微藻凈化生活污水工藝

　　目前的污水處理方法主要有物理化學(xué)法和生物法。物理化學(xué)法處理費(fèi)用較高，且易產(chǎn)生二次污染，所以，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注生物處理法。傳統(tǒng)的生化二級(jí)處理除磷工藝將大量的磷從污水中轉(zhuǎn)移到剩余污泥中，從根本上看，仍然不能消除磷對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。微藻具有較高的光合作用效率，其光合作用效率可以達(dá)到20%甚至更高，遠(yuǎn)超出一般陸地植物的0.5%。借助它利用氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)，因此，藻類(lèi)可降低水體中的氮、磷含量。另外，藻類(lèi)細(xì)胞具有富集金屬的能力，對(duì)Zn、Hg、Cd、Cu、U、Pb等金屬離子的富集可達(dá)幾千倍，并且由于其生長(zhǎng)速度快，代謝迅速，吸附作用快而凈化效率高。因此，利用藻類(lèi)凈化污水正成為污水處理中的重要研究方向。

　　本研究利用分離到的一株微藻，探討其對(duì)不同類(lèi)型污水的深度凈化的能力和生物量生長(zhǎng)水平，從而獲得污水培養(yǎng)微藻的較佳生長(zhǎng)和凈化污水條件。

　　1、材料與方法

　　1.1 微藻的分離與鑒定

　　1.1.1 微藻的分離培養(yǎng)

　　本實(shí)驗(yàn)采用的藻株分離自青島市石老人海水浴場(chǎng)附近海域，采用微吸管法分離微藻。分離出的藻株采用f/2培養(yǎng)基培養(yǎng)。配制培養(yǎng)基的海水取自青島膠州灣，經(jīng)0.45μm膜過(guò)濾并高溫高壓滅菌后使用。將分離出的藻種接種到盛有600mL培養(yǎng)液的錐形瓶中，然后置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度控制在22℃±1℃，光照強(qiáng)度3500lux，光暗比12h)∶(12h)，每天定時(shí)搖晃3次。

　　1.1.2 微藻的電鏡掃描分析

　　實(shí)驗(yàn)對(duì)微藻培養(yǎng)液進(jìn)行處理，采用薄銅片作載體。首先，在載物盤(pán)上粘上雙面膠帶，然后粘上干凈的薄銅片，再把培養(yǎng)液小心滴在銅片上，用臺(tái)燈近距離照射10min，液體蒸發(fā)干燥后涂電銀漿和蒸金。

　　1.2 污水的特征

　　本研究用于培養(yǎng)微藻的水源分別來(lái)自中國(guó)海洋大學(xué)嶗山校區(qū)污水處理站的中水和青島李村河的生活污水。學(xué)校污水處理站主要收集游泳池、浴池和洗漱用水，經(jīng)過(guò)格柵濾除顆粒物、頭發(fā)，經(jīng)過(guò)沉淀氯消毒后供生活區(qū)沖廁、園林使用。青島李村河的部分區(qū)段在枯水期無(wú)徑流，為周邊村鎮(zhèn)污水排放的主要渠道，污水在順勢(shì)流淌的過(guò)程中，大的顆粒物逐漸沉淀下來(lái)，部分有機(jī)質(zhì)被降解。污水經(jīng)過(guò)孔徑為45μm混合膜過(guò)濾，去除固形物，經(jīng)高壓蒸汽滅菌后備用。水質(zhì)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

　　將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的微藻按10%接種到600mL滅菌的上述污水中，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度22℃±1℃，光照強(qiáng)度3500lux，光暗比(12h)∶(12h)，每天定時(shí)搖晃3次。

　　1.3 微藻的培養(yǎng)

　　將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的微藻按10%接種到600mL滅菌的上述污水中，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度22℃±1℃，光照強(qiáng)度3500lux，光暗比(12h)∶(12h)，每天定時(shí)搖晃3次。

　　1.4 分析方法

　　1.4.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

　　微藻培養(yǎng)液于8000r/min離心5min后，收集上清液用于總氮、總磷含量測(cè)定。氨氮濃度檢測(cè)采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)，COD采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)，總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89，水質(zhì)總氮的測(cè)定)，總磷采用過(guò)鉬酸銨分光光度法測(cè)定(GB11893-89，水質(zhì)總磷的測(cè)定)。

　　1.4.2 微藻生物量測(cè)定

　　每隔48h取一定量的藻液，722N型可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定其在680nm處的吸光值(OD680)，并用血球計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)微藻數(shù)量。建立微藻的細(xì)胞數(shù)與吸光度OD680的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)方程如下：

　　在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期，量取一定體積的藻液，離心(8000r/min，10min)收集藻細(xì)胞，蒸餾水洗滌2次后，8000r/min離心5min，經(jīng)冷凍干燥，稱(chēng)重，以單位體積干質(zhì)量表示其生物量。

　　1.4.3 數(shù)據(jù)分析

　　應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括求均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、單因素方差分析(one-way ANOVA)。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 藻株的鑒定

　　圖1為電鏡掃描觀察到的較完整的細(xì)胞，可見(jiàn)細(xì)胞呈球形，表面略粗糙，但無(wú)溝痕，無(wú)明顯突起，直徑約3μm，單獨(dú)或集合生長(zhǎng)。

　　文獻(xiàn)表明，微擬球藻(Nannochloropsis)細(xì)胞為球形，直徑為2～4μm，單獨(dú)或集合，色素體一個(gè)，淡綠色，側(cè)生，僅占周?chē)囊徊糠?。在活潑生長(zhǎng)的情況下，色素體顏色很深，在氮缺乏的培養(yǎng)中，色素體變淡。沒(méi)有蛋白核，有淀粉粒1～3個(gè)，明顯，側(cè)生。細(xì)胞壁極薄，幼年細(xì)胞看不到，在分裂之前才變得明顯。分裂進(jìn)行時(shí)，細(xì)胞壁擴(kuò)大，與細(xì)胞之間形成空隙。從圖1中微藻電鏡掃描圖的形態(tài)可以看出，該藻株與文獻(xiàn)中描述的微擬球藻形態(tài)特征基本一致。因此，將分離到的藻株歸于微擬球藻屬。其具有生長(zhǎng)迅速、細(xì)胞顆粒小的特點(diǎn)。

　　2.2 微藻對(duì)水質(zhì)的深度凈化及產(chǎn)油情況

　　2.2.1 微藻對(duì)水質(zhì)的深度凈化

　　氮(N)和磷(P)是城市污水中兩種重要成分，也是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要元素，同時(shí)也是支持藻類(lèi)生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。氮是藻類(lèi)細(xì)胞中構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，占藻類(lèi)蛋白質(zhì)含量的16%～18%，它對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)、發(fā)育、成熟以及功能完成至關(guān)重要，磷是藻類(lèi)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜和細(xì)胞核組成成分，并參與光合作用和呼吸作用，也是糖類(lèi)、脂肪及氮代謝過(guò)程中不可缺少的元素。本研究使用的中水和污水的N/P比分別為10.37和38.46，可見(jiàn)本研究使用的中水和污水中的氮磷比例適中，不會(huì)對(duì)微藻的生長(zhǎng)造成太大影響，較適宜微擬球藻的生長(zhǎng)。

　　微擬球藻Win接種到兩種污水后，污水中總氮變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2A。由圖2A可見(jiàn)，微擬球藻對(duì)污水中總氮的去除主要集中在前3天，培養(yǎng)至第3天，中水中總氮的殘留量為12.3mg/L，生活污水中總氮的殘留量為44.56mg/L。可見(jiàn)，微擬球藻對(duì)中水的總氮去除率較高，這可能是由于生活污水中有機(jī)氮的含量較高，不利于微藻對(duì)其吸收與利用，再者，微藻生長(zhǎng)后期水中的磷被耗盡(見(jiàn)圖3B)，N/P比失調(diào)，不利于藻細(xì)胞的分裂，從而不能很好地利用和吸收污水中的氮。對(duì)兩種污水中各種形式氮的去除率如表2所示。中水和生活污水中總氮的初始濃度為55.7mg/L和77.69mg/L，處理后的濃度分別為13.02mg/L和41.98mg/L，微擬球藻對(duì)中水和生活污水的去除率分別達(dá)到76.62%和45.97%。

　　兩種水質(zhì)中總磷的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3B。在培養(yǎng)前期微擬球藻對(duì)污水中總磷的去除速率很快，第3天開(kāi)始，中水和生活污水中總磷的含量分別降低到2.70、0.56mg/L，去除率分別可以達(dá)到49.72%、72.28%。與總氮的變化曲線(xiàn)不同的是，微擬球藻對(duì)生活污水中總磷的去除效率較高，對(duì)正磷酸鹽的去除率也是如此(見(jiàn)表2)?？梢?jiàn)，微擬球藻對(duì)生活污水中磷的去除效果非常明顯，脫磷能力強(qiáng)，對(duì)正磷酸鹽的去除率可達(dá)到93.92%。在生物體內(nèi)只有還原態(tài)的氨氮才能被整合到碳骨架上形成生物生命活動(dòng)所必需的含氮化合物。因此污水中的氨氮較容易被微藻吸收利用，藻類(lèi)和其它光合微生物首先選擇氨氮作為氮源。由表2可知，微擬球藻對(duì)不同污水中各種形式的氮均具有較好的去除能力，尤其是氨氮，在生活污水中可達(dá)95.69%。同時(shí)，微擬球藻對(duì)水中COD也有較好的去除效果，在中水及污水中的去除率分別為72.9%、61.35%，該藻具有較強(qiáng)的去污能力和廣泛的應(yīng)用前景。

　　2.2.2 微藻的生物量變化

　　以細(xì)胞密度表征微擬球藻的生長(zhǎng)情況見(jiàn)圖3A。微擬球藻對(duì)生活污水的適應(yīng)能力很強(qiáng)，生長(zhǎng)良好，最高細(xì)胞密度可達(dá)4.55×10⁶個(gè)/mL。而中水中微擬球藻的生長(zhǎng)狀況較差，細(xì)胞密度一直處于較低水平，最高達(dá)到0.35×10⁶個(gè)/mL，這可能是由于中水中的養(yǎng)分狀況相對(duì)貧乏，對(duì)于微藻生長(zhǎng)所需的條件而言，中水中N/P過(guò)大，不利于微藻生長(zhǎng)。

　　3、結(jié)論

　　經(jīng)形態(tài)特征分析鑒定，本研究分離到的微藻為微擬球藻。該藻能夠很好地適應(yīng)生活污水環(huán)境，在生活污水中培養(yǎng)時(shí)，其細(xì)胞密度可達(dá)到4.55×10⁶個(gè)/mL。而在中水內(nèi)生長(zhǎng)情況較生活污水較差。該藻株對(duì)兩種污水中氮和磷具有一定的去除能力，尤其是對(duì)氨氮和正磷酸鹽，去除率分別可以達(dá)到95.69%和93.92%。

　　有研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)液中高濃度的Fe³⁺對(duì)小球藻(ChlorellaVulgaris)的油脂積累有明顯的促進(jìn)作用，可使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)干質(zhì)量的56.6%，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，根據(jù)本研究發(fā)現(xiàn)，利用僅預(yù)處理過(guò)未添加任何元素的純污水培養(yǎng)微擬球藻，雖然具有較高的氮磷去除效果，但微藻的生長(zhǎng)和油脂積累一直維持在較低水平，利用微擬球藻深度凈化城市生活污水有待進(jìn)一步的研究。(來(lái)源：河南省化工研究所有限責(zé)任公司)