微藻对中水深度处理的效果研究

2019-09-23宋培学王怡宋宾刘艺袁丹青

枣庄学院学报 2019年5期

宋培学，王怡，宋宾，刘艺，袁丹青

(枣庄学院城市与建筑工程学院，山东枣庄 277160)

0 引言

中国作为全球十三个贫水国之一，水资源短缺问题十分严峻的同时水环境污染状况严重[1].关于微藻生物处理技术在污水处理方面的应用研究已经进行了半个多世纪，微藻生物处理工艺在20世纪50年代首先被Oswald等提出，微藻不仅有很强的氮磷吸收能力还能很好的富集重金属，能够处理一定含量的有毒无机盐[2～4].藻类生物技术在我国已经有了一定的研究基础，在市场上也有了可观的生产规模，微藻在污水的深度处理的进一步资源化利用方面具有很大的发展潜力.枣庄学院污水处理厂处理的废水多为生活污水，水中氮磷含量较高.本研究选用普通小球藻、莱茵衣藻和栅藻,利用微藻吸收中水的氮磷，使出水中氮磷含量符合一级A的排放标准.本实验旨在对比研究小球藻、衣藻和栅藻对污水处理厂中水的氮磷含量的影响.

1 实验

1.1 主要仪器与试剂：

表1 实验仪器

1.2 主要试剂：

中水：山东省枣庄学院污水处理厂中水.

藻种：小球藻、莱茵衣藻和栅藻(取自中国科学院武汉水生生物研究所藻种库).

培养基：将1 L灭菌后的超纯水放置至室温，加入1 mL营养液.

2 实验步骤

2.1 微藻的培养

将2mL小球藻、衣藻和栅藻的藻种在净化工作台上接种在150 mL培养基中,在光照培养箱中培育微藻，设置温度为25℃，光暗比为12h:12h，采用4级光照强度.

2.2 确定最适中水比例

将枣庄学院污水处理厂的中水经121℃灭菌20 min，并与超纯水和培养基分别按照1:1，1:4，4:1比例混合，在250 mL锥形瓶中混合成200 mL混合液，以培养基作为对照组，接种1 mL微藻，用3层经过紫外线杀菌的纱布封口，每日摇晃2-3次，防止微藻沉淀.在光照培养箱中经一周的培养观察，比较其生长状况，发现中水与超纯水1:1比例的混合液中微藻长势最好.

2.3 微藻处理中水

将灭菌后放置至室温的1 L中水放入2 L的量筒中，再加入1 L超纯水，中水和超纯水按照1:1的比例混合，用经紫外线消毒后的纱布罩在量筒上，防止异物落入量筒中，每种微藻做三组平行样，分别接种10 mL小球藻、衣藻和栅藻藻种，微藻初始浓度约为3×105ind/mL，在自然条件下一次性培养，温度为25℃，每2个小时用玻璃棒搅拌一次，每隔48 h用移液管取水样100 mL水样并经砂芯过滤器真空抽滤.实验周期为2周，通过数据对比分析研究3种微藻对水样中氮磷的处理效果和微藻的生长情况，测定指标和测定方法如表2所示.

表2 测定指标与测定方法

3 数据分析

3.1 微藻数量浓度分析

微藻的生长情况如图1所示：

图1 微藻生长的密度

微藻可以通过光合作用有效且低成本的去除水体中的氮、磷等营养物质以促进自身生长繁殖.衣藻、栅藻和小球藻的接种密度密度约为3×105ind/mL.总体来看微藻密度呈现逐步上升趋向，衣藻和栅藻的长势大致相同，培养至第11天为接种密度的6.7和6.5倍.小球藻的环境适应强，光合作用强，培养至第5天时增长迅速，为初始浓度的5.6倍，11天后为初始浓度的9.1倍.中水中微藻们的生长状况良好，小球藻的密度明显高于衣藻和栅藻的密度.

3.2 磷酸盐含量分析

磷酸盐的浓度变化如图2所示：

图2 磷酸盐的浓度

微藻通过底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化三种途径，使得磷酸盐转化成磷脂储存在细胞内[5].整体看，中水中磷酸盐的含量逐渐降低，小球藻和衣藻中磷酸盐浓度曲线变化大致相同，前7天，磷酸盐浓度降低速度最快，成正比例下降，小球藻和衣藻对中水中磷酸盐去除率分别达到92.5%、94.5%，培养至第9天，磷酸盐的去除率最大，达到97%、96.2%.9天后磷的含量稍微升高但趋于稳定，培养至11天后，磷酸盐的去除率分别为93%、92.6%.栅藻对中水中磷酸盐的去除率逐渐增大，培养至11天后，磷酸盐的去除率分别为84%.小球藻和衣藻对中水中磷酸盐的去除率优于栅藻.图中磷酸盐的含量上升的原因可能是由于在低氮低磷的情况下，微藻生长受到抑制，活性较低的微藻逐步死亡，使得磷酸盐含量升高.

3.3 氨氮含量分析

氨氮浓度变化如图3所示：

图3 氨氮浓度

三种藻对中水中氨氮的去除率如图3-6所示.从图可以看出，培养至第3天，中水中氨氮浓度都降低，氨氮去除率约为22%，培养至第5天氨氮浓度都上升，上升原因可能是由于氨化作用和固氮作用，水样中的有机氮转化成氨氮以及微藻可将空气中的氮气固定.培养至第11天，小球藻、衣藻和栅藻对中水中氨氮去除率分别约为65%、30%、22%.小球藻对中水中氨氮的去除率优于衣藻和栅藻.

3.4 亚硝酸盐氮含量分析

亚硝酸盐氮的浓度变化如图4所示：

图4 亚硝酸盐氮的浓度

三种藻对中水中亚硝酸盐氮的去除率如图4所示.总体看小球藻和衣藻对中水中亚硝酸盐氮的去除率相似，中水中亚硝酸盐氮浓度先上升后下降，栅藻对中水中亚硝酸盐氮的去除率效果不明显，培养至11后，小球藻、衣藻和栅藻对中水中亚硝酸盐氮的去除率分别为32%、75%、17%.因为水样中亚硝酸盐氮的初始含量较低，该浓度差异在误差范围之内.

3.5 本章小结

微藻将水作为电子供体，以二氧化碳和溶液中的碳酸盐作为碳源，将氮磷作为营养物质在叶绿体内进行光合作用产生O2并合成自身所需的细胞物质如：氨基酸、蛋白质和磷脂等.还可以生产丰富的生物质，产生多种附加产品以及生物燃料[6].

藻类光合作用方程式:

经过11天的培养观察，小球藻、衣藻和栅藻的密度为接种密度的9.1、6.7、6.5倍，小球藻的长势较好；磷酸盐的去除率分别为93%、92.6%、84%，小球藻去除中水中磷酸盐的效果较优；氨氮的去除率分别为65%、30%、22%，小球藻去除中水中氨氮的效果较优；亚硝酸盐氮的去除率分别为32%、75%、17%，衣藻去除中水中亚硝酸盐氮的效果较优.整体看：小球藻对中水的脱碳除磷效果最好，其次是衣藻.氮的含量变化不稳定，可能与同化、氨化、硝化作用和微藻固氮作用有关[7].结果显示：用中水养殖微藻，不仅可以有效去除氮磷含量防止水体富营养化还可以获得大量微藻，取得一定经济效益[8].