菌藻系统对废水中氮磷去除规律的研究

郝凯旋陈文兵母锐敏祁峰王洪波

(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101)

0 引言

目前，我国废水处理采用的主要技术为活性污泥法和生物膜法，可以去除大部分有机污染物，但对氮、磷的去除效果并不理想[1]，当水体中氮、磷浓度过高时，会引起富营养化等一系列环境问题[2]。深度处理污水厂的二级出水，不仅能降低水体的负荷，还能对我国的淡水资源进行补充。物理化学法、生态法、生物法是目前二级出水深度处理的主要方法[3]。物理化学法容易产生二次污染且成本较高[4]；生态法虽然投资成本低，但是维护成本较高，对流入的污水有较高的要求[5]；生物法低耗高效，能净化多种污水，收获后还会带来一定的经济收益，是一种经济、高效的废水深度处理技术[6]。

微藻作为自养型生物，可以通过光合作用将水中的氮、磷等营养盐合成复杂的有机质，同时固定CO2并释放O2[1]。微藻在处理废水方面展现出的巨大潜力，日益受到国内外研究人员的注意。20世纪60年代，Golueke等[7]首次提出菌藻共生系统，菌藻共生处理废水引起了广泛关注。菌藻共生系统是利用微藻与细菌之间的协同作用来处理废水，是一种节能环保的新型技术[8]。大量研究表明，菌藻共生系统可以对各种废水实现高效处理，在获得微藻生物质方面具有很好的应用前景[4]。宋志伟等[8]分别利用好氧颗粒污泥、斜生栅藻及两者的共生体系处理模拟污水。好氧颗粒污泥和斜生栅藻的共生体系对污水COD、NH3-N、TP的去除率分别为93.89%、87.64%、91.35%，优于单独的斜生栅藻和单独的好氧颗粒污泥。周鸣等[9]用海藻酸钠-氯化钙固定法将硝化细菌和硝化细菌与小球藻的混合物进行固化，用于去除养殖废水中的氨氮。固化硝化细菌小球和固化菌藻小球均可显著去除污水中的氨氮，但后者的去除效果更佳。目前，采用菌类和微藻对废水进行深度处理，已经成为一种新的发展方向[10]。

文章利用活性污泥、混合藻及两者混合物分别处理二级出水，研究处理后水中的群落组成及对氮、磷的去除效率，测定生物质组成及含量，分析菌藻系统脱氮除磷的作用机理。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 混合藻

混合藻取自山东建筑大学映雪湖，经显微镜观察其优势种群为小球藻和四尾栅藻。取样后将藻种放置在含有300 mL无菌BG11培养基的500 mL锥形瓶中(接种密度为1×105)，在20℃的振荡培养箱中使用4 000 lx光照的白色荧光管灯光照培养。在培养瓶中达到稳定生长后，将藻株经4 000 r/min离心后在室温下转移到圆柱形泡罩柱光生物反应器中，以获得更高的细胞密度。使用曝气量为0.5 L/min的鼓风机通过0.2 μm聚四氟乙烯膜通风，使培养物不断悬浮在光生物反应器中。

1.1.2 活性污泥

活性污泥取自济南市光大水务的二次沉淀池的污泥回流泵房。取回的污泥经过筛网(1 mm×1 mm)过筛，静置24 h去除污泥上清液，用蒸馏水洗涤3次，再次静置24 h并去除上清液。污泥在静置时每天进行2个周期间歇进水驯化(22 h曝气，2 h静置)。

1.1.3 菌藻系统

菌藻系统为混合藻和活性污泥以5︰1的生物质浓度混合组成。

1.1.4 二级出水

二级出水取自山东建筑大学污水处理厂的中水出水口，氨氮、磷的含量分别为98.63、1.72 mg/L，pH值为7.3。对二级出水进行预处理后使用，具体处理过程为:在经过重力沉降去除大固体颗粒后，离心(3 500 r/min、10 min)并通过孔径为 0.45 μm 的注射器滤膜，去除悬浮固体及溶解性固体，将上清液放置在120℃的环境中高压灭菌。预处理后的二级出水放置在4℃的冰箱中保存。

1.1.5 BG11液体培养基

BG11液体培养基利用蒸馏水配制，组分及浓度见表1，BG11微量元素母液(A5溶液)的组分及浓度见表2。配制完成后在120℃下灭菌30 min并冷却到室温，利用1 mol/L的NaOH或HCl溶液将pH值调节至约7.1，储存在无菌室待用。

表1 BG11培养基成分及浓度表

表2 A5微量元素溶液构成及浓度表

1.2 实验方法

1.2.1 群落组成观察与氮、磷浓度测定

将活性污泥、混合藻及菌藻系统分别与二级出水混合于柱状光生物反应器中(高×内径×壁厚为350 mm×105 mm×5 mm)，放置在20℃的通风全日荧光灯照(光照强度4 000 lx)实验室里(每日曝气22 h，静置 2 h)培养 6 d。

每天取样观察群落组成并测定氮、磷浓度，所取样品放在4 000 r/min的离心机中离心10 min。取上清液检测氮、磷浓度，将沉淀稀释100倍后滴加在血球计数板上，放置在显微镜下观察群落组成。

1.2.2 微藻生物质测定

(1)粗蛋白及粗多糖的测定

采用凯式法[11]测定粗蛋白的含量，苯酚-硫酸法[11]测定粗多糖的含量。

(2)总脂的测定

在0.1 g的干藻粉中加入5 mL氯仿-甲醇(其体积比为2∶1)，摇匀使充分混合，震荡10 min，离心10 min(4 000 r/min，12℃)，将上层液体转移到分液漏斗中，重复上述步骤2～3遍。在分液漏斗中加入与提取液等体积的NaCl溶液，震荡均匀后静置15 min，测量下层溶液的体积并记录，取下层溶液5 mL置于10 mL玻璃试管中并用氮气吹至干燥，放于60℃恒温烘箱中直至恒重。总油脂含量由式(1)表示为

式中:LW为干藻粉中油脂含量，%；m0、m1、m2分别为10 mL玻璃试管、干藻粉、10 mL玻璃试管和恒重干燥油脂的总重量，g；V为分液漏斗下层液体的体积，mL。

2 结果与分析

2.1 群落组成

2.1.1 活性污泥的群落组成

活性污泥处理二级出水时的微生物组成如图1所示。活性污泥在处理二级出水的过程中出现的微生物种类繁多，其中有细菌，如贝式硫菌；有藻类，如蓝藻、裸藻；有原生动物，如漫游虫、变形虫、累枝虫、表壳虫等；有后生动物，如线虫、轮虫等。微生物种类多样表明活性污泥性能良好。

图1 活性污泥处理二级出水微生物组成图

2.1.2 混合藻的群落组成

混合藻处理二级出水时的微生物组成如图2所示。混合藻在处理二级出水的过程中，初期出现了小球藻、栅藻、颤藻、卵形藻等多种藻类，其中小球藻和栅藻数量最多，颤藻的数量次之；中期微藻种类几乎不变，但卵形藻不再出现，颤藻数量明显减少；后期虽然也只有小球藻、栅藻、颤藻3种微藻，但颤藻的数量很少，小球藻和栅藻成为优势藻种。说明在混合藻处理二级出水的过程中，发挥主要作用的是小球藻和栅藻。

图2 混合藻处理二级出水微生物组成图

2.1.3 菌藻系统的群落组成

菌藻系统处理二级出水时的微生物组成如图3所示。菌藻系统在处理二级出水的过程中，初期有大量的小球藻和四尾栅藻，颤藻的数量很少，出现少量轮虫、变形虫和表壳虫；中期微藻的种类几乎不变，但是轮虫消失，出现了少量草履虫；后期微藻种类与中期相同，但是原生生物只有少量变形虫和表壳虫。说明在菌藻系统处理二级出水的过程中，活性污泥与混合藻共同发挥作用。

图3 菌藻系统处理二级出水微生物组成图

2.2 氮、磷的去除

活性污泥、混合藻及菌藻系统去除二级出水中氮、磷的结果分别如图4、5所示。经过6 d的处理，二级出水中的氮、磷大量减少，第6天时对二级出水的处理基本完成，菌藻系统的去除效果优于混合藻和活性污泥的。其中，菌藻系统对氨氮和磷的去除率最高，分别为94.16%、83.30%；混合藻对氨氮和磷的去除率次之，分别为93.54%、78.46%；活性污泥对氨氮和磷的去除率最差，分别为80.53%、61.72%。

图4 二级出水中氨氮的去除情况图

图5 二级出水中总磷的去除情况图

结合活性污泥、混合藻及菌藻系统处理二级出水时的群落组成可知，菌藻系统的群落组成最复杂，其中菌类和微藻协同处理二级出水时，微藻通过光合作用产生氧气供给菌类，菌类新陈代谢产生碳源提供给微藻进行光合作用。研究表明:当小球藻与活性污泥共同处理废水时，可去除90%的氮、磷[12]，而且微藻的光合作用能引起pH值的升高，使水中的钙离子与磷酸盐形成沉淀，造成氨氮的挥发[13]，所以菌藻系统的去除效果最好。在活性污泥中绝大多数都是菌类，由实验结果可知菌类对氮、磷的去除效果比微藻差。菌类的生长周期较短，在处理后期处于衰亡期，而微藻除了自身的同化作用去除氮、磷，光合作用导致pH值升高，造成了氨氮的挥发。

在处理初期，活性污泥的去除速率与菌藻系统基本相同，混合藻的处理速率最低。原因可能是微藻处在新环境的适应期，活性污泥中的菌类及细菌的胞外聚合物有一定的脱氮除磷能力[14-16]，这时活性污泥中的去除效果更好。

2.3 生物质的生化组成

培养物在二级出水中培养6 d后的生物质组成及含量如图6所示。经过6 d实验后，菌藻系统中蛋白质、多糖及总脂的含量高于混合藻和活性污泥的。菌藻系统在生物能源的生产和一些商业产品的制造等方面有很大潜力，但要真正应用于现实，还需要开展进一步的实验和研究。

图6 培养物在二级出水中培养6 d后的生物质含量图

3 结论

根据研究结果，得到以下结论:

(1)活性污泥中大部分是菌类；混合藻中小球藻和栅藻一直是优势藻种；菌藻系统是由菌类和微藻共同组成的。

(2)对二级出水氮、磷的去除效果，菌藻系统最好，混合藻次之，活性污泥最差。菌藻系统中菌类和微藻的协同作用在处理废水方面有很大的优势，其对氨氮、磷的去除率分别为94.16%、83.30%。将活性污泥、混合藻、菌藻系统处理二级出水时的群落组成与对二级出水中氨氮和磷的去除效率结合分析可知，菌类对氨氮和磷的去除效果比微藻的差。

(3)通过测定活性污泥、混合藻及菌藻系统的生物质含量可知，菌藻系统的生物质含量更高，其蛋白质、多糖、总脂的含量分别为 53.20、16.69、21.16 mg/100 mg。