人工污水脱氮除磷-毛枝藻-污水处理公司

    摘要：本文由365环保公司整理而成，主要讲述人工污水脱氮除磷-毛枝藻，人类社会的快速发展带来了一系列的环境问题, 水环境污染则是目前最为亟待解决的问题。传统污水处理方法能够有效的去除水体中的碳类污染物, 但对氮磷的去除效果并不理想; 且物理化学方法处理污水成本较高, 易造成二次污染[1]。微藻生长过程中对氮磷等营养元素具有较高的需求, 在污水的氮磷等营养元素的处理方面......

    关键词：污水处理,污泥处理,废水处理,

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　　人类社会的快速发展带来了一系列的环境问题, 水环境污染则是目前最为亟待解决的问题。传统污水处理方法能够有效的去除水体中的碳类污染物, 但对氮磷的去除效果并不理想; 且物理化学方法处理污水成本较高, 易造成二次污染[1]。

　　微藻生长过程中对氮磷等营养元素具有较高的需求, 在污水的氮磷等营养元素的处理方面具有一定的优势。随着各国学者研究的不断深入, 利用微藻处理污水的可行性也得到了证实。目前的研究主要集中在绿藻门的小球藻(Chlorella)和栅藻(Scenedesmus)以及蓝细菌上, 其中研究最为广泛的则是小球藻。一系列的研究表明, 小球藻在不同的初始浓度下都能有效的去除氮磷, 去除率为8%—100%[2]。Wang等[3]的研究还表明小球藻对氨氮具有一定的耐受能力。此外, 栅藻在污水中氮磷处理方面的能力也受到了广泛的关注, González等[4]的研究表明, 栅藻对污水中氮磷的处理能力与小球藻相似, 且其对氨氮的去除率要高于小球藻。其他属的绿藻也能有效地去除污水中的氮磷, 在氮磷比为1.0时Chlamydomonas reinhardtii能去除污水中42%—55%的氨氮, 使用光生物反应器培养时其去除率更高[5]。虽然小球藻、栅藻等微藻对污水中氮磷处理能力较高, 但由于其藻体较小, 收集相对困难, 且在室外条件下易受捕食性的浮游动物的污染。

　　丝状藻藻丝体较大, 细胞壁较厚, 收集相对容易, 抗原生动物等污染性较强, 能在一定程度上提高生物量及污水氮磷的去除效率。研究表明水绵 (Spirogyra sp.)、水网藻(Hydrodictyon reticulatum)、刚毛藻(Cladophora oligoclona)等大型丝状绿藻在人工合成污水中均能正常生长, 且对水体中氮磷的去除能力较强[6]。

　　早在1976年就有学者对毛枝藻(Stigeocloniumsp.)的锌耐受能力进行了研究, 他们野外采集34株毛枝藻, 在实验室条件下探索锌对毛枝藻的生长抑制临界值和致死临界值, 结果表明绝大部分毛枝藻对锌具有较强的耐受能力, 其最大生长抑制临界值达到8.66 mg/L[7]。在Pawlik-Skowrońska[8]的研究中, 毛枝藻在含有铅、铬、锌三种金属离子的人工污水中均有络合物产生, 表明毛枝藻对铅、铬、锌均具有一定的去除能力。此外, Liu等[9]以毛枝藻和克里藻(Klebsormidium sp.)为研究对象, 就其对污水中氮磷的去除能力进行了研究。结果表明, 两株毛　枝藻S-1和S-2在氮起始浓度为47.2 mg/L, 磷起始浓度为11.6 mg/L的人工污水中氮的去除率分别为79%和>99%, 磷的去除速率均相对较低, 分别为36%和54%, 但在自然污水中其磷去除率则分别为88%和93%, 与以小球藻和栅藻为主要群落组成部分的原生污水藻群落的氮磷去除能力相似, 表明其在污水氮磷处理方面具有较大的前景。

　　微藻在不同氮磷比条件下其生长及对污水中氮磷去除率不尽相同[10—12], 且不同微藻对氨氮的去除能力不同[ 3 — 5 , 13 , 14 ] , 故本研究以两株毛枝藻HB1617和SHY-370为研究对象, 探索其在不同的氮磷比条件下, 对人工污水中氮磷的去除能力, 以及在不同的氨氮初始浓度下对氨氮的耐受能力。

　　1 材料与方法

　　1.1 毛枝藻SHY-370与HB1617藻种来源及分离纯化

　　本实验所用藻株HB1617采集自湖北宜昌污水口, SHY-370采集自湖北咸宁通ft溪流中。野外采集的藻株经无菌水冲洗后在解剖镜下挑取单根藻丝, 用刀片切取顶端藻丝, 接种于BBM固体培养基中, 20d后部分接种于装有100 mL无菌BBM液体培养基的250 mL柱状生物反应器中进行扩大培养, 另一部分用解剖针接种于固体培养基中进行保种。

　　10d后将柱状生物反应器中的藻液转接至直径5 cm的1100 mL柱状生物反应器中进行进一步的扩大培养。所有操作均在无菌条件下进行。

　　1.1 实验设置

　　人工污水配方参考况琪军等[6]和Xin等[10]的配方以BBM培养基为基础(NO{ -N 41 mg/L), 配制无磷培养基, 再通过添加KH2PO4使其氮磷比分别为2、5、10、20和40。

　　前期预实验发现SHY-370与HB1617的最大氨氮耐受浓度为10 mg/L, 故将氨氮浓度设为1、3、5和10 mg/L四个浓度梯度, 在此范围内探究其对水体中氮磷的吸收能力, 并设置正常BBM培养基(N/P为0.82)培养组为对照。氨氮耐受实验所使用人工污水同样以BBM培养基为基础(P O3{ -P 50 mg/L),配置成无氮培养基, 通过加入NH4Cl使其NH+-N含量分别为1、3、5和10 mg/L。

　　藻种试验前在直径5 cm的柱状光反应器中扩大培养12d, GF/C膜过滤, 无菌水冲洗5遍洗去原培养基中的营养物质(由于毛枝藻在干燥条件下易死亡, 故抽滤时每次剩余少量液体), 在无菌水中饥饿培养24h后以0.2 g/L的干重浓度接种至人工污水中每组设置3个重复。

　　培养光照由日光灯组提供, 光照强度为50— 60 μmol photons/(m2·s), 光暗比为14h﹕10h; 培养温度为25℃; 反应器中只通入空气, 实验过程中各条件保持不变。

　　1.3 Th长测定

　　实验期间, 从第0天起, 每2天取样1次测定藻的干重, 绘制生长曲线。干重测定方法为: 将滤膜在105℃烘干8h, 放在干燥器中冷却至室温称重, 后取5 mL藻液, 用AP-OIP真空泵及MFS微型过滤系统过滤, 再次105℃烘干8h称重。

　　生物量浓度公式为:

　　在公式(1)中, DW0为滤膜干重(g); DW1为抽滤过后藻加滤膜的干重(g); V为抽滤的藻液的体积,L。在公式(2)中DWt0为第0天抽滤的藻的干重(g);

　　DWt为第t天抽滤的藻的干重(g); V为抽滤的藻液体积(L); t为培养时间(d)。在公式(3)中Bt为培养t时间后的生物量浓度(g/L); B0为初始生物量浓度(g/L);

　　t为培养时间(d)。

　　1.4 人工污水指标测定

　　NO{ -N (硝态氮)采用紫外分光光度法(HJ/T346-2007)测定[15], TP(总磷)的测定采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)[16],NH+-N(氨氮)的测定采用水杨酸分光光度法(HJ536-2009)[17]。

　　1.5 数据分析

　　使用origin 9.1作图, SPSS 18.0进行单因素方差分析。

　　1 结果与讨论

　　2.1 藻类Th长状况

　　如图 1所示, HB1617与SHY-370植物体均为一列细胞组成的分枝丝状体, 主轴与侧枝无明显分化,宽度相等。HB1617植物体鲜绿色, 分枝丰富, 通气状态下藻丝相对较短, 常缠绕成团。SHY-370植物体淡绿色, 分枝较HB1617少, 藻丝体较长。毛枝藻的形态学特性使得其在收集及抗污染方面优于单细胞微藻。

　　接种时为减小平行样品间误差, 使用玻璃匀浆器将长藻丝片段化, 因此接种初期藻丝较短。随着培养时间延长, 藻丝不断延长并产生新的分枝。大多数藻体在污水处理后期生长代谢仍然旺盛,HB1617藻体色泽鲜绿、SHY-370藻体淡绿、藻体自然伸展, 新生藻丝清晰可见, 培养液内几乎无污染; 当氨氮含量为10 mg/L时, HB1617生长受到抑制, 培养第4天开始细胞内色素体减少、藻体色泽逐渐变浅, 培养末期藻体几乎全部死亡, 培养液中有白色絮状物生成, 可能因培养系统中细菌和其他微型生物大量增殖所致。

　　2.1 在不同初始氨氮浓度条件下两株毛枝藻的Th长及其脱氮除磷能力

　　在不同初始氨氮浓度条件下两株毛枝藻的Th长状况 如表 1所示, 在不同初始氨氮浓度条件下, SHY-370在初始氨氮浓度为1、3和5 mg/L时, 比生长速率无显著性差异(P>0.05), 且与正常培养基培养(氨氮初始浓度为0)条件下无明显差异, 10 mg/L时其比生长速率略小于以上3个初始氨氮浓度条件下, 表明10 mg/L的初始氨氮浓度对SHY-370的生长有一定的抑制作用; HB1617与SHY-370生长状况相似, 在1、3和5 mg/L三个初始浓度条件下比生长速率无显著性差异(P>0.05), 且与正常培养基培养条件下无明显差异, 初始氨氮浓度为10 mg/L时其比生长速率仅为0.01, 表明在此条件下HB1617的生长受到抑制。

　　初始氨氮浓度为1、3和5 mg/L时HB1617的比生长速率显著大于SHY-370, 表明在此条件下HB1617比SHY-370具有更好的生长状态; 而初始氨氮浓度为10 mg/L时, HB1617的比生长速率显著小于SHY-370, 表明在此条件下氨氮对HB1617的抑制作用要大于SHY-370 (图 2)。

　　高浓度氨氮对藻的生长产生抑制的原因可能是, 以氨氮为氮源时, 水体中的氨氮释放H+, 使水体pH下降, 进而抑制藻的生长。Xin等[18]的研究结果也表明在氨氮、硝氮、尿素3种不同氮源培养条件下, 以氨氮为氮源的栅藻细胞密度要小于另外2种氮源条件下的细胞密度; 此外, 他们的pH梯度实验结果表明, pH<6时, 其细胞密度明显小于pH>6时,且其细胞密度随pH的降低而减小。

　　在不同初始氨氮浓度条件下人工污水中总磷含量变化 如图 3所示, 氨氮浓度在10 mg/L以下时HB1617对水体中总磷的去除能力明显高于SHY-370。氨氮浓度为10 mg/L时, 总磷含量基本不变。造成这种现象的原因可能有2个; 一是氨氮浓度为 10 mg/L时, 高浓度的氨氮抑制了藻的生长, 使其生物量明显偏低, 且HB1617在培养第四天以后逐渐死亡; 二是高浓度的氨氮抑制了藻对水体中总磷的吸收利用。Xin等[18]的研究结果也表明在氨氮、硝氮、尿素3种不同氮源条件下培养栅藻, 以硝氮和尿素为氮源时水体中总磷的去除率均达到99%以上,而以氨氮为氮源时水体中总磷的去除率仅为76.4%。

　　氨氮浓度为1—5 mg/L时, 总磷的去除率随氨氮含量的升高而增大(图 4), 在SHY-370与HB1617中总磷的最大去除率分别为6.38% 和20.48%,HB1617的总磷去除能力明显高于SHY-370, 但其去除率也较低, 可能的原因是氮磷比(1﹕10)影响了磷的吸收。 Redfield定律认为, 组成藻类细胞的氮磷原子比率为N﹕P=16﹕1, 氮磷比大于16﹕1时,磷被认为是限制性因素; 氮磷比小于 10﹕1时, 氮则被考虑为限制性因素[19], 本实验中N﹕P小于10﹕1, 所以氮的含量低可能影响了磷的吸收。

　　在不同初始氨氮浓度条件下人工污水中氨氮含量变化 如图 5所示, 氨氮浓度为1—5 mg/L时, 水体中氨氮均在48h内减低至0.5 mg/L以下, 去除率均达到95%以上, HB1617与SHY-370两株藻之间的氨氮去除效果并无明显的差异(P>0.05)。

　　氨氮浓度为10 mg/L时, 培养前2天氨氮含量迅速下降, HB1617对水体中氨氮去除速率可达3.98 mg/ (L·d), SHY-370略低, 为3.42 mg/(L·d); 培养第4天,HB1617的培养水体中的氨氮含量降至0.5 mg/L以下, 去除率达到99%以上, 而SHY-370的培养水体中氨氮含量降至0.61 mg/L, 去除率为94%。梁晶晶等[20]利用固定化微绿球藻处理人工污水中氮磷, 氨氮含量为17 mg/L时, 不同的藻球投放质量条件下细胞密度均有一定的增大, 氨氮最大去除率为75.08%,在充气培养条件下氨氮去除率则达到85.93%。与梁晶晶等研究的微绿球藻相比本实验2株毛枝藻对氨氮的耐受能力较弱, 最大可耐受氨氮浓度仅为 10 mg/L, 但在氨氮浓度低于10 mg/L时其去除率能达到94%以上。因此, SHY-370和HB1617两株毛枝藻在氨氮浓度低于10 mg/L的污水的处理方面具有一定的应用前景。

　　2.1 在不同氮磷比培养条件下毛枝藻的Th长及其脱氮除磷能力

　　在不同氮磷比条件下两株毛枝藻的Th长状况如表 2所示, SHY-370在2、5、10、20和40五种氮磷比条件下, 比生长速率无明显差异(P>0.05);HB1617在2、5、10和20四种氮磷比条件下比生长速率无明显差异(P>0.05), 而氮磷比为40时其比生长速率明显小于氮磷比为2—20 时。氮磷比为2—20时, SHY-370的比生长速率略小于HB1617。在不同氮磷比条件下2株毛枝藻的生物量及生物量生产率如图 6、图 7所示, 与比生长速率相同,在5种氮磷比条件下SHY-370的生物量与生物量生产速率均无明显差异(P>0.05), HB1617在氮磷比为2—20时生物量和生物量生产速率均无明显差异(P>0.05), 而氮磷比为40时其生物量和生物量生产速率均小于氮磷比为2—20时, 表明HB1617生长的最适氮磷比为2—20。

 　　Liu等[21]在1—20的氮磷比内, 设置8个不同的氮磷比, 研究其对3种丝状藻Cladophora sp.、Kleb- sormidium sp. 及Pseudanabaena sp.氮磷去除能力的影响。结果表明, 在1—20内不同氮磷比对3种藻的生物量生产速率均无明显影响, 与本研究结果相似。Cladophora sp.生物量生产速率最大, 为56.7 mg/　(L·d), 小于本研究中的最大生物量生产速率。氮磷比为40时, HB1617的生物量及生物量生产率降低的原因可能是氮磷比过大,此时磷含量过低(1 mg/L),成为生长的限制性因素, 限制了HB1617的生长。在赵先富等[22]的研究中, 小球藻及铜绿微囊藻在磷浓度低于1 μmol/L时其生无量明显低于5和50 μmol/L组。氮磷比为2—20时, HB1617的生物量生产率大于SHY-370, 表明在此条件下HB1617更适于生长。

　　SHY-370与HB1617生长的最适氮磷比不同, 表明藻类生长的最适氮磷比存在种间差异。在丰茂武等[23]的研究中, 铜绿微囊藻在N/P比为40时, 藻细胞密度最大。

　　在不同氮磷比条件下人工污水中NO{ -N的含量变化 如图 8所示, 5种不同氮磷比条件下人工污水中NO{ -N含量变化趋势基本相同, 氮磷比为5—40时, SHY-370的培养液中NO{ -N含量均在第12天降至1 mg/L以下, 去除率达到97%以上, 而氮磷比为2时, 培养液中NO{ -N含量为2.28 mg/L, 去除率为94.45%; 氮磷比为2—20时, HB1617培养液中NO{ -N含量均在培养第10天降至1 mg/L以下, 去除率达到97%以上, 而氮磷比为40时, 在培养第12天培养液中NO{ -N含量仅降为6.92 mg/L, 去除率为83.23%。

　　在5种不同氮磷比条件下, HB1617及SHY-370的去除速率均存在明显的组间差异(P<0.05), 氮磷比为2—10时SHY-370的去除速率随氮磷比的增大而增大, 氮磷比为10—40时去除速率无明显差异,最大去除速率为4.03 mg/(L·d); 氮磷比为2—10时HB1617培养液中的NO{ -N去除速率最大, 为4.89 mg/(L·d), 氮磷比为10—40时培养液中NO{ -N的去除速率随氮磷比的增大而减小(图 9)。

　　不同的藻类对氮、磷的吸收率不同, 氮磷比对其影响也不相同, 因此Redfield定律并不适用于所有藻类。在本实验中SHY-370吸收NO{ -N的最佳氮磷比为10—40, 而HB1617为2—10。Xin等[10]的研究中Scenedesmus sp.在氮磷比为5—8时其氮磷吸收率最高。 Liu等[21]的氮磷比实验中, 在1—20内 Cladophora sp.、Klebsormidium sp. 及Pseudana- baena sp. 三种藻对人工污水中氮磷去除的最佳氮磷比则为1—15, 但3种藻的氮磷去除速率存在较大的差别, 其中Pseudanabaena sp.的NO{ -N去除速率最大为10.6 mg/(L·d), 为本实验中NO{ -N最大去除速率的2倍。但Pseudanabaena sp.在NO{ -N含量较高(30 mg/L)的条件下去除率较低, 仅为85.4%。因此, 本实验研究的毛枝藻在NO{ -N含量较高的污水处理中具有一定的优势。

　　在不同氮磷比条件下人工污水中TP含量变化如图 10所示, 在5种不同氮磷比条件下TP含量变化趋势基本相同。氮磷比为5—40时, 培养12d后TP含量均降至0.3 mg/L以下, 去除率达到90%以上;而氮磷比为2时, SHY-370培养液中TP的去除率仅为63.96%, HB1617则略低于SHY-370, 去除率为58.5%。不同藻类对磷的吸收都有其最大值, 当超过其所能吸收的最大值时藻类对磷的吸收率就会下降, Aslan等[24]的研究表明Chlorella vulgaris对水体中磷的最佳吸收范围为P O{ -P<7.7 mg/L。Liu等[21]的研究中Cladophora sp.、 Klebsormidium sp.以及Pseudanabaena sp. 三种藻在TP浓度为7 mg/L时去除率均低于80%, 其TP最佳吸收值小于7 mg/L。本实验所研究毛枝藻对水体中TP的最大吸收值为10 mg/L左右, 在水体中TP的去除方面具有一定的优势。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　2 结论

　　毛枝藻SHY-370可耐受的最高氨氮浓度为10 mg/L优于HB1617(5 mg/L), 但HB1617的生长及对水体中氮磷的去除能力优于SHY-370; 氮磷比对SHY-370的生长影响不大, 但在氮磷比大于20时HB1617的生长受到抑制; SHY-370对NO{ -N去除的最佳氮磷比为10—40, HB1617为2—10; SHY-370及HB1617的最大TP吸收值均为10 mg/L左右。本实验研究的2株毛枝藻SHY-370及HB1617在NO{ -N及TP含量较高的污水(NO{ -N 40 mg/L, P 8 mg/L)处理方面具有一定的优势, 能有效地去除其中的氮磷(REN>99%,REP>90%), 且其对氨氮也具有一定的耐受和去除能力, 因此, 毛枝藻城市生活污水二级出水(TN≤ 15 mg/L、TP≤0.5 mg/L、NH+-N≤5 mg/L)的深度脱氮除磷方面中具有一定的应用前景。（中国科学院水生生物研究所 淡水生态与生物技术国家重点实验室 中国科学院大学）

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