微藻產(chǎn)油脂生活污水處理

　　引言

　　近年來，水資源問題日益嚴重，而生活污水更是水環(huán)境重要污染源之一。我國目前的生活污水處理多為一級與二級處理工藝相結(jié)合，污水中所含大量無機氮、磷不能得到有效去除，極易造成水體環(huán)境富營養(yǎng)化，并且生活污水處理過程中會產(chǎn)生嚴重的能源浪費。

　　微藻可以去除生活污水當中的有機物及其他污染物對其進行深度處理，同時可以生產(chǎn)油脂實現(xiàn)自身物質(zhì)的積累。利用生活污水培養(yǎng)微藻，既可以實現(xiàn)生物能源的生產(chǎn)，又可以降低成本。基于上述特點，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。因此，本研究通過實驗方法構(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)對反應(yīng)器污染物去除效果以及微藻生長特征及產(chǎn)能情況。

　　一、材料與方法

　　1.1 實驗材料

　　(1)實驗藻種及活性污泥。本研究微藻選用小球藻，污泥取自濟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，共計五個比例，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行接種。

　　(2)實驗裝置。SBR反應(yīng)器主要由以下五個部分組成：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)置進水口和出水口)、曝氣裝置、攪拌裝置、進出水裝置、定時系統(tǒng)。增加由白熾燈管組成的照明裝置。

　　1.2 實驗方法設(shè)計

　　(1)運性條件的設(shè)計及維護。本實驗設(shè)置兩個SBR反應(yīng)器，藻類-細菌共生系統(tǒng)的反應(yīng)器和常規(guī)活性污泥系統(tǒng)反應(yīng)器，兩者運行條件相同。實驗進行控制在室溫25℃左右，持續(xù)工作100天，光暗比為12:12，在曝氣時進行光照，水力停留時間為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)測定每三天進行一次，檢測方法如下：氨氮測定采用納氏試劑比色法，總磷測定采用鉬酸銨分光光度法，總氮測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定。計算四項指標去除率分析水質(zhì)凈化情況。

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

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 反應(yīng)器對水質(zhì)凈化的效果

　　(1)COD去除效果：運行周期內(nèi)反應(yīng)器的COD去除率在一定的范圍內(nèi)小幅度波動，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。

　　(2)氨氮去除效果：藻類在進行自身生長繁殖時將氮類作為氮源完成物質(zhì)轉(zhuǎn)化，同時藻類的存在可以使細菌的活性增強，有利于氨氮的轉(zhuǎn)化。兩個反應(yīng)器的氨氮平均去除率均達到97%，且無顯著性差異，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，在長期運行中，兩者均可以保持較高的氨氮去除率，去除能力無較大差異。

　　(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階段，故統(tǒng)一進行原因和效果分析。100天的運行時間內(nèi)，菌-藻共生SBR反應(yīng)器對總氮、總磷的平均去除效率為47.4%、60.8%，均高于對照組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，以污水中的有機氮和無機氮為氮源，合成組成藻細胞的蛋白質(zhì)和氨基酸;通過磷酸酸化將污水中的磷轉(zhuǎn)化為ATP和磷脂等有機物。微藻以此完成細胞的增殖，同時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，且波動大，分析原因可能有以下幾個方面：①菌藻共生體系的建立需要一定的時間，污泥中某些雜菌可能會影響藻類生長及生物量的積累;②長時間曝氣的影響。前期每日長達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)氮還原為氮氣從水中去除，曝氣時間過長，便不能維持該有效的還原條件，進而降低除氮效果;曝氣時間過長，會使聚磷菌消耗過多的PHB影響磷的吸收，當處于厭氧段后，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，長曝氣會降低污泥沉降性能以及活性，不利于微藻生長;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)\行周期進行調(diào)整，縮短曝氣時間，曝氣時進行光照，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。

　　在實驗運行后段，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于氮磷的去除效果達到預(yù)期。

　　2.2 反應(yīng)器內(nèi)藻類生長量及產(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)的菌體還能固定無機營養(yǎng)素。

　　微藻培養(yǎng)相關(guān)的菌體還能固定無機營養(yǎng)素。

　　(1)藻類生長情況。實驗組藻類生物量整體呈增長趨勢，在實驗中期出現(xiàn)較大漲幅，是由于此時重新調(diào)整的曝氣與光照相匹配的模式促進了藻類生長量的增加;后期小幅度下降，這是因為藻密度過大，生長空間有限導(dǎo)致?lián)頂D，影響光密度進而限制自身生長。對照組單一活性污泥反應(yīng)器葉綠素含量無明顯波動，且出水葉綠素測定顯示含量極低，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，此時藻類生長量較為穩(wěn)定，油脂含量穩(wěn)定生成。隨后油脂產(chǎn)量呈下降趨勢，此時藻細胞生長旺盛，營養(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養(yǎng)元素得到回收并被再次利用，進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

　　采用活性污泥和小球藻組成的菌藻共生SBR反應(yīng)器對人工模擬生活污水進行處理，實驗條件下，相比于傳統(tǒng)活性污泥法SBR反應(yīng)器，系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TN和TP均有良好的去除效果，進一步提高出水水質(zhì)，同時可顯著提高微藻生物量及總油脂的產(chǎn)量實現(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。(來源：山東師范大學(xué))