微藻產(chǎn)油脂生活污水處理

　　引言

　　近年來(lái)，水資源問題日益嚴(yán)重，而生活污水更是水環(huán)境重要污染源之一。我國(guó)目前的生活污水處理多為一級(jí)與二級(jí)處理工藝相結(jié)合，污水中所含大量無(wú)機(jī)氮、磷不能得到有效去除，極易造成水體環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化，并且生活污水處理過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

　　微藻可以去除生活污水當(dāng)中的有機(jī)物及其他污染物對(duì)其進(jìn)行深度處理，同時(shí)可以生產(chǎn)油脂實(shí)現(xiàn)自身物質(zhì)的積累。利用生活污水培養(yǎng)微藻，既可以實(shí)現(xiàn)生物能源的生產(chǎn)，又可以降低成本。基于上述特點(diǎn)，微藻已逐漸成為污水凈化、環(huán)境治理及生物基化學(xué)品生產(chǎn)方面的研究熱點(diǎn)。因此，本研究通過實(shí)驗(yàn)方法構(gòu)建SBR反應(yīng)器，充分利用活性污泥微生物與藻類之間的協(xié)同作用，探究構(gòu)成的菌藻共生系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)器污染物去除效果以及微藻生長(zhǎng)特征及產(chǎn)能情況。

　　一、材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　(1)實(shí)驗(yàn)藻種及活性污泥。本研究微藻選用小球藻，污泥取自濟(jì)南某污水處理廠曝氣池。藻類及污泥均需經(jīng)過一定梯度的生活污水進(jìn)行馴化，接種比例設(shè)置菌藻質(zhì)量比為1:10，1:5，1:3，1:1，3:1，共計(jì)五個(gè)比例，在前期通過顯微鏡觀察菌藻共生體，比較得到最佳接種比例后進(jìn)行接種。

　　(2)實(shí)驗(yàn)裝置。SBR反應(yīng)器主要由以下五個(gè)部分組成：反應(yīng)器主體(有效容積為6L，在反應(yīng)器底端和中間位置設(shè)置進(jìn)水口和出水口)、曝氣裝置、攪拌裝置、進(jìn)出水裝置、定時(shí)系統(tǒng)。增加由白熾燈管組成的照明裝置。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

　　(1)運(yùn)性條件的設(shè)計(jì)及維護(hù)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)SBR反應(yīng)器，藻類-細(xì)菌共生系統(tǒng)的反應(yīng)器和常規(guī)活性污泥系統(tǒng)反應(yīng)器，兩者運(yùn)行條件相同。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制在室溫25℃左右，持續(xù)工作100天，光暗比為12:12，在曝氣時(shí)進(jìn)行光照，水力停留時(shí)間為8h。為維持泥水混合均勻使用磁力攪拌器攪拌，通過氣泵鼓風(fēng)曝氣，使曝氣量維持在0.2L/min。每周測(cè)定污泥的SVI、MLSS，確定排泥量以維持反應(yīng)器污泥濃度。

　　(2)處理污水水質(zhì)分析。水質(zhì)測(cè)定每三天進(jìn)行一次，檢測(cè)方法如下：氨氮測(cè)定采用納氏試劑比色法，總磷測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法，總氮測(cè)定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，COD采用消解管密閉催化消解比色法測(cè)定。計(jì)算四項(xiàng)指標(biāo)去除率分析水質(zhì)凈化情況。

　　(3)藻類生物量測(cè)定及油脂含量測(cè)定。該指標(biāo)每周測(cè)定一次，共連續(xù)測(cè)定12次。選用更為準(zhǔn)確的丙酮浸提-紫外分光光度法，通過測(cè)定葉綠素a的濃度來(lái)確定藻類的生物量，油脂含量的測(cè)定采用氯仿-甲醇提取法。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 反應(yīng)器對(duì)水質(zhì)凈化的效果

　　(1)COD去除效果：運(yùn)行周期內(nèi)反應(yīng)器的COD去除率在一定的范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，其中菌-藻共生SBR反應(yīng)器的COD去除率平均值為88.8%，高于平均值為85.9%的單一活性污泥反應(yīng)器，說明該菌藻共生體系在COD的去除方面較傳統(tǒng)SBR有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　(2)氨氮去除效果：藻類在進(jìn)行自身生長(zhǎng)繁殖時(shí)將氮類作為氮源完成物質(zhì)轉(zhuǎn)化，同時(shí)藻類的存在可以使細(xì)菌的活性增強(qiáng)，有利于氨氮的轉(zhuǎn)化。兩個(gè)反應(yīng)器的氨氮平均去除率均達(dá)到97%，且無(wú)顯著性差異，原因可能是好氧污泥活性較高使自身具有良好的氨氮降解能力，因此，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，兩者均可以保持較高的氨氮去除率，去除能力無(wú)較大差異。

　　(3)總氮與總磷去除效果：由于總氮與總磷的去除效果呈現(xiàn)相同的規(guī)律，兩者的去除效果均可分為兩個(gè)階段，故統(tǒng)一進(jìn)行原因和效果分析。100天的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，菌-藻共生SBR反應(yīng)器對(duì)總氮、總磷的平均去除效率為47.4%、60.8%，均高于對(duì)照組SBR反應(yīng)器的去除率45.2%、58.1%。這是由于微藻在自身生長(zhǎng)過程中，利用污水中的碳酸鹽及空氣中的二氧化碳為碳源，以污水中的有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮為氮源，合成組成藻細(xì)胞的蛋白質(zhì)和氨基酸;通過磷酸酸化將污水中的磷轉(zhuǎn)化為ATP和磷脂等有機(jī)物。微藻以此完成細(xì)胞的增殖，同時(shí)在這一過程中釋放氧氣，增加了水中溶解氧的濃度，降低了污水中氮磷污染物的濃度。

　　前期脫氮除磷效果差，且波動(dòng)大，分析原因可能有以下幾個(gè)方面：①菌藻共生體系的建立需要一定的時(shí)間，污泥中某些雜菌可能會(huì)影響藻類生長(zhǎng)及生物量的積累;②長(zhǎng)時(shí)間曝氣的影響。前期每日長(zhǎng)達(dá)18h的曝氣，TN的去除主要依靠反硝化過程，即依靠反硝化菌將硝態(tài)氮還原為氮?dú)鈴乃腥コ?，曝氣時(shí)間過長(zhǎng)，便不能維持該有效的還原條件，進(jìn)而降低除氮效果;曝氣時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使聚磷菌消耗過多的PHB影響磷的吸收，當(dāng)處于厭氧段后，雖然聚磷菌能以最快的速率釋放磷，但是這些磷在后續(xù)好氧階段卻不能再被完全吸收，即過量吸磷受到破壞，除磷效果同樣差。此外，長(zhǎng)曝氣會(huì)降低污泥沉降性能以及活性，不利于微藻生長(zhǎng);③排泥量小，使富磷污泥中的磷重新釋放到環(huán)境中。

　　根據(jù)上述可能產(chǎn)生問題的原因?qū)\(yùn)行周期進(jìn)行調(diào)整，縮短曝氣時(shí)間，曝氣時(shí)進(jìn)行光照，充分發(fā)揮微藻除磷作用以及加快生物量的積累。同時(shí)增加排泥量，隔天排泥300ml，排出富磷污泥以提高除磷效果。

　　在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后段，菌-藻共生SBR反應(yīng)器TN平均去除效率為58.2%、TP63.9%，顯著高于SBR反應(yīng)器(TN49.7%、TP56.2%)，在此階段菌藻共生體系對(duì)于氮磷的去除效果達(dá)到預(yù)期。

　　2.2 反應(yīng)器內(nèi)藻類生長(zhǎng)量及產(chǎn)油脂情況

　　研究發(fā)現(xiàn)，微藻和菌類之間的相互關(guān)系可提高微藻生物量，促進(jìn)脂質(zhì)和糖類等化合物的生產(chǎn)。與微藻共培養(yǎng)的菌體能為微藻生長(zhǎng)提供維生素，降低微藻生物量積累的成本，從而提高生產(chǎn)效率，另外，與微藻培養(yǎng)相關(guān)的菌體還能固定無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)素。

　　微藻培養(yǎng)相關(guān)的菌體還能固定無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)素。

　　(1)藻類生長(zhǎng)情況。實(shí)驗(yàn)組藻類生物量整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)中期出現(xiàn)較大漲幅，是由于此時(shí)重新調(diào)整的曝氣與光照相匹配的模式促進(jìn)了藻類生長(zhǎng)量的增加;后期小幅度下降，這是因?yàn)樵迕芏冗^大，生長(zhǎng)空間有限導(dǎo)致?lián)頂D，影響光密度進(jìn)而限制自身生長(zhǎng)。對(duì)照組單一活性污泥反應(yīng)器葉綠素含量無(wú)明顯波動(dòng)，且出水葉綠素測(cè)定顯示含量極低，不存在藻類流失情況。

　　(2)油脂含量分析。油脂含量峰值可達(dá)340mg/L,菌-藻共生SBR反應(yīng)器油脂含量的平均值為253.5mg/L，活性污泥反應(yīng)器為180.1mg/L。前期油脂含量呈上升趨勢(shì)，此時(shí)藻類生長(zhǎng)量較為穩(wěn)定，油脂含量穩(wěn)定生成。隨后油脂產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，此時(shí)藻細(xì)胞生長(zhǎng)旺盛，營(yíng)養(yǎng)氮源充足，蛋白質(zhì)、脂類和核酸等生物活性物質(zhì)均正常合成，因此所得脂肪酸含量較低。研究表明，該微藻具有一定的產(chǎn)油脂能力，可利用微藻同化作用使污水中的營(yíng)養(yǎng)元素得到回收并被再次利用，進(jìn)一步降低污水處理過程中的能耗，為基于微藻油脂生產(chǎn)的污水資源化利用提供理論基礎(chǔ)。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　采用活性污泥和小球藻組成的菌藻共生SBR反應(yīng)器對(duì)人工模擬生活污水進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)條件下，相比于傳統(tǒng)活性污泥法SBR反應(yīng)器，系統(tǒng)對(duì)COD、NH4+-N、TN和TP均有良好的去除效果，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，同時(shí)可顯著提高微藻生物量及總油脂的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)污水資源化。菌藻共生SBR工藝可用于生活污水的凈化處理。(來(lái)源：山東師范大學(xué))