發光填料對小球藻處理生活污水的研究

王柳鵬，薛振洲，陳昀暉，胡嘉俊，徐晨，詹健

(南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031)

在當今社會以可持續發展需求下，水處理技術也向著節能減排的方向發展。微藻良好的脫氮除磷能力，同時還能有效回收污水中的營養成分，現已成為污水處理中的重要研究方向[1-3]。然而懸浮藻類由于其個體只有3～8 μm，極易流失，不利于收集。有研究表明[2]，固定化技術在污水處理方面中的應用，使藻類反應器具有藻類密度高、反應速度快、系統運行穩定，且微藻細胞不易流失，產物易分離，能純化等優點。研究發現，當光經由光生物反應器入射至微藻懸浮液中時，由于微藻細胞對光的散射以及色素對光的吸收，還有細胞間的遮擋，使得微藻細胞懸浮液內光傳輸方向呈指數規律衰減，進而導致微藻細胞懸浮液中光強分布不均勻(即光衰減現象)[3]。

針對藻類的光衰減現象，本文利用發光填料固定化藻類，探討最優固定化條件及對污水中氨氮、總磷的去除效果和藻類生長情況。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

抗壞血酸、鉬酸銨、硫酸、酒石酸銻鉀、磷酸二氫鉀、碘化鉀、氯化汞、碘化汞、酒石酸鉀鈉、氯化銨、硝酸鈉、硫酸鋅、氯化鈣、檸檬酸、碳酸鈉、硫酸銅、鉬酸鈉、硼酸、氯化錳、硝酸鈷、葡萄糖、淀粉、碳酸氫鈉、鋁酸鍶、碳酸鍶、氧化鋁、鋁酸鋇均為分析純；蛋白核小球藻(Chlorellasp.)，由武漢豐田生物科技有限公司提供；聚丙烯空心球填料(直徑為25 mm，比表面積為500 m2/m3)，由河南眾邦環保科技有限公司提供。

BL-2008型精密電子天平；PHS-25型pH計；UV765型紫外-可見分光光度計；SHZ-B型恒溫水浴振蕩器；YXQ-LS-75SⅡ型高壓蒸汽滅菌鍋；220 V LED燈帶；KT-818型紫外線固化燈；TGL-10C型高速臺式離心機。

1.2 生活污水配制

實驗用水和藻類馴化培養過程中所用水為人工合成污水[4]，其組成見表1。

表1 人工合成生活污水配方Table 1 The details of synthetic domestic wastewater

藥劑按表1重量稱重后，加入去離子水至1 L，攪拌，使得藥劑充分溶解于水中。人工污水的理論設計值分別為COD 400 mg/L，TN 40 mg/L，TP 5 mg/L。

1.3 小球藻培養

將小球藻接種至裝有200 mL BG11培養基的250 mL錐形瓶中，光強控制在4 000～6 000 lux，溫度為24～26 ℃，光暗比時長12∶12。每天定時搖晃3次錐形瓶，使小球藻不沉降在底部。隨著培養時間的增加以及細胞密度的增加，逐漸增加人工合成污水的比例，最終完全采用人工污水培養藻類。BG11培養基的主要成分見表2[5]。

表2 BG11培養基Table 2 BG11 medium

1.4 發光填料的制備[6-7]

三種發光材料的組成以及光譜特性見表3。按質量比3∶1將發光材料和UV滴膠混合，攪拌至液體無氣泡，然后使用羊毛刷均勻涂覆在聚丙烯空心球普通填料表面，利用紫外燈將其固化，分別制成黃綠發光填料、粉紅發光填料和天藍發光填料，見圖1。在使用LED燈短暫照射30 s之后，就能發出光源，且能持續1 min。

表3 三種發光材料材質組成和光譜特性Table 3 Composition of three luminescent materials

圖1 三種發光填料Fig.1 Effect diagram of three luminous fillers a.黃綠發光填料；b.粉紅發光填料；c.天藍發光填料

1.5 實驗方法[8]

實驗設置四組反應器(反應器體積為2 L，分別編號為1、2、3、4號)。將反應器置于磁力攪拌器上，并保持攪拌器處于低速均勻的攪拌狀態。進水用人工污水，且在整個實驗期間不換水。其中1號反應器投加普通填料，為對照組。其余三組為實驗組，分別加入不同的發光填料。每組反應器內填料的填充率約為系統有效容積的20%(v/v)，固定化方式為懸浮式固定。在每組反應器周圍設置相同的光源，在反應器外壁纏繞相同的LED光帶，光照強度均為4 000 lux，保持光照周期為12∶12。在整個實驗期間不進行換水，考察藻類在利用不同發光填料固定化下對水質的處理效果，期間每天定時取樣進行水質及葉綠素a分析。

在確定最佳發光填料之后與懸浮藻組進行脫氮除磷效果以及沉降性能對比。兩組反應器每天運行2個周期，以12 h作為一個反應周期。其中，進水 1 h，反應9 h，靜置1 h，排水1 h。靜置之后，進行手動排水，每次排水的體積為有效容積的50%，即水力停留時間為1 d。主要考察系統的穩定性、污水中的氨氮、總磷去除效果及沉降性。

1.6 測定方法

1.6.1 葉綠素a含量的測定 用移液槍吸取2 mL小球藻液，置于10 mL離心管中，于12 000 r/min離心5 min。用移液槍吸去上清液。藻餅于2 mL 80%丙酮中重懸浮，后用錫箔紙完全包裹10 mL離心管，并置于光線較暗處55 ℃水浴放置30 min。12 000 r/min 離心5 min。吸去上清液，轉移至 10 mL 刻度試管中，并用80%丙酮定容于5 mL，使用紫外分光光度計測定663 nm處的吸光值，測定結果按照CA=OD663/82計算出葉綠素a的含量(mg/L)。

1.6.2 氨氮的測定 納氏試劑光度法[9]，在波長420 nm處平行測定3次吸光度值，取平均值。標準曲線方程為y=5.433x-0.013 1，R2=0.999 2。計算出氨氮的濃度(mg/L)。

1.6.3 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法[10]，在波長700 nm處平行測定3次吸光度值，取平均值。標準曲線方程為y=2.011 1x-0.031 4，R2=0.999 3。計算出總磷的濃度(mg/L)。

2 結果與討論

2.1 發光填料的選擇

2.1.1 藻類處理系統內氨氮、總磷的去除效果對比 連續7 d在同一時間點測定反應器的水質，分析氨氮、總磷的濃度變化。三組反應器對氨氮和總磷的去除效果見圖2。

圖2 不同發光填料下氨氮和TP濃度變化情況Fig.2 Under different luminescent fillers，the concentration of ammonia nitrogen and TP changed

由圖2可知，三種發光填料固定化小球藻和普通填料固定化小球藻對污水都具有較好的去除能力。隨著反應時間的增大，氨氮和總磷濃度都逐漸降低，這是由于小球藻利用體內的谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶將系統內的氨氮轉化為氨基酸，供自己吸收；磷元素是細胞內的核酸、細胞膜以及能量儲存物所必不可少的東西，小球藻通過磷酸化將總磷轉化為體內的有機化合物。四組反應器內氨氮和總磷的濃度變化都呈一定的下降，其中黃綠發光填料效果最好，而普通填料組效果略差。四組反應器對氨氮的去除效率分別是78.27%，88.12%，83.35%，82.13%，系統內剩余氨氮的含量為8.64，4.78，6.88，7.25 mg/L。對總磷的去除率為74.9%，92.28%，86.67%，84.81%。系統內剩余TP含量為1.26，0.38，0.68，0.77 mg/L。氨氮和TP的去除效果是黃綠填料>粉紅填料>天藍填料>普通填料。三組投加發光填料的反應器內，小球藻對氨氮和總磷的去除效果均比投加普通填料的要好，這表明投加發光填料對氨氮和總磷的去除有一定影響。一方面是因為，在反應器內部進行補光，提高了內部小球藻的光合作用能力，更有利于對污水中營養物質的吸收；另一方面是因為小球藻具有趨光性，會向有光的地方遷移，發光填料能夠發出光源，吸引小球藻附著在填料上。附著在填料上的小球藻能夠提高其合成代謝活性，延遲衰老，并在一定程度上降低了藻類的分解代謝活性，大大提高了小球藻的生命活性。三種發光填料中黃綠發光填料處理氨氮和總磷效果最佳。

2.1.2 填料上葉綠素的含量 為確定發光填料是否更有利于小球藻的富集生長，實驗測定了四組反應器內填料上的葉綠素a濃度，結果見圖3。

圖3 填料上的葉綠素a濃度Fig.3 The concentration of chlorophyll a on the filler

由圖3可知，四組反應器上的葉綠素a的含量分別是145.54，232.18，212.66，193.23 μg/L，發光填料的葉綠素a含量均比普通填料的要高，發光填料有助于吸引小球藻，使得小球藻更易附著。同時，三種發光填料里面，黃綠發光填料的葉綠素a含量最大。分析原因是黃綠光增加了小球藻葉綠素的合成速率，葉綠素a含量在同一時間內產量更高。

綜合對生活污水中氨氮、總磷的去除效果以及填料上的葉綠素a含量，得出黃綠發光填料是固定化小球藻的最佳條件。

2.2 黃綠發光填料固定化小球藻和懸浮小球藻處理生活污水效果研究

2.2.1 發光填料固定化小球藻和懸浮藻液的小球藻生長情況及沉降性能 為對比固定化和懸浮藻小球藻在生活污水中的生長情況，實驗通過測定葉綠素a濃度來表征小球藻的生長情況。同時，為了考察兩組反應器內小球藻的沉降性能，每組反應器分別在上清液和懸浮液中取樣。固定化組和懸浮藻組的葉綠素a情況見圖4。

由圖4可知，兩組反應器中上清液的濃度均比懸浮液濃度要低。在實驗前期，兩組反應器的上清液和懸浮液之間的葉綠素濃度差距不大。從第3 d開始，兩組反應器中的葉綠素a濃度開始迅速增長，而且懸浮液濃度相對增長的更大，可知發光材料固定化小球藻有利于小球藻的生長繁殖。懸浮小球藻的上清液，葉綠素a含量占葉綠素a總量的42.9%；黃綠發光填料的上清液，葉綠素a含量占葉綠素a總量的25%。分析原因是：①小球藻易于附著在載體表面，由于藻細胞表面和載體材料表面間的范德華力和離子型氫鍵相互作用，兩者間的電位在載體與微藻的相互作用，小球藻富集在載體表面；②由于進行光合作用的小球藻會有趨光性，小球藻會被光源所吸引，向有光的位置遷移，所以更多的小球藻處于容器的中部，提高了藻類的沉降性，減少了小球藻的流失。因此，發光填料的投加有利于小球藻的生長繁殖，提高了小球藻的沉降性，減少藻類流失。

圖4 系統內上清液和懸浮液的葉綠素a濃度變化情況Fig.4 Changes of chlorophyll a concentrations in supernatant and suspension in the system

2.2.2 連續流運行下發光填料固定化小球藻和懸浮藻液的脫氮除磷效果 為考察發光填料固定化小球藻脫氮除磷的優勢以及系統穩運行的穩定性，實驗采用SBR運行方法，HRT為24 h，連續運行13 d，測進出水氨氮、總磷濃度，結果見圖5。

圖5 連續運行時氨氮和TP的濃度變化情況Fig.5 Changes in ammonia nitrogen and TP concenations during continuous operation

由圖5可知，在連續運行時，懸浮藻組和發光填料組內氨氮和總磷的濃度均呈大幅度下降。實驗前3 d，氨氮和總磷濃度不斷減少，到后期逐漸穩定在低濃度范圍內。懸浮組對氨氮和總磷的去除效率，后期基本穩定在79.25%，69.24%，平均濃度穩定在8.15，1.48 mg/L。而發光填料組，對氨氮和總磷的去除效率為89.42%，86.72%，平均濃度穩定在4.45，0.62 mg/L。由此可知，發光填料對脫氮除磷的效果比懸浮藻的效果更好。從第5 d開始，黃綠發光填料組在處理生活污水時，處理效果比較平穩，所以黃綠發光填料固定化小球藻處理生物污水具有長期的穩定性。

3 結論

小球藻最佳固定化條件為黃綠發光填料。黃綠發光填料組內小球藻的沉降性能更好，葉綠素a濃度也比懸浮小球藻組高，表明黃綠發光填料固定化可以減少小球藻流失，增加小球藻的生長繁殖和活性。

在連續流運行情況下，黃綠發光填料固定化小球藻去除氨氮、總磷效果比懸浮小球藻分別提高了10.17%，17.48%，投加黃綠發光填料的反應器內葉綠素a含量更多，且大部分小球藻位于反應器中部。