基于海洋菌藻系統對海水沖廁污水的處理研究

摘 要：為了研究海水沖廁污水的最佳處理方法，本文建立了新的海洋細菌藻類系統，對營養物質去除和微生物生物量生產以及兼性異養除碳進行了分析。結果表明：菌藻系統中的細菌和藻類是互惠的，其營養物質去除和生物量生產力均優于單個藻類和細菌系統的總和。藻類系統對銨的吸收效果高于細菌系統，而細菌系統中的海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）可以增強銨的去除效果，同時微藻生物量的生產力高于污水處理，與城市污水處理結果基本相同，其產生的生物量富含蛋白質，可轉化為生物原油，作為生物燃料的原料。菌藻系統中的互惠關系可有效去除碳和營養物質，保證有機碳被細菌利用，避免有機物過量導致出水水質惡化。

關鍵詞：菌藻系統；污水處理；生物量；兼性異養

中圖分類號：X 24 " 文獻標志碼：A

海水沖廁是緩解沿海地區淡水壓力的重要替代方案，然而，海水黑水富營養化、鹽度高，給城市污水處理帶來了極大的挑戰。城市污水處理目前主要集中在去除元素和達到排放標準，將營養物質的回收和生物質的生產作為潛在的生物燃料原料，是一種以資源為導向的廢水處理方案。為探求最合理的方案，本文建立新的海洋細菌藻類系統，對海水沖廁污水的處理進行了研究，對營養物質去除和微生物生物量生產以及兼性異養除碳進行了分析。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料

本研究采用合成海水黑水作為試驗廢水，該廢水為廁所沖洗污水。本次研究的污水參數如下。PO4-P：38mg/L（K2HPO4

為P源）。NH4+-N：220mg/L（NH4Cl為N源）。COD：1640mg/L（葡萄糖和乙酸鈉為C源）。微量元素溶液：Na2DEAT為66.2g/L、

CaCl2為5.7g/L、ZnSO4·7H2O為4.1g/L、FeSO4·7H2O為5.2g/L、NaMoO4·2H2O為1.02g/L、CuSO4為1.04g/L、CoCl2·6H2O為1.67g/L，用HCl和NaOH將pH調節至7.5，合成廢水的鹽度為3.1%。

1.2 研究方法

在裝有1.2L合成廢水的照明培養箱中設置一個帶有透氣密封膜（保證氣體自發交換）的圓柱形玻璃瓶（1.5L），將其作為光生物反應器（PBRs）（圖1）。為了驗證海水應用廢水節能的處理方法，在28℃的光培養箱中，在靜態狀態下進行所有批次試驗，不提供O2和CO2，明暗循環分別控制在14h和10h，用95μmol/（m2·s）的光照對生物反應器的3個側面進行環化，用去離子水洗滌兩次后，在生物反應器系統中培養藻類細胞。

在生物反應器系統中接種最佳的活化細菌液體，通過分批試驗研究藻類和細菌的初始接種濃度。

為了區分和研究細菌和微藻對碳和營養物質去除以及微生物生物量產生的功能，通過接種在相同PBRs中的單一培養物來構建另外兩個單一生物系統（僅藻類和僅細菌），每個單獨系統的接種物濃度、合成廢水和操作參數都與聯合系統相同。

為了獲得能代表整個系統（包括流出物和生物質）的樣品，在取樣前充分搖晃瓶子，同時收集反應器中的每個樣品，并用10000r/min離心12min，將其分離為上清液和沉積物，用于水質測定（上清液）和微生物生物量（沉積物）。所有玻璃器皿和培養基均在120℃的環境下高壓滅菌22min，以避免在試驗設置過程中受到藻類和細菌的潛在污染。

分別用氧電極和pH電極常規測量溶解氧（DO）和pH，采用標準方法測定總磷（TP）、化學需氧量（COD）、總氮（TN）和銨態氮。通過AgNO3預處理來去除Cl來測量COD，分析之前，用0.24mm過濾器過濾液體樣品來去除微藻細胞和其他顆粒。

2 研究結果與分析

2.1 營養物質去除和微生物生物量生產

營養物質的去除受pH的影響，pH變化導致氨揮發和磷沉淀。在藻類系統中，由于過度消耗CO2和藻類嗜堿性，因此pH會從7.5增至9.3，pH過高可能會抑制微生物的生長，不利于水的再利用，添加化學試劑或向調節的pH提供額外的O2或CO2在環境和經濟上均不可行。海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）對寬pH（5.5～9）具有適應性，可以將細菌系統和藻類細菌系統的pH分別維持在8.4和8.8，可以推斷兩性的細菌胞外聚合物（EPS）分泌并調節溶液pH。結果表明，海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）在藻類細菌系統中具有將培養基pH調至9以下的能力，這對保證出水標準和生物量產量具有重要意義[1]。

如圖2所示，營養物質去除和生物量產生體現了藻類細菌系統的性能優于單個系統的總和，表明系統中的細菌和藻類是互惠的。與單個系統（分別為140.5mg/L和35.5mg/L）相比，去除了約177.5mg/L的銨態氮（NH4+-N）和37.8mg/L的總磷。對碳來說，這種模式與去除營養物質不同，細菌系統對營養物質的清除能力在最初階段性能優異，去除效率為97.6%，但隨后釋放，藻類細菌系統性能最佳，最終濃度可以降至21.23mg/L。

如圖2（a）所示，在最初的6.5d中，藻類系統幾乎沒有去除銨，而細菌系統中NH4+-N的濃度急劇降至159.9mg/L。

然而，藻類系統對銨的吸收量為83.6mg/L，最終高于細菌系統的55.96mg/L。硝酸鹽是顫藻（S.platensis）的最佳氮源，但工業廢水中的氮主要以銨的形式存在，高濃度的銨對藻類有毒，導致藻類生長受限甚至死亡[2-3]。藻類系統中銨去除的滯后性：在試驗開始階段，少量的藻類細胞無法承受高濃度的銨，顫藻（S.platensis）吸收磷作為生物質生長和生物合成的能量儲存。在有利的能量狀況下，當藻類生物量足夠多時，銨作為營養物質可以用于藻類生長而不是抑制藻類生長，而海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）能夠有效地脫氮，并可以耐受高濃度的銨（1600mg/L），在嚴格的好氧條件下生長。因此細菌系統中的海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）可以增強銨的去除效果，尤其是在前6.5d，去除氮主要跟藻類吸收有關。

磷與氮的去除趨勢不同，在前2.5d，藻類系統（32.8mg/L）

和藻類細菌系統（29.5mg/L）去除趨勢顯著降低，如圖2（b）所示，藻類表面堿性微區隨著生長會沉淀，會生成約10.4mg/L

的磷。COD的去除結果與營養物降解不一致，即細菌系統在早期階段可以有效去除碳，但對缺碳的營養物去除無效，這表明，如果沒有外部碳添加單細菌系統，那么海水黑水中的碳和營養物質就無法同時存在。在這種藻類細菌系統中，顫藻（S.platensis）是一種混合營養藍藻，它可以合成一定水平的溶解有機碳，用于細菌利用。

對微生物生物量的生產來說（表1），藻類細菌系統生物量的生產量為4.45g/L，高于單個系統的總生物量（3.92g/L），

單個和群落總和間的生物量差異表明，經過調節和適應6.5d，藻類和細菌間的關系從競爭變為互利共生（圖3）。微藻80.6mg/L的生物量生產力高于污水處理。含鹽廢水中營養物質的可用性較低，輻射量也較低，因此藻類細菌系統的生物量生產力與城市污水處理結果基本相同。

表1總結了系統中的生物質組成。海洋弧菌可以將氮轉移到細胞的蛋白質中，藻類細菌系統中的蛋白質水平為65.1%（干重），研究表明，藻類細菌產生的生物量對氮的同化能力強且富含蛋白質，高蛋白質可以通過水熱液化轉化為生物原油。此外，它在單一和互惠系統中獲得的生物量都富含脂質。

藻類生物量的脂質含量高于培養基中的脂質含量，這說明在沒有生長抑制的情況下，脂質含量隨著鹽度的增加而增加，并且顫藻（S.platensis）的脂質含量不受氮源的影響。然而，在藻類細菌系統中獲得的生物質的碳水化合物產量較低，盡管藻類系統中碳水化合物的含量較高，但細菌并不富含碳水化合物。因此，利用新型海水回水處理生物系統的生物量產量除了具有環保意義外，還可以作為生物燃料的原料。

2.2 兼性異養除碳

顫藻（S.platensis）可以優先使用有機碳且呼吸速率較低，因此研究顫藻的系統兼性異養性能具有重要意義。

在不添加有機碳的封閉系統中，總氮和化學需氧量的水平變化不大，當化學沉淀時，磷含量略有下降，降至約31.2mg/L。在不含有機碳的開放體系中，總氮和總磷的去除量分別為74.6mg/L和23.2mg/L，而碳含量升至約31.2mg/L，顫藻可以利用空氣中的CO2進行光合作用，產生一定量的O2和有機物。與兼性異養系統（含有機碳開放系統）相比，含有機碳的封閉系統養分去除效率為36.8%（氮）和59.8%（磷），而系統中的碳已經耗盡，這表明，當抑制空氣中氧氣和CO2的利用時，碳不足會導致氮和磷的去除效果較低。

異養系統和兼性異養系統的化學需氧量（COD）的水平下降率相似，進一步表明，當廢水中的碳（無機和有機）短缺時，藻類可以優先利用有機碳和空氣中的CO2為細菌合成有機材料，相對經濟實惠的方法：高效活性污泥系統（HRAS）可以將廢水中的有機物除至能源生產過程中，但無法同時去除氮和磷。可以通過主流厭氧處理（厭氧MBR）、UASB（上流式厭氧污泥床）回收添加額外的碳，但須進行脫氮操作，并且在處理過程中少回收氮。海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）和顫藻（S.platensis）間的互惠關系不僅可以保證有效去除碳和營養物質，還能使一定水平的溶解有機碳被細菌利用，避免有機物過量導致出水水質惡化。

3 結論

本文建立了新的海洋細菌藻類系統，對海水沖廁污水處理進行了研究，并對營養物質去除和微生物生物量生產以及兼性異養除碳進行了分析，得出以下結論。1）在營養物質去除和生物量產生條件下，藻類細菌系統的性能優于藻類和細菌單個系統的總和，與單個系統的總和（分別為140.5mg/L

和35.5mg/L）相比，藻類細菌系統去除了約177.5mg/L的銨態氮（NH4+-N）和37.8mg/L的總磷，營養物質的去除效率為97.6%。2）海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）能有效脫氮，增強銨的去除效果，藻類和細菌的生長可使海水黑水中的磷沉淀，而微藻的生物量生產力高于污水處理，其生物量生產力與城市污水處理結果基本相同，藻類細菌產生的生物量因其對氮的同化能力強所以富含蛋白質，高蛋白質通過水熱液化轉化為生物原油，通過回收可作為生物燃料的原料。3）在不含有機碳的開放體系中，總氮和總磷的去除量分別為74.6mg/L和23.2mg/L，而碳含量增至約31.2mg/L，基于兼性異養系統，海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）和顫藻（S.platensis）間的互惠關系可有效去除碳和營養物質，并能保證溶解有機碳被細菌利用，以避免產生過量有機物而導致出水水質惡化。

參考文獻

[1]梁子陽，彭嘉敏，張泳純，等.低進水濃度CASS工藝沿程污染物去除特征及微生物群落變化[J].環境工程學報，2023，21（10）：1-12.

[2]鄭慧麗，李智力，田承濤，等.納米羥基磷灰石的制備及其在水處理中的應用研究進展[J].礦產綜合利用，2023，21（10）：1-17.

[3]秦娜，劉新民.改性硅藻土對污水中重金屬離子的吸附性能研究[J].礦產綜合利用，2023，21（10）：1-6.