初沉出水与消化液优化配比培养小球藻的研究

孙慧娣, 杨廷浩, 韩习习, 刘长青, 赵方超, *

(1. 青岛理工大学 环境与市政工程学院, 山东 青岛 266520; 2. 上海市政工程设计研究总院 (集团)有限公司, 上海 200092)

0 引 言

当前水资源短缺、水污染以及传统化石燃料污染等环境问题,给我国经济社会可持续发展带来了严峻挑战。因此,研究高效节能的污水处理技术、开发可持续能源成为当今社会亟需解决的问题[1]。传统城市污水处理工艺技术成熟,但存在处理过程中产生大量剩余污泥难以处置、碳水化合物最终降解为CO2、氮磷去除不达标以及浪费污水中潜在营养物质等问题[2]。与传统污水处理工艺相比,微藻净化污水技术具有容量大、成本低、有效减少富营养化等优点,是一种极具潜力的二级、三级污水处理方式[3-4]。污水资源化培养微藻技术是一项非常有前景的废水资源化处理技术。通过微藻自养或混养生长,将废水中污染物同化吸收,并转化为油脂等可资源化产物,净化废水收获生物质原料的同时有助于“碳中和、碳达峰”目标的实现[5-6]。生物质原料具有可再生性和无毒性[7-8],可以缓解化石燃料引起的全球变暖,已广泛应用于商业领域[9-11]。

为了进一步探究微藻资源化最佳培养条件,利用污水处理厂初沉池出水与污泥消化液混合的污水培养蛋白核小球藻,研究小球藻在不同比例污水中的生长率和油脂含量变化以及小球藻对不同比例污水中氮、磷和有机物的去除情况。

1 试验材料与方法

1.1 微藻培养

本研究所用藻株为蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa),该藻种购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。采用青岛市某污水处理厂初沉池出水与污泥消化液不同比例(初沉池出水∶污泥消化液=1∶0、3∶1、1∶1、1∶3、0∶1)混合的污水培养蛋白核小球藻,污水水质指标见表1。为防止杂菌污染,接种前的污水需在121 ℃下高压灭菌30 min。灭菌后的污水冷却至室温,在超净工作台上完成接种。接种时选用处于指数生长期的小球藻作为藻种,按照10%的接种比接种至玻璃锥形瓶中,同一条件下均设3个平行样。接种后将锥形瓶放于光照培养箱中,温度设为30 ℃,光照时间和无光照时间分别为14 h和10 h,光照强度为127 μmol/(m2·s)。为防止微藻沉淀,每天摇晃锥形瓶4次。

表1 不同比例污水水质指标

1.2 小球藻浓度和油脂含量测定

(1)小球藻浓度测定

小球藻浓度测定采用OD680法。取一定量的藻溶液稀释成不同倍数,分别测定其在680 nm下的吸光度并计算其相应干重,建立吸光度和藻细胞干重之间的标准曲线,利用标准曲线计算所测小球藻浓度。

(2)小球藻油脂含量测定

取适量藻液于离心管中,以8 000 r/min离心2 min,弃去上清液,使用去离子水冲洗藻泥并离心,反复几次直至藻泥处于无菌状态。将处理好的藻泥置于真空冷冻干燥机中冷冻干燥24 h,冷冻干燥后的藻泥于研钵中研磨至粉末状。称取藻粉(M1,g)至玻璃管中,加入体积比为2∶1的氯仿-甲醇混合液3 mL,混匀后放入避光摇床中,以120 r/min的速度震荡12 h。取出玻璃管,以8 000 r/min离心1 min,弃去上清液;向剩余藻渣中加入氯仿-甲醇混合液(V1∶V2=2∶1)1.5 mL,水浴超声(功率为500 W,超声2 s停4 s)15 min;将超声后的样品在8 000 r/min下离心5 min,弃去上清液。向玻璃管中加入1.5 mL甲醇,2.7 mL浓度为0.9%的NaCl溶液,使氯仿∶甲醇∶水=1∶1∶0.9,静置2 h分层。分离氯仿层(底层)至已知重量的玻璃管2(M2,g)内,60 ℃氮吹1 h,然后置于烘箱,60 ℃干燥12 h。冷却至室温,称取玻璃管2的重量(M3,g),藻细胞油脂含量计算公式如下所示:

藻细胞油脂含量=(M3-M2)/M1×100%

(1)

1.3 水质指标测定

1.4 数据分析

每组设3个平行组,实验数据用平均值±标准差(n=3)表示,用Origin 2021和SPSS 27.0对所得数据进行作图和数据处理。

表2 常规水质指标检测方法

2 试验结果与讨论

2.1 不同比例污水中小球藻生长及油脂积累情况

图1 小球藻在5种不同比例污水中的生长曲线Fig. 1 The growth of C. pyrenoidosa with time in five different proportions of sewage

图2 小球藻在5种不同比例污水中的油脂率变化Fig. 2 Variations of oil percentage of C. pyrenoidosa with time in five different proportions of sewage

2.2 小球藻对不同比例污水的氮、磷以及COD的处理效果

2.2.1 小球藻对不同比例污水氮的处理效果

图3 5种不同比例污水氮的浓度变化Fig. 3 Variations of nitrogen concentration with time in five different proportions of sewage

2.2.2 小球藻对不同比例污水氮的去除动力学研究

图4 准一级反应动力学参数拟合曲线Fig. 4 Fitting curve of quasi-first-order reaction kinetic equation

图5 准二级反应动力学参数拟合曲线Fig. 5 Fitting curve of quasi-second-order reaction kinetic equation

2.2.3 小球藻对不同比例污水磷的处理效果

图6 5种不同比例污水磷的浓度变化Fig. 6 Variations of phosphorus concentration with time in five different proportions of sewage

2.2.4 小球藻对不同比例污水COD的处理效果

初沉池出水与污泥消化液5种不同比例混合污水中COD浓度变化如图7所示。比例为1∶0、3∶1、1∶1、1∶3和0∶1的污水初始COD浓度分别为165.73、174.46、217.85、273.01和347.04 mg/L。培养6 d后,比例为1∶1和1∶3的系统COD浓度降至最低,分别为109.79和168.20 mg/L;培养7 d后,比例为1∶0、3∶1和0∶1的系统COD浓度降至最低,依次为62.38、77.79和201.45 mg/L。整个培养过程中污水COD的最高去除率分别为62.36%(1∶0)、55.41%(3∶1)、49.60%(1∶1)、38.39%(1∶3)和41.95%(0∶1)。统计分析表明,初沉池出水与污泥消化液5种不同比例混合的系统COD去除率具有显著差异。由图7可知,小球藻对5种比例污水COD的去除效果均不佳。5种比例系统COD浓度仅在培养初期有所下降,之后一直呈波动式上升趋势。培养初期COD浓度下降是因为微藻可利用污水中有机碳源进行生长繁殖,有机物质可以直接作为必需的有机养分或辅助生长因子发挥作用。在有机底物不可用的情况下,小球藻进行自养生长,以CO2为碳源将乙醇酸等小分子有机物作为光合作用的产物排泄到环境中,导致系统COD浓度升高。再加上培养过程中胞外有机物分泌以及培养后期藻细胞裂解、死亡释放的胞内聚合物,使系统COD浓度进一步升高。

图7 5种不同比例污水COD的浓度变化Fig. 7 Variations of COD concentration with time in five different proportions of sewage

3 结 论