小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)對含油廢水強化處理機理

許華林，葉 暉

(深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518000)

廢水的高效處理對全球水資源和環(huán)境的保護與開發(fā)利用具有重要意義[1]。近年來，生活和工業(yè)廢水中含油廢水不斷增多，這些廢水的高效處理成為了當前水處理過程中的難題之一。水體中的油脂會封閉水面，造成水體中的生物缺氧致死，分散性的小油脂顆粒(粒徑小于10 μm)會黏附在微生物的細胞膜外表面，堵塞其生物代謝通道，從而抑制其活性[2]。根據(jù)廢水中油脂的含量和狀態(tài)通常有離心、重力分離、酸化、乳化、絮凝、過濾等物理化學處理方法，但這些方法通常比較昂貴或者無法去除徹底，如超濾法處理含油廢水時高效穩(wěn)定沒有二次污染，但是油污和其他污染物會黏附在膜表面，增加膜阻力，降低超濾膜的使用壽命[3]。

生物的方法由于高效廉價而被應用最多[4]。例如膜生物反應器(MBR)法可以對石油類廢水起到很好的凈化效果，對油脂和COD的去除率可以達到60%～90%[5]。劉少北等[6]使用紫外誘導等手段得到的特效除油細菌可以強化原有的生物方法的處理能力。除了微生物，植物也可以用來處理含油廢水，利用蘆葦、香蒲、海壽花構建的人工濕地處理含油廢水可以對油脂達到96%～98%的去除率[7]。目前，活性污泥法和其衍生工藝是含油廢水的主要處理方法，但是這些方法主要依靠異養(yǎng)細菌的有氧代謝活動，油脂的封閉作用通常會導致處理速率變慢和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

微藻能高效去除廢水中的氮磷和COD等污染物，并且其細胞可以作為有價值的資源回收[8]。而利用微藻與細菌聯(lián)合處理生活和工業(yè)廢水可以大幅提高處理能力，菌藻之間存在互利共生關系，微藻可以提供氧氣和有機營養(yǎng)物質，而細菌可以為微藻提供二氧化碳和氮磷等無機物，其聯(lián)合處理能力往往高于單獨一種[9]。目前，利用菌藻共生集團處理市政和養(yǎng)殖廢水已經取得了很多成果，技術也趨于成熟[10-11]。

使用菌藻共生系統(tǒng)處理含油廢水的研究很少見到相關報道，利用菌藻在水環(huán)境中的互利共生的關系，可以消除或者減輕水面封閉和細胞表面堵塞帶來的不利影響，提高處理能力。本文針對菌藻互利共生的優(yōu)勢與含油廢水的特點，重點比較了菌藻共生系統(tǒng)和單純的小球藻或者活性污泥系統(tǒng)對含油廢水中主要污染物的處理能力，并對菌藻共生系統(tǒng)中處理能力的強化機理進行了深入探究。

1 試驗材料和方法

1.1 材料與儀器

試驗材料包括食用油、城市生活污水廠初沉池出水、二沉池活性污泥、小球藻(Chlorellavulgaris)、納氏劑、濾紙。試驗儀器包括分光光度計(上海美析UV-1800)、溶解氧測量儀(上海雷磁JPSJ-605F)、紅外測油儀(北京飛翔賽思FLY6800)、高速離心機(湖南平凡科技PF-15)、光照培養(yǎng)箱(上海仙象EYH-C150)、便攜式水質測定儀(北京優(yōu)譜UPW-T700C)、pH計(上海雷磁PHSJ-5)、磁力轉子攪拌器(上海達姆MS-305)、抽氣泵(上海皓昕SHZ-DIII)、高壓滅菌鍋(杭州亞旭MLS-3780)、光學顯微鏡(上海豫光WMS-1033)。

1.2 含油廢水的配制

含油廢水使用污水處理廠初沉池出水，經中速濾紙抽濾后120 ℃滅菌，添加約0.5 g/L的食用油配置而成，其成分如表1所示。

表1 合成含油廢水中主要污染物含量

1.3 菌藻共生系統(tǒng)的培養(yǎng)

活性污泥取自城市污水處理廠二沉池，8 000 r/min離心后再用去離子水浸泡12 h, 再次離心后使用。小球藻購買自中科院水生生物研究所，使用BG11培養(yǎng)基擴增后離心，去離子水浸泡12 h，再次離心后使用。試驗采用錐形瓶開口放置在磁力攪拌器上后放入光照培養(yǎng)箱，純小球藻和活性污泥系統(tǒng)中均采用100 mg/L，菌藻系統(tǒng)中小球藻和活性污泥分別為60 mg/L和40 mg/L。試驗采用24 h持續(xù)光照，溫度為28 ℃，轉速為1 000 r/min，每隔12 h取樣一次，樣本離心后取上清液在4 ℃冰箱保存，取樣后直接在錐形瓶內測定溶解氧(DO)含量。

1.4 測定方法

2 結果與討論

2.1 水體中油脂的去除

試驗中添加的植物油屬于大分子脂肪酸，在微生物分解時往往先將其分解為小分子再進行去除[15]。如圖1所示，在單獨活性污泥體系中，由于缺氧和油脂的閉塞作用，活性污泥的活性受到了抑制，油脂幾乎沒有去除。在菌藻系統(tǒng)中，油脂的去除明顯優(yōu)于單獨的小球藻，從處理一開始這種趨勢就很明顯，最終菌藻系統(tǒng)中油脂的去除率達到了85.8%，而小球藻系統(tǒng)的去除率為47.8%。兩者出現(xiàn)較大的差異可能是因為菌藻系統(tǒng)中有的細菌可以將大分子的油脂進行分解，有助于小球藻對其去除。

圖1 3個體系中廢水中油脂的去除情況

如表2所示，在不同的去除油脂方法中，過濾和吸附效率最高(>95%)，但這些方法本身成本較高，在常規(guī)的廢水中很難大規(guī)模應用[3]。而氣浮法更多是應用于較高油脂濃度的廢水，且通過氣浮分離的含油濃縮廢水仍然需要進一步處理。曝氣生物濾池則需要大量能耗進行曝氣并定期更換載體，且在處理含油廢水時易于出現(xiàn)堵塞和出水水質不穩(wěn)定的情況。菌藻系統(tǒng)不僅能達到較高的油脂去除效率，經濟上也更有優(yōu)勢，利于大規(guī)模推廣應用。

表2 不同方法對油脂的去除率比較

2.2 廢水中其他污染物的去除

2.2.1 3種系統(tǒng)中COD的變化

廢水中的COD主要來自于后期添加的食用油，此外，水廠取來的廢水中也有一定濃度的有機物。試驗發(fā)現(xiàn)，活性污泥和小球藻對于COD都有出色的去除能力。圖2為不同體系廢水中COD的去除情況。

圖2 3個體系廢水中CODCr的去除情況

如圖2所示，在3個系統(tǒng)中，活性污泥對于水中的CODCr去除能力很低，在6 d內只去除了51 mg/L，去除率為8.6%，這可能是由于廢水中添加的活性污泥濃度太小(100 mg/L)，或者由于使用的轉子攪拌充氧，水面被油封閉[2]，水中缺氧，活性污泥無法完成有氧呼吸。小球藻和菌藻系統(tǒng)均對于COD表現(xiàn)出了出色的處理能力。前3 d兩者的處理速率接近，但是在第3～6 d，菌藻系統(tǒng)的處理速率明顯快于純粹的小球藻，最終菌藻系統(tǒng)中COD的去除率達到了77.9%，高于純藻系統(tǒng)中的61.0%。考慮到菌藻系統(tǒng)中的初始小球藻濃度只有純藻系統(tǒng)中的60%，因此，活性污泥中的細菌在COD的去除和促進小球藻吸收能力提高方面起到了關鍵的作用。

圖3 3個體系廢水中的去除情況

2.2.3 TN的去除

圖4 3個體系中廢水中TN的去除情況

如圖4所示，TN在活性污泥系統(tǒng)中去除率為32.1%，可能是在缺氧的情況下，活性污泥系統(tǒng)中出現(xiàn)了反硝化作用，反硝化過程中可以將水中的硝態(tài)氮轉變?yōu)榈獨馊コ齕22]。菌藻系統(tǒng)在處理TN時優(yōu)于純粹的小球藻系統(tǒng)，在試驗結束時，兩個系統(tǒng)中的去除率分別達到了79.1%和67.2%，最終的TN濃度均達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的二級標準(15 mg/L)。

2.2.4 TP的去除

如圖5所示，活性污泥系統(tǒng)中的TP幾乎沒有變化，活性污泥除磷是利用厭氧釋磷好氧吸磷的作用通過排泥進行排磷[23]，由于一直處于缺氧的狀態(tài)下，因此，活性污泥對廢水中的磷元素沒有基本沒有吸收。小球藻和菌藻系統(tǒng)均對其有很好的去除率，其中小球藻系統(tǒng)的去除率為86.3%，而菌藻系統(tǒng)為94.6%，在該系統(tǒng)中處理結束時，TP的濃度低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》二級排放標準(1 mg/L)。

圖5 3個體系中廢水中TP的去除情況

2.2.5 技術與經濟綜合比較

表3 活性污泥法與菌藻共生系統(tǒng)處理含油廢水時技術經濟比較

2.3 菌藻共生強化的機理

2.3.1 反應器層面的強化機理

足夠的DO對于活性污泥有氧呼吸和去除水中有機物十分關鍵，如圖6所示，活性污泥系統(tǒng)中的DO一直處于嚴重不足的狀態(tài)，因此，活性污泥的處理能力收到了嚴重制約。本試驗采用轉子旋轉曝氣，由于高濃度的油脂阻礙了空氣中的氧氣分子進入水中，致使出現(xiàn)了DO不足的情況。小球藻和菌藻系統(tǒng)中利用微藻的光合作用產生氧，使系統(tǒng)中的DO基本維持在6 mg/L以上，其中微生物的活性沒有受到太大影響。

圖6 廢水中DO的濃度變化

如圖7所示，在小球藻系統(tǒng)中，盡管DO濃度很高，但是由于液面被封閉，空氣中的二氧化碳無法進入水中，限制了微藻的光合作用[21]。而在菌藻系統(tǒng)中，由于有更多的細菌的存在，分解水中有機物產生二氧化碳，同時消耗微藻產生的氧氣，與微藻一起構成了一個內部的二氧化碳和DO的內循環(huán)[24]。此外，細菌分解會產生無機氮磷，將大分子有機物分解為小分子，這些都有助于微藻的吸收利用，菌藻系統(tǒng)在內部形成了一個互助互利的物質小循環(huán)，增強了反應系統(tǒng)的處理能力。

圖7 菌藻系統(tǒng)中的DO循環(huán)

2.3.2 細胞層面的互利共生的機理

如圖8所示，在光學顯微鏡下可以看到，盡管沒有使用載體固定，但是水中的細菌和小球藻還是形成了菌藻共生系統(tǒng)，細菌和微藻緊貼生長，這種方式有利于兩者之間的物質交換，這也說明了小球藻和細菌之間存在互助關系。活性污泥中的很多細菌都會分泌一些胞外物質，這些胞外物的絮凝黏附作用也成為了菌藻形成小團體的客觀條件[25]。

圖8 顯微鏡下菌藻系統(tǒng)

如圖9所示，分散的小油滴會貼附在細菌和小球藻表面，直接阻礙細胞和外界的物質轉移，而兩者貼附生長時可以直接進行物質互換，提高了效率的同時，最大概率上減少了油滴對其封堵造成的不利影響。此外，豐富的細菌種類可能有助于廢水中難分解物質被分解為小球藻易于轉化利用的成分[26-27]。

圖9 油脂封閉菌藻細胞表面

3 結論與展望

菌藻共生系統(tǒng)在含油廢水中表現(xiàn)出了更加出色的污染物去除能力，由于油脂對微生物封堵的不利影響，單純的小球藻和活性污泥系統(tǒng)處理能力受到抑制。

(1)成功構建了菌藻共生系統(tǒng)，強化了對含油廢水中的COD、油脂、氮磷等主要污染物的去除能力。

(2)小球藻和細菌形成的共生系統(tǒng)是共生能力提升的關鍵，兩者之間可以形成物質小循環(huán)，充分利用了兩個物種互補的代謝方式提高了整體的活性，從而提升處理能力。

本試驗為傳統(tǒng)的生物方法處理含油類廢水提供了一種升級改進的新選擇，揭示了菌藻共生系統(tǒng)在含油類廢水的處理中強化的機理。盡管菌藻系統(tǒng)在處理含油廢水時具有操控簡單，能耗低，出水穩(wěn)定的優(yōu)點，但是在放大的過程中依然面臨著很多挑戰(zhàn)，如大型反應器中光的傳導效率可能會降低，在長期運行過程中可能會出現(xiàn)生物入侵等，需要通過更多的小試和中試試驗探究和改良。