不同藻类膜对城市污水深度净化的效果研究

邓　芳　赵　磊

（1华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院湖北武汉4300742武汉华咨同惠科技有限公司湖北武汉430073）

不同藻类膜对城市污水深度净化的效果研究

邓芳1赵磊2

（1华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院湖北武汉4300742武汉华咨同惠科技有限公司湖北武汉430073）

藻类膜深度净化城市污水是一种新型的节能环保水处理技术。本文分别以小颤藻(Oscillatoria tenuis)、水华鱼腥藻（Anabaena flos-aquae）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）为挂膜藻种，以立体弹性聚氯乙烯为载体，分析了不同藻类膜对城市污水二级出水的净化效果，同时评价膜的稳定性，以选出最适合挂膜藻种。

藻类膜；城市污水；富营养化；脱氮除磷

常规的城市污水二级处理方法技术成熟，但二级出水中仍含有大量的氮、磷等营养物质，如不进行深度处理而长期大量排入水体，将会引发大面积的“水华”、“赤潮”等富营养化水质灾害[1]。因此，城市二级出水的深度处理技术备受广大研究学者关注，各种物理、化学及生物技术被用于去除二级出水中低浓度的氮、磷、有机物及重金属等其他污染成分。然而，传统的微生物深度处理技术面临有机碳源不足的问题，且常规的物理化学技术又存在能耗高、成本昂贵、环境副作用大、潜在营养物质丢失严重等弊端[2]。因此，城市污水二级出水的进一步脱氮除磷成为国内外研究的热点和难点。

利用藻类处理污水，能够大幅度降低水中氮磷含量，脱氮除磷的同时可固定CO2而无需投加外部碳源，且减少污泥排放，节约水资源和营养物质消耗，同时收获的藻类生物质也是一种清洁可再生能源的理想原材料[3,4]。因此该水处理技术越来越受广大学者的青睐。藻类的应用方式主要包括：悬浮态藻类，固定化藻类以及藻类膜。由于悬浮态藻类技术存在无法有效去除出水中藻类生物量以及现有固定化技术存在成本昂贵，二次污染等问题。最近发展的藻类膜技术在藻类培养、驯化、收获方面更为简单，并且藻类生物膜技术可以兼顾污水处理和藻类生物质生产，且藻类的收获方式相对简便，在污水处理工程中具有巨大的潜力和良好的应用前景[5]。

1　实验设计

1.1实验材料

藻种：小颤藻(Oscillatoria tenuis)、水华鱼腥藻（Anabaena flos-aquae）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquus），由中国科学院武汉水生生物研究所提供。

实验污水：取自武汉某污水处理厂二级出水，NH4+-N质量浓度为10.2 mg/L，TP质量浓度为0.8 mg/L，COD质量浓度为112.8 mg/L，初始pH值为7.51。

图1　实验装置图

1.2实验方法

图1为实验装置。将立体弹性聚氯乙烯(高度约10 cm)置于2 L锥形瓶中，加入150 mL处于对数生长期的藻液和1500 mLBG11培养基，锥形瓶两侧分别添加1盏20 W的荧光灯，连续光照，光强约为3500 lx，温度为(25±2℃)，并通入一定量无菌空气，曝气是为了给藻类膜提供一定的CO2作为碳源。藻液在BG11培养基中静态培养3 d后，加入实验污水进行驯化培养，每天置换出300 mL藻液，持续5 d，第6 d加入1500 mL实验污水置换出全部藻液。稳定培养10 d，直至载体上形成稳定的藻类膜。利用稳定的藻类膜对二级出水进行为期7天的脱氮除磷研究。

2　结果与讨论

2.1污水pH值的变化

实验过程中污水pH值的变化如图2所示。

由图2可知，实验污水的初始pH值为7.51，前2 d pH值迅速上升，小颤藻、水华鱼腥藻、斜生栅藻在第2 d分别达到最大pH值9.65、10.28、9.95。随后pH值均有所下降，但最终所有的pH值都大于8.20。污水pH值的变化主要与藻类的代谢活动密切相关，藻类进行光合作用吸收CO2，消耗水中碳酸根、重碳酸根，打破了水中的酸碱平衡，导致水中pH值上升。

图2　污水pH值的变化

三种藻类膜对实验污水中NH4+-N去除率随时间的变化如图3所示。由图3可知，各种藻类膜在实验前2 d对实验污水的去除率迅速上升，随后4 d藻类膜去除率变化趋于平缓，小颤藻、水华鱼腥藻、斜生栅藻在实验结束时对污水的去除率达到最大，分别是96.1%、98.9%、97.8%。同时，经过7d的处理，实验污水的NH4+-N由10.2 mg/L降至0.39 mg/L、0.11 mg/L、0.22 mg/L，相比于城市污水处理厂一级A标准（NH4+-N为8 mg/L），此时出水NH4+-N浓度已经得到大幅度下降，表明藻类膜能有效吸收二级出水中的NH4+-N，实现对城市污水的深度净化。

图3　藻类膜的NH4+-N去除率随时间变化

图4　藻类膜的TP去除率随时间变化

氨氮的去除包括两个机理：一是藻类通过光合作用摄入水中氨氮合成自身藻细胞，完成氮元素的同化吸收；二是藻类进行光合作用导致污水中pH值不断升高，较高的pH值促进NH4+-N挥发而去除。

图4为三种藻类膜对实验污水中磷的去除率随时间的变化。由图4可知，各类藻类膜对TP的去除效果随时间的增加，污水中的TP浓度逐渐降低，去除率不断提高。三种藻类膜对TP的最大去除率分别是：小颤藻为90.5%，水华鱼腥藻为99.2%，斜生栅藻为81.7%，经过7d的处理，实验污水的TP由0.8 mg/L分别降至0.077 mg/L，0.006 mg/L，0.147 mg/L。实验结果表明，三种藻类膜均可以稳定地去除二级出水中的磷。

藻类对污水中溶解性磷的去除机理主要表现在两个方面，一方面是藻细胞进行光合作用吸收磷合成自身细胞物质，另一方面藻细胞生长导致污水中pH不断升高，pH值增加促进水中磷酸根和钙、镁离子形成磷酸盐沉淀，从而实现磷的去除。磷以磷酸盐沉淀的形式去除，受pH的影响较大，当pH大于8.50时，即有磷酸盐沉淀产生[6]。结合图2可知，实验阶段所有藻类膜的pH值基本都大于8.50，则磷主要以磷酸盐沉淀的形式去除。

图5　污水中COD的变化

2.3污水COD值的变化

实验过程中污水COD值随时间的变化如图5所示。由图5可知，在实验前3d藻类膜降解COD的速率并没有NH4+-N和TP的去除率快，因为藻类主要是通过自养光合作用吸收利用空气中无机碳（CO2），因此降解水中有机碳效率偏低。但随着实验时间的延长COD去除率逐渐升高，最终小颤藻、水华鱼腥藻、斜生栅藻的去除率分别达到95.7%，98.4%，97.5%。这主要是由于水中好氧微生物利用水中有机物，而藻类膜光合作用释放氧气，增加水中溶解氧含量，促进微生物对有机物的降解，因此实验后4 d COD降解效果更好。

3　结语

小颤藻、水华鱼腥藻以及斜生栅藻藻类膜均可以有效地去除城市污水二级出水中的氮、磷污染物，对水中有机物也有较好的去除效果。水华鱼腥藻的脱氮除磷效果最好，NH4+-N和TP的最大去除率分别达到98.9%和99.2%。小颤藻极易附着在填料上，形成的藻类膜稳定不易脱落，且小颤藻对污水的耐受能力强，因此小颤藻是最佳的挂膜藻种。

[1]Aslan S,Kapdan I K.Batch kinetics ofnitrogen and phosphorus removal from synthetic wastewater by algae[J].Ecological Engineering, 2006,28(1):64-70.

[2]邢丽贞,马清,李哿,等.藻类技术在污水深度处理中的应用[J].净水技术,2009,28(6):44-49.

[3]Boelee N C,Temmink H,Janssen M,et al.Nitrogen and phosphorus removal from municipal wastewater effluent using microalgal biofilms[J].Water Research,2011,45(18):5925-5933.

[4]WangB,Lan C Q.Biomass production and nitrogen and phosphorus removal by the green alga Neochloris oleoabundans in simulated wastewater and secondarymunicipal wastewater effluent[J].Bioresource Technology,2011,102(10):5639-5644.

[5]Suka ová K,Trtílek M,Rataj T.Phosphorus removal using a microalgal biofilm in a newbiofilm photobioreactor for tertiary wastewater treatment[J].Water Research,2015,71:55-63.

[6]Silva-Benavides A M,Torzillo G.Nitrogen and phosphorus removal through laboratory batch cultures of microalga Chlorella vulgaris and cyanobacterium Planktothrix isothrix grow n as monoalgal and as co-cultures[J].Journal ofApplied Phycology,2012,24(2):267-276.