发光填料对小球藻处理生活污水的研究

2021-08-10王柳鹏薛振洲陈昀晖胡嘉俊徐晨詹健

应用化工 2021年7期

王柳鹏，薛振洲，陈昀晖，胡嘉俊，徐晨，詹健

(南昌大学建筑工程学院，江西南昌 330031)

在当今社会以可持续发展需求下，水处理技术也向着节能减排的方向发展。微藻良好的脱氮除磷能力，同时还能有效回收污水中的营养成分，现已成为污水处理中的重要研究方向[1-3]。然而悬浮藻类由于其个体只有3～8 μm，极易流失，不利于收集。有研究表明[2]，固定化技术在污水处理方面中的应用，使藻类反应器具有藻类密度高、反应速度快、系统运行稳定，且微藻细胞不易流失，产物易分离，能纯化等优点。研究发现，当光经由光生物反应器入射至微藻悬浮液中时，由于微藻细胞对光的散射以及色素对光的吸收，还有细胞间的遮挡，使得微藻细胞悬浮液内光传输方向呈指数规律衰减，进而导致微藻细胞悬浮液中光强分布不均匀(即光衰减现象)[3]。

针对藻类的光衰减现象，本文利用发光填料固定化藻类，探讨最优固定化条件及对污水中氨氮、总磷的去除效果和藻类生长情况。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

抗坏血酸、钼酸铵、硫酸、酒石酸锑钾、磷酸二氢钾、碘化钾、氯化汞、碘化汞、酒石酸钾钠、氯化铵、硝酸钠、硫酸锌、氯化钙、柠檬酸、碳酸钠、硫酸铜、钼酸钠、硼酸、氯化锰、硝酸钴、葡萄糖、淀粉、碳酸氢钠、铝酸锶、碳酸锶、氧化铝、铝酸钡均为分析纯；蛋白核小球藻(Chlorellasp.)，由武汉丰田生物科技有限公司提供；聚丙烯空心球填料(直径为25 mm，比表面积为500 m2/m3)，由河南众邦环保科技有限公司提供。

BL-2008型精密电子天平；PHS-25型pH计；UV765型紫外-可见分光光度计；SHZ-B型恒温水浴振荡器；YXQ-LS-75SⅡ型高压蒸汽灭菌锅；220 V LED灯带；KT-818型紫外线固化灯；TGL-10C型高速台式离心机。

1.2 生活污水配制

实验用水和藻类驯化培养过程中所用水为人工合成污水[4]，其组成见表1。

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

药剂按表1重量称重后，加入去离子水至1 L，搅拌，使得药剂充分溶解于水中。人工污水的理论设计值分别为COD 400 mg/L，TN 40 mg/L，TP 5 mg/L。

1.3 小球藻培养

将小球藻接种至装有200 mL BG11培养基的250 mL锥形瓶中，光强控制在4 000～6 000 lux，温度为24～26 ℃，光暗比时长12∶12。每天定时摇晃3次锥形瓶，使小球藻不沉降在底部。随着培养时间的增加以及细胞密度的增加，逐渐增加人工合成污水的比例，最终完全采用人工污水培养藻类。BG11培养基的主要成分见表2[5]。

表2 BG11培养基Table 2 BG11 medium

1.4 发光填料的制备[6-7]

三种发光材料的组成以及光谱特性见表3。按质量比3∶1将发光材料和UV滴胶混合，搅拌至液体无气泡，然后使用羊毛刷均匀涂覆在聚丙烯空心球普通填料表面，利用紫外灯将其固化，分别制成黄绿发光填料、粉红发光填料和天蓝发光填料，见图1。在使用LED灯短暂照射30 s之后，就能发出光源，且能持续1 min。

表3 三种发光材料材质组成和光谱特性Table 3 Composition of three luminescent materials

图1 三种发光填料Fig.1 Effect diagram of three luminous fillers a.黄绿发光填料；b.粉红发光填料；c.天蓝发光填料

1.5 实验方法[8]

实验设置四组反应器(反应器体积为2 L，分别编号为1、2、3、4号)。将反应器置于磁力搅拌器上，并保持搅拌器处于低速均匀的搅拌状态。进水用人工污水，且在整个实验期间不换水。其中1号反应器投加普通填料，为对照组。其余三组为实验组，分别加入不同的发光填料。每组反应器内填料的填充率约为系统有效容积的20%(v/v)，固定化方式为悬浮式固定。在每组反应器周围设置相同的光源，在反应器外壁缠绕相同的LED光带，光照强度均为4 000 lux，保持光照周期为12∶12。在整个实验期间不进行换水，考察藻类在利用不同发光填料固定化下对水质的处理效果，期间每天定时取样进行水质及叶绿素a分析。

在确定最佳发光填料之后与悬浮藻组进行脱氮除磷效果以及沉降性能对比。两组反应器每天运行2个周期，以12 h作为一个反应周期。其中，进水 1 h，反应9 h，静置1 h，排水1 h。静置之后，进行手动排水，每次排水的体积为有效容积的50%，即水力停留时间为1 d。主要考察系统的稳定性、污水中的氨氮、总磷去除效果及沉降性。

1.6 测定方法

1.6.1 叶绿素a含量的测定用移液枪吸取2 mL小球藻液，置于10 mL离心管中，于12 000 r/min离心5 min。用移液枪吸去上清液。藻饼于2 mL 80%丙酮中重悬浮，后用锡箔纸完全包裹10 mL离心管，并置于光线较暗处55 ℃水浴放置30 min。12 000 r/min 离心5 min。吸去上清液，转移至 10 mL 刻度试管中，并用80%丙酮定容于5 mL，使用紫外分光光度计测定663 nm处的吸光值，测定结果按照CA=OD663/82计算出叶绿素a的含量(mg/L)。

1.6.2 氨氮的测定纳氏试剂光度法[9]，在波长420 nm处平行测定3次吸光度值，取平均值。标准曲线方程为y=5.433x-0.013 1，R2=0.999 2。计算出氨氮的浓度(mg/L)。

1.6.3 总磷的测定钼酸铵分光光度法[10]，在波长700 nm处平行测定3次吸光度值，取平均值。标准曲线方程为y=2.011 1x-0.031 4，R2=0.999 3。计算出总磷的浓度(mg/L)。

2 结果与讨论

2.1 发光填料的选择

2.1.1 藻类处理系统内氨氮、总磷的去除效果对比连续7 d在同一时间点测定反应器的水质，分析氨氮、总磷的浓度变化。三组反应器对氨氮和总磷的去除效果见图2。

图2 不同发光填料下氨氮和TP浓度变化情况Fig.2 Under different luminescent fillers，the concentration of ammonia nitrogen and TP changed

由图2可知，三种发光填料固定化小球藻和普通填料固定化小球藻对污水都具有较好的去除能力。随着反应时间的增大，氨氮和总磷浓度都逐渐降低，这是由于小球藻利用体内的谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶将系统内的氨氮转化为氨基酸，供自己吸收；磷元素是细胞内的核酸、细胞膜以及能量储存物所必不可少的东西，小球藻通过磷酸化将总磷转化为体内的有机化合物。四组反应器内氨氮和总磷的浓度变化都呈一定的下降，其中黄绿发光填料效果最好，而普通填料组效果略差。四组反应器对氨氮的去除效率分别是78.27%，88.12%，83.35%，82.13%，系统内剩余氨氮的含量为8.64，4.78，6.88，7.25 mg/L。对总磷的去除率为74.9%，92.28%，86.67%，84.81%。系统内剩余TP含量为1.26，0.38，0.68，0.77 mg/L。氨氮和TP的去除效果是黄绿填料>粉红填料>天蓝填料>普通填料。三组投加发光填料的反应器内，小球藻对氨氮和总磷的去除效果均比投加普通填料的要好，这表明投加发光填料对氨氮和总磷的去除有一定影响。一方面是因为，在反应器内部进行补光，提高了内部小球藻的光合作用能力，更有利于对污水中营养物质的吸收；另一方面是因为小球藻具有趋光性，会向有光的地方迁移，发光填料能够发出光源，吸引小球藻附着在填料上。附着在填料上的小球藻能够提高其合成代谢活性，延迟衰老，并在一定程度上降低了藻类的分解代谢活性，大大提高了小球藻的生命活性。三种发光填料中黄绿发光填料处理氨氮和总磷效果最佳。

2.1.2 填料上叶绿素的含量为确定发光填料是否更有利于小球藻的富集生长，实验测定了四组反应器内填料上的叶绿素a浓度，结果见图3。

图3 填料上的叶绿素a浓度Fig.3 The concentration of chlorophyll a on the filler

由图3可知，四组反应器上的叶绿素a的含量分别是145.54，232.18，212.66，193.23 μg/L，发光填料的叶绿素a含量均比普通填料的要高，发光填料有助于吸引小球藻，使得小球藻更易附着。同时，三种发光填料里面，黄绿发光填料的叶绿素a含量最大。分析原因是黄绿光增加了小球藻叶绿素的合成速率，叶绿素a含量在同一时间内产量更高。

综合对生活污水中氨氮、总磷的去除效果以及填料上的叶绿素a含量，得出黄绿发光填料是固定化小球藻的最佳条件。

2.2 黄绿发光填料固定化小球藻和悬浮小球藻处理生活污水效果研究

2.2.1 发光填料固定化小球藻和悬浮藻液的小球藻生长情况及沉降性能为对比固定化和悬浮藻小球藻在生活污水中的生长情况，实验通过测定叶绿素a浓度来表征小球藻的生长情况。同时，为了考察两组反应器内小球藻的沉降性能，每组反应器分别在上清液和悬浮液中取样。固定化组和悬浮藻组的叶绿素a情况见图4。

由图4可知，两组反应器中上清液的浓度均比悬浮液浓度要低。在实验前期，两组反应器的上清液和悬浮液之间的叶绿素浓度差距不大。从第3 d开始，两组反应器中的叶绿素a浓度开始迅速增长，而且悬浮液浓度相对增长的更大，可知发光材料固定化小球藻有利于小球藻的生长繁殖。悬浮小球藻的上清液，叶绿素a含量占叶绿素a总量的42.9%；黄绿发光填料的上清液，叶绿素a含量占叶绿素a总量的25%。分析原因是：①小球藻易于附着在载体表面，由于藻细胞表面和载体材料表面间的范德华力和离子型氢键相互作用，两者间的电位在载体与微藻的相互作用，小球藻富集在载体表面；②由于进行光合作用的小球藻会有趋光性，小球藻会被光源所吸引，向有光的位置迁移，所以更多的小球藻处于容器的中部，提高了藻类的沉降性，减少了小球藻的流失。因此，发光填料的投加有利于小球藻的生长繁殖，提高了小球藻的沉降性，减少藻类流失。

图4 系统内上清液和悬浮液的叶绿素a浓度变化情况Fig.4 Changes of chlorophyll a concentrations in supernatant and suspension in the system

2.2.2 连续流运行下发光填料固定化小球藻和悬浮藻液的脱氮除磷效果为考察发光填料固定化小球藻脱氮除磷的优势以及系统稳运行的稳定性，实验采用SBR运行方法，HRT为24 h，连续运行13 d，测进出水氨氮、总磷浓度，结果见图5。

图5 连续运行时氨氮和TP的浓度变化情况Fig.5 Changes in ammonia nitrogen and TP concenations during continuous operation

由图5可知，在连续运行时，悬浮藻组和发光填料组内氨氮和总磷的浓度均呈大幅度下降。实验前3 d，氨氮和总磷浓度不断减少，到后期逐渐稳定在低浓度范围内。悬浮组对氨氮和总磷的去除效率，后期基本稳定在79.25%，69.24%，平均浓度稳定在8.15，1.48 mg/L。而发光填料组，对氨氮和总磷的去除效率为89.42%，86.72%，平均浓度稳定在4.45，0.62 mg/L。由此可知，发光填料对脱氮除磷的效果比悬浮藻的效果更好。从第5 d开始，黄绿发光填料组在处理生活污水时，处理效果比较平稳，所以黄绿发光填料固定化小球藻处理生物污水具有长期的稳定性。