧氣，增加水中溶解氧含量，促進微生物對有機物的降解，因此實驗后4 d COD降解效果更好。

3　結語

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出水中的氮、磷污染物，對水中有機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到98.9%和99.2%。小顫藻極易附著在填料上，形成的藻類膜穩定不易脫落，且小顫藻對污水的耐受能力強，因此小顫藻是最佳的掛膜藻種。

[1]Aslan S,Kapdan I K.Batch kinetics ofnitrogen and phosphorus removal from synthetic wastewater by algae[J].Ecological Engineering, 2006,28(1):64-70.

[2]邢麗貞,馬清,李哿,等.藻類技術在污水深度處理中的應用[J].凈水技術,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.

[4]WangB,Lan C Q.Biomass production and nitrogen and phosphorus removal by the green alga Neochloris oleoabundans in simulated wastewater and secondarymunicipal wastewater effluent[J].Bioresource Technology,2011,102(10):5639-5644.

[5]Suka ová K,Trtílek M,Rataj T.Phosphorus removal using a microalgal biofilm in a newbiofilm photobioreactor for tertiary wastewater treatment[J].Water Research,2015,71:55-63.

[6]Silva-Benavides A M,Torzillo G.Nitrogen and phosphorus removal through laboratory batch cultures of microalga Chlorella vulgaris and cyanobacterium Planktothrix isothrix grow n as monoalgal and as co-cultures[J].Journal ofApplied Phycology,2012,24(2):267-276.