基于小球藻的浅层藻床反应器对市政污水厂二级出水的净化效果

解清杰 姜姗 管向伟 常铖炜 熊新港 王帆

DOI： 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.03.017

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘要： 基于浅层藻床反应器，在不同的温度、光照强度、光暗比、CO2体积分数以及动态试验中的水力停留时间等条件下，研究了普通小球藻（Chlorella vulgaris）对市政污水处理厂二级出水中碳、氮和磷元素的净化效果，探究了水质波动下长期稳定运行的小球藻浅层藻床反应器的深度处理效能.研究结果表明：温度为26 ℃，光照强度为6 000 lx，光暗比为14 h∶10 h，加富CO2体积分数为1%，为小球藻深度处理污水最适宜的环境条件；在此最佳运行条件下，将反应器持续稳定运行，水力停留时间为1.0～1.5 d时，对二级出水中化学需氧量（COD）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）及总氮（TN）的去除率分别达到52.0%～86.8%、75.6%～87.4%、59.1%～75.9%及64.0%～68.0%.

关键词：  浅层藻床反应器; 小球藻; 城市污水; 脱氮; 除磷

中图分类号： X52  文献标志码：  A  文章编号：   1671-7775（2024）03-0367-06

引文格式：  解清杰，姜  姗，管向伟，等. 基于小球藻的浅层藻床反应器对市政污水厂二级出水的净化效果［J］.江苏大学学报（自然科学版），2024，45（3）：367-372.

收稿日期：   2022-04-18

基金项目：  国家自然科学基金资助项目（31971472）； 西藏自治区科技厅重点研发项目（XZ202301ZY0002N）

作者简介：   解清杰（1973—），男，河北献县人，教授（xieqingjie73@163.com），主要从事工业废水高级氧化处理技术研究.

姜  姗（1996—），女，辽宁抚顺人，硕士研究生（18860872402@163.com），主要从事水处理技术研究.

Purification effect of secondary effluent of municipal wastewater

plant by shallow algal bed reactor based on Chlorella vulgaris

XIE Qingjie1， JIANG Shan1， GUAN Xiangwei2， CHANG Chengwei1， XIONG Xingang1， WANG Fan1

（1. School of Environment and Safety Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. China Kunlun Contracting and Engineering Corporation， Beijing 100037， China）

Abstract： Based on the shallow algal bed reactor， the purification effects of Chlorella vulgaris on carbon， nitrogen and phosphorus elements in secondary effluent from municipal sewage treatment plant were investigated under the conditions with different temperature， light intensity， light-dark ratio， CO2 volume fraction and hydraulic retention time in dynamic test. The depth treatment efficiency of Chlorella vulgaris reactor under long-term stable operation with water quality fluctuations was investigated. The results show that the optimal environmental conditions for depth treatment of sewage by Chlorella vulgaris are with temperature of 26 ℃， light intensity of 6 000 lx， light-dark ratio of 14 h∶10 h and CO2 volume fraction of 1%. Under the optimal operation conditions， when the reactor is operated continuously and stably with the hydraulic retention time of 1.0-1.5 d， the removal rates of chemical oxygen demand （COD）， total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH3-N） in secondary effluent are 52.0%-86.8%， 75.6%-87.4%， 59.1%-75.9% and 64.0%-68.0%， respectively.

Key words：  shallow algal bed reactor; Chlorella vulgaris；municipal wastewater; nitrogen removal; phosphorus removal

深床反硝化滤池在污水深度处理中的应用较为广泛，但是由于二级出水碳含量低，需要投加外源性碳源，致使运行成本较高，同时增加了二次污染的风险［1］.为寻求清洁、高效的污水厂深度处理技术，各国学者将目光投向了微藻［2］.微藻是一种光合自养型生物，生长过程中将氮、磷和碳作为营养物质转化为有利用价值的生物质［3］.微藻污水深度处理具有以下优势：对二级出水脱氮、除磷，降低了污水排放引起水体富营养化加剧的风险；通过生长获得丰富的生物质，可替代不可再生燃料用于生产生物燃油；通过光合作用固定空气中的CO2［3］.在碳中和背景下，微藻深度处理污水是一种具有可持续性和经济效益的废水处理技术.

近年来，针对微藻处理各类型污水效果的问题，国内外学者进行了大量研究.L. DE SOUZA LEITE等［4］利用小球藻对城市污水进行处理，结果表明即使进水中碳、氮和磷初始浓度变化较大，对溶解性无机碳、正磷酸盐和氨氮的平均去除率分别可以达到46%～ 56%、40% ～ 60%和100%.XU K. W.等［5］研究发现，城市污水中培养的小球藻在高低温交替条件下生物量最多（1.62 g/L），生物量产率最高（99.21 mg/（L·d）），对化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和氨氮（NH3-N）的去除率最高，分别为83.0%、96.5%、97.8%和99.2%.可见，小球藻对于城市污水处理的效果很好.但是，有关光生物反应器环境条件及其运行参数方面尚缺少较为全面的研究.

为此，笔者所在课题组基于浅层藻床反应器，探究在不同温度、光照强度、光暗比、CO2体积分数和动态试验中水力停留时间等条件下的普通小球藻（Chlorella vulgaris）对市政污水处理厂二级出水的脱氮、除磷效果，探讨其最佳运行参数，及水质波动下长期稳定运行的小球藻的浅层藻床反应器深度处理效能，为微藻深度处理提供参考.

1  试验部分

1.1  试验装置与仪器

浅层藻床反应器主体材质为有机玻璃.其前部、后部（下凹处）的长度分别为50、20 cm，总长度为70 cm，宽度为35 cm，前部、后部（下凹处）的高度分别为40、45 cm，总体积为101.5 L.通过蠕动泵及液体转子流量计泵入污水，并调控水力停留时间.反应器上部装有均匀分布的LED灯管，为微藻提供必要的光能.反应器底部装有温控器和曝气器，用来调控水温和调节CO2体积分数.图1为浅层藻床反应器结构示意图.

高压蒸汽灭菌锅选用中友XFH-30CA自控型立式蒸汽灭菌锅.光照培养箱购自上海一恒科学仪器有限公司.恩谊752紫外分光光度计购自常州恩培仪器制造有限公司.高速离心机选用常州天瑞仪器有限公司80-1电动离心机.显微镜选用XSP-13CA型生物显微镜.DRB200高温消解仪购自哈希公司.光照强度采用AS803照度计（1～10 000 lx）测定.pH采用pH计测定.

1.2  藻  种

试验所用普通小球藻（FACHB-5）购自中国科学院淡水藻种库.该藻种净化二级出水中氮、磷的效果较好，生物质产量较高.将处于稳定期的微藻置于人工配置二级出水中驯化，培养至对数生长期备用.

1.3  污水来源及水质

小球藻驯化使用人工配置二级出水，添加了作为碳源的葡萄糖、作为磷源的磷酸二氢钾、作为氮源的硫酸铵以及Fe、Cu、Mn、Zn等微量元素.此外，利用NaHCO3调节pH至7.0～8.0.主要水质指标中，COD、TP、TN和NH3-N的质量浓度范围分别为50～100、1.0～5.0、10～30和10～20 mg/L.

小球藻污水净化试验中，采用污水厂二级出水，取自镇江市京口区某市政污水处理厂.COD、TP、TN和NH3-N的质量浓度范围分别为50～60、1.2～2.0、12～20和10～13 mg/L.

1.4  试验方法

1.4.1  小球藻的培养及驯化

1） 培养.试验用藻种使用BG11培养基进行培养.微藻接种前，培养基及实验器具均需灭菌处理，接种操作于净化工作台中.将10 mL小球藻藻種接入装有100 mL的BG11培养基的锥形瓶中，在光照培养箱中进行培养.其中，光照培养箱的光照波长范围为450～600 nm，温度设置为（25±1）℃，光暗比为12 h∶12 h，光照强度为（4 000±200）lx，每日定时摇匀3次.培养至对数生长期，藻液变为浓绿色，然后按照藻种与培养基质量比为1∶5进行扩培.

2） 驯化.取出培养至稳定期的小球藻液，进行离心、清洗以及再离心，按照藻种与人工配置二级出水质量比为1∶5进行混合.在温度、光暗比、光照强度等环境因素不变的条件下，每天定时摇匀3次，7 d后进行离心、清洗，然后转培至新配置的二级出水中.

1.4.2  小球藻对二级出水的净化

试验中，将驯化后的小球藻接种至浅层藻床反应器中，以温度、光照强度、光暗比、CO2体积分数及水力停留时间为影响因素，进行单因素多水平试验，每组试验设置3组平行样.定时取样，测定小球藻比生长速率，并将水样以10 000 r/min的转速离心6 min后，取上清液，测定、分析水质指标COD、TP、NH3-N和TN的去除效果.除水力停留时间因素为动态试验外，其他均为静态试验.小球藻在水中呈悬浮状态，不同水深处均有分布.光在水中传播时会被悬浮物质利用和散射，造成在水深梯度上光强不断衰减.水深为1.5、50.0和100.0 cm处的光强分别为水面光强的17.84%、69.80%和32.12%［6］.为保证各水深梯度中的小球藻得到充足光照，综合考虑自然光强及实际应用中占地面积，本课题组选择水深为25.0 cm进行研究.根据文献［7］，选择小球藻初始浓度为5×106个/mL.

1.5  分析方法

水质指标分析中，依据GB 11914—89《化学需氧量的测定：重铬酸盐法》，采用重铬酸盐法测定COD质量浓度；依据GB 11893—89《水质总磷的测定：钼酸铵分光光度法》，采用钼酸铵分光光度计法测定TP质量浓度；依据HJ 535—2009《水质-氨氮的测定：纳氏试剂分光光度法》，采用纳氏试剂分光光度计法测定NH3-N质量浓度；依据HJ 636—2012《水質-总氮的测定：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN质量浓度；采用血球计数板-显微镜法测定藻密度；采用紫外分光光度计，以光密度（OD680）表征藻类生物量.小球藻比生长速率计算公式［8］为

μ=ln Nt-ln N0Δt，（1）

式中： μ为比生长速率，d-1；Nt为第t天生物量，g/L；N0为初始生物量，g/L；Δt为试验天数，d.

2  结果与讨论

2.1  温度的影响

试验中，光照强度设置为（5 000±200）lx，光暗比为12 h∶12 h.小球藻适宜生长温度为20～30 ℃，温度过低会降低微藻活性，使其没有充足的能力吸收氨氮以及可被藻类利用的磷源和碳源［9］.我国除北方城市冬季温度较低外，中、南部城市污水厂自然水温大多为18～28 ℃.为此，本试验中，考察温度为18、22、26、30 ℃时各水质指标的净化效果，如图2所示，其中k为去除率.

由图2可知： 温度为18～26 ℃时，随着温度的升高，COD、NH3-N、TN、TP去除率和比生长速率均随之提高，26 ℃时5个参数均达到最高值，分别为88.12%、58.70%、70.21%、62.01%及0.52 d-1；温度为26～30 ℃时，5个参数均略有降低.可见，温度为18～30 ℃时，小球藻的比生长速率均大于0，说明此温度范围内小球藻均可正常生长；比生长速率先升后降，说明温度适宜时生长较快，温度较低或较高时生长相对较慢.从而验证了较低温度条件下，小球藻动力不足，对于氮源、磷源及碳源的利用均不活跃，处理效果较差；较高温度条件下，小球藻细胞结构易被破坏，导致衰亡，处理效果也随之降低.因此，工程应用中，应注意在夏季采取适当遮阳措施，防止因阳光直射而导致温度过高，以及防止冬季低温影响藻类的正常生长.综合考虑温度为18～30 ℃时各水质指标数据，认为小球藻在26 ℃时污水处理效果最佳.

2.2  光照强度的影响

试验中，光暗比设置为12 h：12 h，温度控制为（26±1）℃，根据小球藻生长适宜光照强度［10］，本试验中选择在光照强度分别为2 000、4 000、6 000和8 000 lx的条件下，研究光照强度对小球藻净化二级出水效果的影响，结果如图3所示.

由图3可知：光照强度为6 000 lx时，对污水中COD、TP、NH3-N及TN去除率达到最高值，分别为85.19%、64.35%、60.21%和49.74%；光照强度为2 000、8 000 lx时，各水质污染物的去除率均相对较低，尤其是在光照强度为2 000 lx时小球藻的比生长速率很低，说明2 000 lx的光照强度会导致小球藻光合作用不足，对碳、氮和磷元素利用率较低；相较于小球藻适宜的生长条件，8 000 lx的光照强度偏高，与文献［11］认为光照过强会引起藻细胞内无机碳的相对耗竭，抑制小球藻生长的观点相一致.综上，最佳光照强度为6 000 lx.

2.3  光暗比的影响

微藻在光照和黑暗交替的环境下生长，不容易产生光闭塞现象，藻产量较高［12］，且光照时间与藻类的生长密切相关，故对光暗比进行优化.考虑实际应用时尽量利用自然光，因而减少人工光源的使用，降低用电成本.根据自然日照时间，选择光暗比分别为10 h∶14 h、12 h∶12 h和14 h∶10 h.试验中，温度为（26±1）℃，光照强度为（6 000±200）lx，分析光暗比对利用小球藻净化二级出水效果的影响，结果如图4所示.

由图4可知： 在3种光暗比下，小球藻对COD的去除率均超过80%，去除效果较好；光暗比为14 h∶10 h时，COD、 NH3-N和TN去除效果最佳，且小球藻比生长速率最高；光暗比为12 h∶12 h时，TP的去除效果最佳；光暗比10 h∶14 h时，4种污染物去除率和小球藻比生长速率均最低，原因可能是光照时间不足，光合作用较弱，吸收营养元素较少；随着光照时间的增长，小球藻的比生长速率不断提高，验证了在一定光照下光照时间与比生长速率成正相关［11］.综上，小球藻最适宜光暗比为14 h∶10 h.

2.4  CO2体积分数的影响

CO2为小球藻进行光合作用中的主要碳源，因此CO2体积分数对小球藻处理污水效果有较重要的影响.根据文献［13-14］，小球藻在CO2体积分数为1%～15% 时比生长速率较高.由于空气中CO2体积分数为0.03%，故需对污水进行CO2加富.依据2.1-2.3小节中的试验结果，设置适宜的运行条件如下：温度为（26±1）℃，光暗比为14 h∶10 h，光照强度为（6 000±200）lx，通过气体流量计控制CO2体积分数为1%、5%、10%和15%.从而得到CO2体积分数对利用小球藻净化二级出水效果的影响，结果如图5所示.

由图5可知： 随着CO2体积分数的增加，比生长速率及各污染物去除率均呈现下降趋势，其中对COD、NH3-N和TN的影响较明显，对TP的影响不明显；CO2体积分数为1% 时对COD、NH3-N和TN的去除效率最高，分别达到92.33%、63.25%和52.30%，且小球藻的比生长速率达到最大值（0.65 d-1）；CO2体积分数为1%～15%时TP的去除率基本不变，保持在80%左右.文献［14］研究认为，培养基中氮源特别充足，而污水厂二级出水中氮源已相对较低，过高的CO2体积分数反而不利于小球藻的生长.综上，小球藻最适宜CO2体积分数为1%.

2.5  水力停留時间对污水净化效果的影响

文献［15］研究认为，水力停留时间会对微藻的处理效果产生影响，水力停留时间为0.5～10.0 d时微藻能够发挥较好的净化效果.考虑二级出水中的碳、氮和磷的浓度较低以及实际污水处理效率，试验中选取水力停留时间t1分别为0.5、1.0、1.5和2.0 d，对比分析小球藻净化效果.根据2.1-2.4小节的试验结果，适宜的运行条件如下：温度控制为（26±1）℃，光暗比为14 h∶10 h，光照强度为6 000 lx，CO2体积分数为1%.试验结果如图6所示.

由图6可知： 4种水力停留时间下，COD、TP、NH3-N和TN的质量浓度在运行初期均逐渐下降，并在几天后趋于稳定，但运行时间过长，污染物质量浓度略有上升，认为效果降低的原因为小球藻进入细胞衰亡阶段，处理效能降低；水力停留时间为0.5 d时，COD、NH3-N及TN质量浓度从运行第8天开始达到稳定的最小值，分别为10.00、3.88及6.20 mg/L，TP质量浓度从第14天开始达到稳定的最小值（0.36 mg/L）.水力停留时间分别为1.0、1.5和2.0 d时，COD、NH3-N及TN质量浓度从第4天开始达到稳定的最小值.其中COD质量浓度最小值分别为8.00、7.00和7.00 mg/L，去除率达到52.0%～86.8%；NH3-N质量浓度最小值分别为2.96、3.21和3.30 mg/L，去除率达到59.1%～75.9%；TN质量浓度最小值分别为7.21、6.40及6.40 mg/L，去除率达到64.0%～68.0%.TP从第8天开始稳定后，质量浓度变化较小，基本保持在0.25～0.50 mg/L，去除率达到75.6%～87.4%.综上，水力停留时间为1.0～2.0 d时的污染物整体去除效果要优于水力停留时间为0.5 d，推断其原因是水力停留时间为0.5 d时，由于污水停留时间较短，流量相对较大，因而易冲淡小球藻密度.在反应开始阶段藻密度无法得到快速提高，造成污染物去除率低.但是由于营养较为充足，故经过较长运行时间也能达到稳定处理效果.

3  结  论

1） 最佳运行条件下，即温度为26 ℃，光照强度为6 000 lx，光暗比为14 h∶10 h，CO2体积分数为1%时，小球藻比生长速率较快，且对市政污水厂二级出水效果较好.实际污水处理一般是在室外条件下进行，太阳直射光照强度远高于小球藻适宜生长条件，冬季气温低于小球藻适宜生长条件.因此，应注意夏季阳光直射和冬季低温情况对小球藻的影响，调节适宜的污水处理环境条件.

2） 最佳运行条件下，当水力停留时间为1.0～1.5 d时，小球藻能够对市政污水厂二级出水中COD、TP、NH3-N及TN进行有效去除，质量浓度最小值分别7.00、0.25、2.96和6.40 mg/L.在污水水质波动下，反应器连续运行达到稳定状态时，COD、TP、NH3-N及TN去除率分别为52.0%～86.8%、75.6%～87.4%、59.1%～75.9%及64.0%～68.0%.

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（責任编辑  赵  鸥）