氣升式光生物反應(yīng)器中固定化小球藻深度處理污水能力的研究

文/謝承錫

氣升式光生物反應(yīng)器中固定化小球藻深度處理污水能力的研究

文/謝承錫

將小球藻包埋于海藻酸鈉膠球中用于去除市政污水中的氮磷和COD。實(shí)驗(yàn)研究了不同密度的藻細(xì)胞對(duì)污水中氮磷和COD去除效率的影響。1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球有較高的處理污水中的氨氮和磷的能力，9小時(shí)內(nèi)去除效率分別為91.39%和94.74%。利用此密度的藻細(xì)胞處理市政污水，對(duì)COD、氨氮和磷在9小時(shí)內(nèi)的處理效果分別是78.60%、72.53%和71.49%。選定最優(yōu)外加碳源，對(duì)800萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球和1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球進(jìn)行小球藻對(duì)污水處理可循環(huán)利用性研究，進(jìn)行三周期的污水處理，第二周期處理效果明顯，磷和COD為第二周期1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球去除效果最好，去除率分別為96%和87.4%。氨氮為第二周期800萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球去除效果較佳，去除率為95.58%。在污水處理后，柵藻膠珠細(xì)胞密度均有所增加，說明藻細(xì)胞在污水處理過程中保持了良好的活力。結(jié)果表明利用固定化藻類進(jìn)行污水的深度凈化處理是可行的。

1 項(xiàng)目背景

通過資料了解到，污水處理二級(jí)出水中或不達(dá)標(biāo)排放的污（廢）水仍含有一定量的氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，會(huì)造成受納水體的富營(yíng)養(yǎng)化。所以從廢水中去除氮磷元素，減少和避免富營(yíng)養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

藻類和其他高等植物一樣，能利用CO2和H2O借助葉綠素吸收光能合成糖類釋放氧氣：

Oswald提出藻細(xì)胞脫氮除磷概念，從此利用藻細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)處理污水得到了快速發(fā)展。氮是藻類生物量的重要元素，一般約占藻細(xì)胞干重的10%，藻類可利用的氮源包括無機(jī)氮和有機(jī)氮，而藻類利用不同形態(tài)氮的順序?yàn)椋喊钡?硝酸鹽氮>簡(jiǎn)單有機(jī)氮（如尿素等）。無機(jī)氮同化作用包括三個(gè)步驟：首先，由一種特定的通透酶介導(dǎo)并吸收硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨；其次，依賴ATP將硝酸鹽還原為銨；最后，將銨并入碳骨架。磷主要用于能量傳遞和核酸合成細(xì)胞過程中，主要以無機(jī)的形式被吸收。細(xì)胞內(nèi)的磷被用作合成有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)。藻類用底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化3種不同的過程將其轉(zhuǎn)化為高能有機(jī)化合物：

前兩個(gè)過程的能量來自呼吸底物的氧化或線粒體的電子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)；第3個(gè)系統(tǒng)中光能被轉(zhuǎn)化結(jié)合進(jìn)ATP。自20世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)外就有利用沼氣池出水，城市污水，繅絲、釀造、制糖廢水及畜禽污水等養(yǎng)殖螺旋藻等微藻生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料，并使污水得以凈化的研究報(bào)道。近年來，化石燃料短缺，微藻類作為原料制成生物燃料更有前景。研究表明，響藻類脫氮除磷的因素有很多，但主要可分為藻種本身的內(nèi)在因素和對(duì)藻類生長(zhǎng)起作用的環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)及固定化條件等的外在因素。藻類也能將水體中有機(jī)化合物作為碳源、氮源吸收，能降解如農(nóng)藥、偶氮染料、碳?xì)浠衔铩⒍喹h(huán)芳烴、金屬有機(jī)物等多種化合物。利用藻細(xì)胞固定化技術(shù)處理污水是近二十多年新發(fā)展起來的一種污水生物處理技術(shù)，具有節(jié)約處理費(fèi)用、可操作性強(qiáng)，對(duì)廢水中氮、磷、重金屬、有機(jī)物等去除效果好的特點(diǎn)。近年來，褐藻膠包埋技術(shù)是使用最廣泛的包埋固定化技術(shù)。主要應(yīng)用于生物反應(yīng)器中活細(xì)胞的固定，植物原生質(zhì)體包埋應(yīng)用于微繁殖，雜種瘤細(xì)胞固定化應(yīng)用于生產(chǎn)克隆抗體，污水處理等。

2 研究的目的與意義

本文首次利用固定化小球藻體系，在自制的氣升式光生物處理反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)對(duì)市政污水的深度凈化。利用固定化技術(shù)解決收獲問題，獲得藻菌生物量（藻菌蛋白）。實(shí)驗(yàn)研究小球藻在氣升式反應(yīng)器中凈化污水能力。研究了細(xì)胞密度、循環(huán)使用后固定化小球藻體系脫氮、除磷及COD去除的影響。該體系既達(dá)到了脫氮、除磷、去除COD，又有利于回收藻體，作為動(dòng)物飼料和生物柴油制備的原料。從生態(tài)角度具有突出的現(xiàn)實(shí)意義，為污水的深度處理提供一種處理技術(shù)和參考。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

3.1.1 藻種

小球藻（Chlorella sp.）由遼寧師范大學(xué)藻類生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。

3.1.2 試劑

海藻酸鈉，氯化鈣，氯化銨，抗壞血酸，鉬酸銨，酒石酸銻氧鉀，蛋白胨，重鉻酸鉀（優(yōu)級(jí)純）等，其余均為分析純。

3.1.3 主要儀器

電子天平，北京賽多利斯天平有限公司；超凈工作臺(tái)，無錫一凈凈化設(shè)備有限公司；高壓滅菌鍋，廣州泰思科學(xué)儀器有限公司；722分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；高速離心機(jī)，廣州飛迪生物科技有限公司。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

3.2.1 小球藻培養(yǎng)

將小球藻無菌接種于含150mL Dauta培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中，在溫度（24±2）℃，光強(qiáng)2200-2700lx（冷熒光），光周期12：12（光：暗）下培養(yǎng)，每天用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，取靜止初期藻細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2.2 固定化

固定化藻：藻細(xì)胞3500rp/min 15min離心收獲，用無氮、磷Dauta培養(yǎng)基再懸浮，與滅菌的5%海藻酸鈉溶液等體積混合，注射器用8號(hào)針頭滴入預(yù)冷0.1mol/L CaCl2溶液，放置0.5h，即得固定化膠球。無氮、磷培養(yǎng)基反復(fù)洗滌，放培養(yǎng)基中恢復(fù)一夜，用于去污實(shí)驗(yàn)。

3.2.3 污水的配制

以無N、P的Dauta培養(yǎng)基為本底，加NH4Cl、K2HPO4以及葡萄糖使?jié)舛葹?5.5mg/L，濃度為1.5mg/ L。N/P比實(shí)驗(yàn)時(shí)污水配方如下：

表1 氮：磷為10：1的人工污水

4 結(jié)果與討論

4.1 外加碳源對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響

圖1 碳源葡萄糖對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響

圖2 碳源乙酸鈉對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響

圖3 碳源碳酸鈉對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響

由圖1-3，前3天三種外加碳源對(duì)小球藻生長(zhǎng)速度的影響基本一致，比較平緩，對(duì)于葡萄糖來說，第8天小球藻生長(zhǎng)達(dá)到靜止期，其中0.25g/L葡萄糖的小球藻生長(zhǎng)速率最大；對(duì)于乙酸鈉來說，整體增長(zhǎng)速度較緩，第8天藻細(xì)胞生長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定期，不同濃度乙酸鈉藻細(xì)胞數(shù)相差較大，5天后藻細(xì)胞生長(zhǎng)低于對(duì)照；碳酸鈉作為外加碳源藻細(xì)胞生長(zhǎng)速度較快，第7天達(dá)到靜止期，隨后藻細(xì)胞減少。實(shí)驗(yàn)時(shí)選葡萄糖作為小球藻培養(yǎng)基的外加碳源，葡萄糖濃度為0.25g/L。

4.2 細(xì)胞密度對(duì)氮、磷去除影響

圖4 細(xì)胞密度對(duì)氨氮去除率影響

從圖4可以清楚的看到600萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球、800萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球、1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球和1200萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球在9小時(shí)對(duì)氨氮去除效率分別為85.95%、86.80%、91.39%和71.13%，對(duì)磷的去除效率分別為89.74%、92.30%、94.74%和81.41%。說明固定化藻細(xì)胞對(duì)污水的凈化效率高效。在去除氨氮方面當(dāng)藻細(xì)胞密度分別600萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球、800萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球、1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球時(shí)，藻細(xì)胞密度越大的，凈化效率越高，當(dāng)藻細(xì)胞密度增大到1200萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球時(shí)，效率開始降低。說明在凈化氨氮方面，凈化效率開始是隨著藻細(xì)胞密度增大而增大，但當(dāng)藻細(xì)胞增大到某一值，凈化效率開始下降。在除磷方面前三者之間凈化效率相近，特別是800萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球和1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球，兩者凈化效率都達(dá)到90%以上，凈化效果非常明顯。當(dāng)藻細(xì)胞密度為1200萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球時(shí)，凈化效率明顯沒有前三者凈化效率高，說明當(dāng)藻細(xì)胞密度增大到某一值時(shí)，對(duì)磷的凈化效率反而下降。由以上實(shí)驗(yàn)得出，氨氮和磷的最佳凈化細(xì)胞密度是1000萬個(gè)藻細(xì)胞/膠球。

5 結(jié)論

固定化小球藻在氣升式光生物反應(yīng)器中能夠有效的進(jìn)行脫氮除磷，并去除低濃度有機(jī)物。細(xì)胞密度、循環(huán)處理對(duì)脫氮除磷效率和低濃度有機(jī)物的去除有影響。饑餓處理后，氨氮、磷、COD去除明顯。利用氣升式生物反應(yīng)器，固定化小球藻可實(shí)現(xiàn)污水的深度凈化并提供可以利用的藻體生物資源。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

第一，本研究首次進(jìn)行固定化小球藻在改造具有流化床特點(diǎn)的氣升式光生物反應(yīng)器中進(jìn)行污水深度處理能力研究；

第二，本研究首次研究細(xì)胞密度對(duì)小球藻體系污水深度處理影響；

第三，本研究首次研究小球藻體系循環(huán)處理污水研究；

7 下階段研究設(shè)想

藻類固定化技術(shù)在廢水深度處理領(lǐng)域中具有獨(dú)特的優(yōu)越和潛力。該技術(shù)要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用還需解決以下問題：

7.1 繼續(xù)尋找高效、低耗、抗毒性強(qiáng)的多種生物共生固定化體系；

7.2 進(jìn)一步開發(fā)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、傳質(zhì)阻力小的固定化載體和反應(yīng)器；

7.3 篩選產(chǎn)油高、凈化力強(qiáng)的多種藻類實(shí)現(xiàn)水處理和生物柴油制備的耦合。

通過不斷研究，藻類為基礎(chǔ)的固定化體系在廢水處理中會(huì)成為一項(xiàng)高效而實(shí)用的廢水生物處理資源化技術(shù)，獲得廣泛應(yīng)用。

8 收獲與體會(huì)

通過階段性研究，我在創(chuàng)新能力培養(yǎng)、動(dòng)手操作能力、解決實(shí)際問題方面以及專業(yè)知識(shí)等方面都有不同程度的收獲和提高。

通過選題給我提供了一個(gè)思考、解決問題的機(jī)會(huì)。對(duì)一項(xiàng)藻類污水生物處理技術(shù)的研究，需要嘗試，更需要?jiǎng)?chuàng)新和提升并能夠把新的思路、方法轉(zhuǎn)化成具體的實(shí)驗(yàn)操作。最后，通過嘗試、改進(jìn)，尋找解決途徑和方法。

9 致謝

本項(xiàng)目得到了遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張恩棟老師悉心指導(dǎo)，提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)幫助。感謝學(xué)校的老師、父母、朋友、同學(xué)的幫助，使我克服困難、完成實(shí)驗(yàn)。

（作者單位：大連理工大學(xué)附屬高中）