纤维材料固定化栅藻净化生活污水及其影响因素研究

高 斌， 成家杨， 崔 岩

(北京大学深圳研究生院环境与能源学院，广东深圳 518055)

近年来，我国城镇化进程发展迅速，城镇生活污水排放量持续增大。据中华人民共和国环境保护部统计，2014年城镇生活污水排放量占废水排放总量的71.3%，比2013年增加1.5%[1]。富含氮、磷的污水未经处理排放到河流、湖泊中，极易引起水体富营养化，破坏水生态系统。活性污泥法等常规污水处理工艺虽对大部分悬浮物和有机物去除效果良好，但对氮、磷等营养物质仅能同时去除20%～40%[2]。因此，对污水处理厂的二级出水进行深度净化十分必要。传统的污水深度净化方法主要有人工湿地、活性炭吸附、膜分离和化学混凝技术等，其基本原理可归纳为物理法、生物法和化学法。物理法和化学法均须消耗大量药剂材料，成本较高，且易产生二次污染[3-4]。而生物法利用水生生物的生长特点，对自然自净过程进行人工强化，不仅成本低廉，又可以减小二次污染的可能性，且收获后加以利用可生产高附加值产品，是一种经济高效的污水深度净化技术[5-7]。

微藻为自养型生物，以光能为能源，可利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质，从而实现净化污水的作用，日益受到研究人员的关注[8]。藻类生物膜法是通过藻细胞与载体之间存在的相互作用使得藻细胞固定到载体表面，利用藻细胞生长所形成的生物膜处理污水，是一种新型的污水脱氮除磷技术[9]。已有研究表明，利用藻类生物膜进行污水处理，可以有效去除污水中的氮、磷营养物质，有利于缓解受纳水体的富营养化问题[10-11]。郭莉娜研究了水华鱼腥藻在立体弹性载体上形成的藻膜对校园污水的净化效果，5 d时间内水华鱼腥藻对氨氮、总磷的最高去除率分别达79.36%、88.58%[10]。田忠峰等采用刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体，在静态试验下连续处理，第4天时刚毛藻藻膜系统对氨氮和正磷酸盐的去除率分别达96.81%、98.68%[11]。目前，藻类生物膜的制备是该技术推广应用的关键。研究表明，除藻种类型外，吸附载体的性质、表面粗糙度、表面结构等均对藻膜的形成产生不同程度的影响[12]。然而，目前的研究多集中于藻种的优选，对吸附载体的研究尚未深入。因此，本研究在实验室条件下，采用一种纤维材料作为栅藻的附着载体，研究藻细胞对该载体的附着效果，考察藻细胞年龄、饥饿处理及污水初始pH值对该藻膜系统脱氮除磷效果的影响，并利用该藻膜系统净化实际二级出水，以期为藻类生物膜的实际应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 人工污水 为避免实际污水中其他成分对试验结果的干扰，影响因素的研究采用人工污水，人工污水的组分及含量见表1，A5溶液的组分及含量见表2。人工污水的氮(NH4+)、磷(PO43-)初始浓度分别为18.0、2.3 mg/L。

表1 人工污水组分及含量

1.1.2 实际污水 实际污水取自广东省深圳市南山污水处理厂二沉池， 原水的水质指标： 总氮含量为11.9 mg/L，总磷

表2 A5溶液组分及含量

含量为0.84 mg/L，氨氮含量为1.46 mg/L，正磷酸盐含量为0.16 mg/L，pH值为7～8。所取污水经4.5 μm滤膜过滤悬浮固体后使用。

1.1.3 试验藻种及载体 试验选用栅藻(Scenedesmussp.)PKU AC174，取自北京大学深圳研究生院藻类新能源重点实验室，从深圳湾水域分离获得。基础培养基是BG-11培养基，其配方如表3所示。在无菌的操作条件下将藻种接种到含BG-11培养基的1 L锥形瓶中，用无菌膜封好瓶口，置于温度为(25±1) ℃、光暗比为12 h ∶12 h、光照度为3 000～4 000 lx 条件下的摇床中培养待用[13]。试验选用纤维材料作为固定化载体，裁剪成长4 cm、宽2 cm、厚0.2 cm的小块，用锡纸包好后进行灭菌处理备用。

1.2 试验方法

1.2.1 藻细胞的固定 将裁剪好并经灭菌处理的纤维材料置于培养藻的锥形瓶中，让材料悬浮在藻液之中，培养约1周后纤维材料表面有气泡出现，说明藻膜在材料上初步形成。

1.2.2 材料及藻膜扫描电镜试验 分别将藻细胞附着前后的材料裁成小块，置于2.5%戊二醛溶液中，静置2 h以上固定。样品漂洗后，分别用30%、50%、70%、80%、90%体积分数的乙醇脱水，每个梯度静置10 min，再用纯乙醇脱水3次，每次15 min。用保鲜膜封存后放入冷冻干燥机内真空干燥[14]。扫描电镜观察前对样品进行喷金处理，再置于样品台上用扫描电子显微镜观察材料的结构及藻膜情况。

1.2.3 藻细胞不同生长时期对氮磷去除率的影响试验 根据悬浮栅藻的生长周期，分别取指数末期及稳定期的藻细胞进行固定化，另取空白纤维材料作为对照组。按 4片/L 将载体置于人工污水中，比较藻细胞不同生长时期形成的藻膜对氮、磷去除效果的影响。

1.2.4 饥饿处理对氮磷去除率的影响试验 采用稳定期的藻细胞进行固定化，将挂膜后的载体悬浮于NaHCO3溶液中，分别经0、24、48、72 h饥饿处理后，按 4片/L 将载体置于人工污水中，比较不同饥饿时间的藻膜对氮、磷去除效果的影响。

1.2.5 污水初始pH值对氮磷去除率的影响试验 用 0.1 mol/L HCl或NaOH溶液调节人工污水初始pH值分别为5、6、7、8、9。将材料放入稳定期藻液中进行挂膜处理后，按 4片/L 将载体置于人工污水中，比较不同初始pH值对藻膜脱氮除磷效果的影响。

1.2.6 对实际二级出水的脱氮除磷试验 取1 L经4.5 μm滤膜过滤处理后的实际污水于锥形瓶中，在最优条件下用 4块挂膜载体对污水进行处理，每天定时取样测定氮、磷指标。以上试验均在(25±1) ℃、光暗比为12 h ∶12 h、光照度为 3 000～4 000 lx条件下进行。以上处理均设3个重复，试验数据为3个重复的平均值。

1.2.7 水质测定 以上各项试验均将取样污水离心10 min，去掉可能脱落的藻细胞，用0.45 μm滤膜过滤上清液，测定氮、磷含量。相关测定均采用国家环境保护总局颁布的标准方法[15]，氨氮含量测定采用纳氏试剂分光光度法，正磷酸盐含量采用钼锑抗分光光度法，总氮含量测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷含量测定采用钼酸铵分光光度法。

2 结果与分析

2.1 材料结构及微藻附着

载体的主要作用是容纳附着微生物，为微生物提供栖息和繁殖的稳定环境。由图1可知，藻细胞附着后载体材料整体呈绿色，表面及内部孔隙都附着了大量藻细胞，且经过水浸泡后，形态并未发生改变。将材料处理后用电镜扫描，由图2-a 可知，载体材料由丝状结构缠绕而成，丰富的内表面为藻细胞提供了巨大的附着空间，有利于保持较高的藻细胞量。藻细胞在载体表面的附着情况如图2-b所示，藻细胞利用与载体之间的相互作用以及在代谢分泌物的黏性作用下，附着在载体的条形结构上，该结构之间存在的孔隙有利于气、水和藻细胞之间的充分接触，提高藻细胞对污水的净化能力。

2.2 藻细胞不同生长时期对氮磷去除率的影响

由图3可知，空白的载体材料对污水中氨氮的去除率影响不大，在1 d后有所波动的原因可能是含氮物质在载体表面有少量附着，随后又脱落溶解在溶液中。这说明载体材料自身并没有吸收氨氮的作用，可认为氮的去除均是藻细胞的作用。附着在载体上的藻细胞对氨氮均表现出较好的去除率。其中，稳定期的藻细胞1 d后对氨氮的去除效率达 42.2%，高于指数末期藻细胞的33.4%。随后的4 d也始终保持着较高的去除率。这表明与指数期相比，稳定期的栅藻膜系统对氨氮的去除效果较好。由图4可知，经过5 d处理后，污水中正磷酸盐的含量下降。与氨氮的去除情况类似，稳定期的藻细胞表现出较高的去除率，5 d后时去除率达到 87.8%，高于指数末期的78.2%。以上结果表明，稳定期的藻细胞对氮、磷的吸收量较大。这与安晓雯等利用包埋法固定不同生长期栅藻所取得的研究结果[16]一致。

2.3 饥饿处理对氮磷去除率的影响

由图5可知，经饥饿处理的藻膜对氨氮的去除率均有不同程度的提升。其中，饥饿48 h组在5 d后对氨氮的去除率最高，达90.2%，饥饿72 h组次之，氨氮去除率为86.3%。由图6可知，与氨氮情况类似，饥饿48 h组在5 d后对磷酸盐的去除率最高，达89.3%，72 h组次之，去除率为84.5%。由此可见，适度的饥饿处理有利于藻细胞对氮、磷物质的吸收，提高净化污水的效率。研究证实，自然界的生物在遭到环境胁迫时，往往会降低生长速率，降低生物产量等。但一旦这种胁迫被解除，生物会表现出比之前更强的再生长能力，这就是超补偿作用[17-18]。在一定时间内将藻细胞置于缺乏氮、磷营养的环境下，再放入富含氮、磷的污水中，会引起藻细胞对这2种元素的过量吸收，起到提高净化效率的作用。但根据细胞的耐受力不同，最佳饥饿时间不尽相同。如本研究中饥饿 72 h 组的去除率要低于饥饿48 h组，这可能是因为饥饿时间过长，过度的营养缺乏导致藻细胞结构过分退化，正常的生理作用受到影响。所以，进行饥饿处理时，要根据生物的特点，确定适宜的饥饿时间才能达到最优的效果。

2.4 初始pH值对氮磷去除率的影响

由图7可知，当pH值为5时，氨氮的去除率在处理时间内均低于其他pH值水平。这表明，偏酸的环境不利于栅藻细胞对氨氮的吸收利用。在所测试的5个pH值水平中，在pH值为9时，即偏碱性环境下，氨氮的去除率最高，为 88.2%。由图8可知，与氨氮去除情况类似，处理时间内依然是碱性环境比酸性环境去除率高。当pH值为9时，去除率最高，为88.5%。总体来说，偏碱性的环境条件更有利于栅藻细胞的代谢作用。研究认为，pH值是通过影响碳酸盐平衡系统及不同形态无机碳的分配关系来影响藻类的生长代谢，进而影响其对氮、磷的吸收作用[19]。但值得注意的是，藻细胞对生存环境的pH值有一定的适应范围，在恰当的范围内，藻细胞可以通过自身的调节适应不同pH值水平对自身带来的影响[20]。超过这一范围后，藻细胞会受到伤害。因此，根据藻细胞的生长特点，调节污水的初始pH值，更有利于藻细胞的脱氮除磷作用。

2.5 藻膜对实际二级出水脱氮除磷效果

选用稳定期、经48 h饥饿处理后的固定化藻细胞，对实际二级出水进行净化处理。各污染物的质量浓度随时间的变化如表4所示。经过5 d处理后，总氮的质量浓度由 11.9 mg/L 降至1.86 mg/L，去除率为84.4%。总磷的质量浓度由 0.84 mg/L 降至0.11 mg/L，去除率为86.9%。氨氮的质量浓度由1.46 mg/L降至0.04 mg/L，去除率达到 97.3%。正磷酸盐的质量浓度由0.160 mg/L降至 0.010 mg/L，去除率为93.8%。以上结果表明，该藻膜系统对实际二级出水可起到进一步脱氮除磷的作用，且处理效果并未因污水中的其他成分受到明显影响，表现出较强的适应性。

表4 实际污水中污染物随时间变化

3 结论与讨论

利用纤维材料固定柵藻，其自身疏松多孔的结构为栅藻附着提供了巨大的比表面积，有利于增大藻细胞吸附量，从而增强脱氮除磷效果。对比不同生长时期和生长环境的微藻脱氮除磷效果，结果表明，稳定期藻细胞形成的藻膜系统对污水中氮、磷的吸收作用较好；适当地饥饿处理会提高藻膜对污水中氮、磷营养盐的吸收，提高净化效率，但饥饿时间过久会带来反作用；污水初始pH值较低，即酸性较强时，藻细胞脱氮除磷作用减弱，偏碱性的环境会有利于藻细胞的脱氮除磷作用。该藻膜系统对实际二级出水具有良好的适应性，并在较短的时间内对污染物达到良好的处理效果。上述结果表明，利用藻类生物膜去除生活污水中的氮、磷污染物具有较大的应用潜力，但本试验只探讨了在静态条件下该藻膜系统的脱氮除磷效果，在动态过程中的处理效果是否理想还有待于进一步研究。

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