管式藻类生物膜—超滤膜装置处理生活污水的试验研究

袁思涵 魏群 罗晓暄 张之浩

（广西大学资源环境与材料学院，广西南宁 530004）

1 引言

传统的污水处理技术存在能耗高、碳排放高等问题，与节能减排和资源回收的可持续发展理念相矛盾［1-2］。从绿色低碳的角度来看，藻类生物污水处理是一种新型绿色的污水处理技术［3］。藻类能通过光合作用固定污水中的碳源并释放O2，高效吸收氮磷等营养物质并降解有机污染物［4］。目前有研究认为，藻类细胞通过分泌胞外聚合物（EPS）可以在载体上形成稳定的生物膜，这种形式相比于悬浮培养增加了藻细胞浓度，提高了藻类承受pH、温度和营养物浓度波动的能力，并且减少了后续藻细胞分离或收获的压力［5］。Zhang 等［6］研究认为，微滤（MF）和超滤（UF）膜工艺不仅能够去除各种水体中颗粒和胶体以及病原微生物，而且膜技术已被证明对藻类的分离特别有效。由于环保意识的不断增强，污水排放要求也越来越严格，超滤膜技术以其独特的优势受到污水处理领域的广泛关注。近年来，藻类生物膜与超滤膜技术在相关领域已有大量研究，但将藻类生物膜与超滤膜组成完整污水处理系统的研究甚少。本研究设计了一套管式藻类生物膜—超滤膜污水处理装置，针对水力停留时间（HRT）和光照模式进行了深入研究，以期为微藻水处理技术的实际运用提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验装置

管式藻类生物膜—超滤膜污水处理装置由原水箱、蠕动泵、管式藻类膜反应器、沉淀池、超滤膜组件和出水箱构成，如图1 所示。管式藻类膜反应器材质为亚克力有机玻璃，有效尺寸Φ95 mm×1 000 mm，有效容积6 L。藻类膜载体为MBBR（移动床生物膜反应器）填料，该填料具有多个凸起、孔洞和内部通道，可提供大量表面积用于微生物生长和附着，规格25 mm×12 mm，材质为聚丙烯，设置填充度75%。超滤膜采用60 mm×350 mm 的中空纤维膜，有效膜面积0.5 m2，膜孔径0.1 μm。LED 灯管为藻类膜提供光源。

图1 管式藻类膜—超滤膜污水处理装置示意

2.2 藻类培养与试验污水水质

试验藻种选用斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）FACHB-12，购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。预培养选用BG11 培养基，在光照培养箱中以藻种库推荐环境条件（25 ℃，2 000 lx，12 h∶12 h 光暗比）培养，然后在2 L 锥形瓶内进行扩大培养，培养条件：温度25±2 ℃，曝气量1.5 L/min，光照强度5 000 lx，24 h 光照。

试验污水取自贵港市某污水处理厂细格栅处，采集时用4 层纱布过滤，试验前用紫外灭菌灯照射污水1 h，以减少污水中细菌等微生物对藻类生物膜的干扰。主要水质指标如下：化学需氧量（COD）浓度为278.14～375.55 mg/L；总磷（TP）浓度为2.06～4.58 mg/L；总氮（TN）浓度为32.91～43.39 mg/L；氨氮（NH4+-N）浓度为16.57～26.04 mg/L。

2.3 试验方法

2.3.1 藻类生物膜挂膜及驯化

管式藻类膜光反应器按0.4 g/L（以干重记）的接种比加入斜生栅藻藻液，利用蠕动泵按100 mL/min的流量让反应器内的藻液循环流动，进行为期10 d的挂膜培养，待载体表面明显变绿后开始驯化，驯化持续5 d，前4 d 每天放出1.5 L 藻液，并加入1.5 L试验污水；第5 天用污水将所有藻液全部置换。

2.3.2 HRT 试验

在室温、5 000 lx 平均光照强度的连续光照条件下，向管式藻类膜装置内通入6 L 试验污水进行动态运行试验，HRT 分别设置为3，4，5 d，则每天进出水量对应为2.0，1.5，1.2 L。为期5 d 每天定时检测进水和藻类膜出水COD，TP，TN，NH4+-N 等指标。

2.3.3 光照模式试验

设置4 个不同的光照模式：5 000 lx 人工光源24 h（模式Ⅰ）；5 000 lx 人工光源12 h +12 h 黑暗（模式Ⅱ）；自然光源+夜间5 000 lx 人工光源（模式Ⅲ）；纯自然光源（模式Ⅳ）。HRT 设为5 d，检测进水、管式藻类膜反应器出水和超滤膜出水的各项水质指标。

2.4 分析方法

pH 直接用多参数水质测定仪测出；藻类光密度（OD680）采用分光光度法；COD 采用快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）；TP 采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—89）；TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）；NH4+-N 采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）。

3 结果与分析

3.1 HRT 对藻类膜污水处理效果的影响

3.1.1 对COD 和TP 的去除效果

图2 展示了管式藻类膜反应器对COD 的去除效果。由图2 可以看出，当进水COD 浓度在278.14～375.55 mg/L 之间时，出水COD 浓度随着HRT 的延长而降低。当HRT 为3 d 时，COD 出水平均浓度为91.53 mg/L，平均去除率仅为70.44%；当HRT 延长至5 d 时，系统出水COD 浓度大幅度降低并趋于稳定，由平均浓度326.48 mg/L 降至27.20 mg/L，平均去除率为91.69%。由于污水中含有大量有机碳源，微藻生物膜系统处于混养状态，斜生栅藻FACHB-12 可通过异养作用，以污水中的溶解性物质或一些悬浮物为营养，完成自身生长繁殖，从而达到消耗污水中有机底物的目的［7］。随着HRT 的增加，生物膜藻细胞逐渐适应了污水环境，光合速率和产氧速率加快，为满足自身生长繁殖需求，需要同化大量有机营养物。较短的HRT 要求微藻在短时间内处理大量的有机污染物，高负荷可能会对微藻的生长和代谢能力造成影响，使微藻无法有效降解COD。适当增加HRT 可以控制污水中的有机负荷，使微藻处于高效吸收状态［8］。

图2 不同HRT 下藻类膜对COD 的去除效果

3 种HRT 下TP 浓度以及去除率的变化如图3所示。藻类膜系统TP 平均浓度分别由4.45，4.39，4.40 mg/L 降至0.82，0.27，0.09 mg/L，平均去除率随着HRT 的提高从81.46%增长至97.37%。微藻对磷的去除主要依靠同化作用，藻类生物膜表面的胞外聚合物可通过吸附和络合作用捕获PO43-，然后通过细胞质膜中磷转运体主动吸收PO43-，最后用于合成核酸和细胞代谢等生理活动［9］。HRT 设置为4 d 和5 d 时TP 去除效果较好，这可能与藻类生物膜系统pH 和DO 的变化有关，在pH 升高和DO 浓度较高的情况下，磷酸盐会与水体中的金属离子（如钙、镁和铁）形成不溶性沉淀，这将有助于磷的去除［10］。

图3 不同HRT 下藻类膜对TP 的去除效果

3.1.2 对TN 和NH4+-N 的去除效果

藻类膜对TN 和NH4+-N 的去除效果见表1。在HRT 为3 d 和4 d 时，TN 的平均去除率分别为49.42%和45.89%，说明污水停留时间过短，藻类膜不能对含氮污染物有效去除。当HRT 延长至5 d时，出水TN 浓度出现明显下降，平均浓度由35.73 mg/L降至6.68 mg/L，平均去除率上升至81.06%。由于实际污水中含氮污染物成分复杂，藻类需要足够的能量和时间用于氮的转化和利用，这一点与磷的吸收不同，磷可以在较短HRT 下得到去除。这与Iman Shayan［11］评估HRT 对旋转藻类生物膜反应器去除污染物的影响得出的结论一致。NH4+-N 的去除率随着HRT 的增加而提升，当HRT 分别为3，4，5 d 时，NH4+-N 的平均浓度分别由20.43，22.37，21.04 mg/L降至7.78，4.28，1.41 mg/L，NH4+-N 的去除效果相对于TN 有了大幅提升。原因是藻类生物膜对NH4+-N的吸收途径相对简单，通过转运蛋白进入细胞后能直接被藻类利用［9］。有机氮通过转运蛋白进入微藻细胞后需要转化为NH4+才被微藻吸收，而NO3-进入微藻细胞后，需要转化为NO2-再转化为NH4+才能被微藻直接利用，这表明微藻吸收有机氮和硝酸盐需要消耗更多的能量。此外，藻类除了吸收氨氮，还可以通过光合作用产生氧气而促进氨氮的氧化［12］。随着HRT 的增加，DO 浓度大幅提高，因此NH4+-N 的去除效率也逐渐升高。

表1 不同HRT 下TN 和NH4+-N 的去除效果

3.2 光照模式试验

3.2.1 pH 的变化

各光照模式下进出水pH 如图4 所示。进水pH范围为7.1～7.6，经过管式藻类膜反应器的处理后，藻类膜出水pH 均高于进水值。在模式Ⅰ下，pH 平均值为8.5，而模式Ⅱ由于每天只进行12 h 小时的人工光源照射，藻类膜光合作用减弱，出水平均pH 下降为8.1；模式Ⅲ和模式Ⅳ藻类膜开始接受自然光照，藻类膜反应器出水pH 迅速上升，这可能是因为自然光源的光谱范围比人工光源全面，促进了微藻的光合作用，从而使pH 升高；模式Ⅳ在夜晚没有人工光源补光，出水pH 有所下降，说明在失去夜晚补光后，藻类膜代谢强度降低，这与模式Ⅱ在无夜晚补光后出现的情况一致。含藻水经超滤膜过滤后，出水pH 在一定程度上均有所降低，其范围在7.8～9.0 之间，符合排放要求。

图4 不同光照模式下pH 的变化

3.2.2 OD680的变化

试验各光照模式下的出水OD680如图5 所示。进水中的OD680范围在0.027～0.243，其主要由实际污水中所含藻类及部分杂质引起。由于生物膜上的藻细胞处于吸附—脱附—再吸附的动态平衡，因此反应器出水OD680可推测藻类膜系统在不同光照模式下的生长状况。在Ⅰ，Ⅱ光照模式下，藻类膜反应器出水中OD680处于较低水平，平均值分别为0.052 和0.038，模式Ⅱ由于光照时间缩短，悬浮藻生长时间变短，其OD680平均值略低于Ⅰ阶段；在Ⅲ，Ⅳ光照模式下，藻类膜开始接受自然光照，藻细胞代谢强度增加，繁殖速度加快，出水OD680迅速上升，平均值分别为0.160 和0.110。另一方面，当藻类暴露于高光强时，过量的光会导致PSII 成分的光氧化，从而导致光抑制［13］，这种现象最终会使得部分藻类细胞衰亡。模式Ⅳ由于夜晚缺乏光照，OD680平均值低于Ⅲ阶段。所有光照模式经过超滤膜处理后，藻类几乎被全部去除，其出水OD680平均值仅为0.01。

图5 不同光照模式下藻类OD680 的变化

3.2.3 污染物的去除效果

在4 种不同光照模式下，装置对污染物的去除效果如图6 所示。

图6 不同光照模式下污染物去除效果

由图6 可以看出，采用光照模式Ⅲ（自然光照12 h+夜间补光12 h）时，COD，TN，NH4+-N 的去除效果最好，平均出水浓度分别为20.39，3.53，1.17 mg/L，去除率分别为93.69%，90.19%，94.95%。这表明藻类生物膜系统的营养去除能力与光照强度和光照时间密切相关，模式Ⅲ在白天采用自然光源照射，夜晚进行人工补光，光照较为充足，促进了藻类生物膜以及悬浮藻对营养物质的吸收。值得注意的是，TP 的去除效果在采用模式Ⅰ（人工光源24 h）时最佳，去除率达到97.26%，分析原因为模式Ⅰ光照环境较为稳定，微藻在光合作用过程中磷的利用效率较高，TP去除效果最好。综合来讲，无论是在人工光源还是在自然光源下，连续的光照环境更有利于藻类生物膜吸收营养物质；经超滤膜处理后，装置各项出水指标均能稳定达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 标准。

4 结论

（1）HRT 作为生物法污水处理的重要运行参数，直接影响微生物新陈代谢和营养吸收。适当延长管式藻类膜系统运行的HRT，可有效提高对各类污染物的去除效果。当HRT 为5 d 时，管式藻类膜反应器 对COD，TP，TN，NH4+-N 的 平 均 去 除 率 分 别 为91.69%，97.37%，81.06%，92.62%。

（2）在4 种不同的光照模式下，系统对污染物去除效果均表现稳定，其中采用自然光源加上夜晚人工补光的模式处理效果最好，COD，TP，TN，NH4+-N的平均出水浓度分别为20.39，0.12，3.53，1.17 mg/L，去除率分别达到93.69%，97.26%，90.19%，94.95%。

（3）出水经超滤膜过滤处理后藻类及悬浮物含量大大降低，出水OD680稳定在0.01 左右。采用管式光生物反应器培养藻类生物膜，其光照适应性强，污染物去除效果显著，再联合超滤膜水处理技术，降低藻类污染风险，抗冲击负荷能力强，能达到污水深度处理的目的。