微藻处理污水的可行性研究

1.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安2710182.山东省湖泊流域管理信息化工程技术研究中心,水发规划设计有限公司,山东济南2501003.北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室,北京100044摘要:传统的污水处理工艺大都采用活性污泥法，虽然对污水净化发挥了重要作用，但处理后的出水中依然残留部分有机物、氮、磷等污染物。本研究以污水处理厂出水为莱茵衣藻培养基，探讨莱茵衣藻在污水中的生长情况及对污水中营养元素（氮、磷）的去除效果。研究结果表明，莱茵衣藻在污水中的生长状态良好且对污水中总磷、总氮和COD具有较好的处理效果，去除率分别达到了98.7%、72.6%和81.5%。本研究为污水处理及微藻培养技术的改进提供了新的理论依据。关键词:莱茵衣藻;污水处理;可行性中图法分类号:[R123.3]文献标识码:A朱新曼1,尹儿琴1*,刘友春2,桑敏3,张游2,张伟3,姜瑞雪1**,江丹丹2**文章编号:1000-2324(2019)03-0509-04StudyontheFeasibilityTreatingWastewaterbyChlamydomonasreinhardtii

ZHUXin-man1*,YINEr-qin1*,LIUYou-chun2,SANGMin3,ZHANGYou2,ZHANGWei3,JIANGRui-xue1**,JIANGDan-dan2**1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering/ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an271018,China2.ShandongEngineeringandTechnologyResearchCenterforInformatizationinLakeBasinManagement,WaterDesignGroupCo.,Ltd.,Jinan250100,China3.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment,MinistryofEducation,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,ChinaAbstract:Thetraditionalwastewatertreatmentprocess,suchasactivatedsludgeprocess,playsanimportantroleinthepurificationofwastewater.However,therearestillsomeresidualcontaminantslikeorganicmatters,nitrogenandphosphorusintheoutletofwastewatertreatmentplants.Thus,themainaimofthepresentstudywastoinvestigatethefeasibilityofthetreatedwastewaterastheculturalmediumforcultivatingChlamydomonasreinhardtiiculturation.ThegrowthofC.reinhardtiiintreatedsewagewasinvestigatedbymatchassays,andtheremovalcapacityofC.reinhardtiifornutrientelements(nitrogenandphosphorus)insewagewasalsostudied.theresultsshowedthatC.reinhardtiicouldgrowingoodconditioninthetreatedsewage.Meanwhile,C.reinhardtiiexhibitedahighremovalcapacityforcontaminantsinsewage,withahighremovalratioof98.7%,72.6%,and81.5%forTP,TN,andCOD.Thisstudyprovidesanewtheoreticalbasisfortheimprovementofwastewatertreatmentandmicroalgaeculture.Keywords:Chlamydomonasreinhardtii;wastewatertreatment;feasibility随着城市化进程的加快，城市污水的排放量也越来越大。传统的污水处理方法主要是物理处理法、化学处理法和生物法等。其中，生物处理被认为是最经济有效的方法，其主要原理是利用好氧、缺氧以及厌氧微生物在不同的环境条件下将污水中的有机物、氮、磷等污染物通过同化和异化作用分解或者合成在微生物细胞内，从而实现净化水质的目的[1]。微藻是一种细胞结构简单、生长繁殖快的微生物，广泛存在于自然水体中[2,3]，可以利用水中的C、N、P等物质为基质进行生长繁殖。微藻是一类最简单的低等植物，易于培养，对于环境适应能力以及生存能力极强。利用微藻的生长繁殖过程对水中C、N、P等物质的同化作用同样也可以实现污水的净化。国内外研究表明，藻类既可以有效地去除市政污水中N、P等物质[4,5]，还能够去除高分子有机物质[6,7]。然而，目前已有的研究收稿日期:2018-03-30修回日期:2018-04-16基金项目:国家自然科学基金(41771502);山东水利科技推广项目(SDSLTG201810);水发规划设计有限公司科研项目(SFSJKY201903)作者简介:朱新曼(1989-),女,在读硕士,研究方向为水处理理论与技术.E-mail:1184821623@qq.com*同等作者:尹儿琴(1979-),女,副教授,研究方向为水处理理论与技术.E-mail:44418488@qq.com**通讯作者:Authorforcorrespondence.E-mail:34491783@qq.com;598715677@qq.com数字优先出版:2019-06-17http://www.cnki.net·510·山东农业大学报(自然科学版)第50卷主要侧重于实验室条件下微藻的培养以及对高浓度污水的处理方面[8]，而对低浓度污水中微藻的生长繁殖和去除污染物的能力依然缺乏必要的认识，尤其在微藻对中水进入受纳自然水体后的净化贡献方面缺乏认识。因此，本文的主要目的在于探讨微藻在城市污水处理厂排水（即中水）中的生长繁殖能力及其对中水中污染物的净化能力，旨在为中水水质的进一步净化和微污染水体的生态修复提供理论参考。1

1.1材料与方法

材料1.1.1藻种莱茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii购买自中科院武汉淡水藻藻种库。1.1.2培养基SE培养基基本配方如下：NaNO30.25g、FeCl3.6H2O0.005g、NaCl0.025g、KH2PO40.175g、CaCl2.2H2O0.025g、MgSO4.7H2O0.075g、K2HPO40.075g、1mLEDTA-Fe、1mLA5、40mL土壤提取液，定容至1000mL。1.1.3人工污水人工污水配方如下：蔗糖0.15g、蛋白胨0.15g、NaAC0.08g、NH4Cl0.0764g、KH2PO40.0208g、MgSO4.7H2O0.02g、CaCl20.0106g、NaHCO30.125g、EDTA0.003g，定容至1000mL，灭菌后备用。2006年最新修订《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级（A）标准：TN为：15mg/L，TP为：1mg/L，COD为：50mg/L。因此，本研究配备的人工污水TN为：45mg/L，TP为：1.5mg/L，COD为：150mg/L。1.1.4仪器实验所需仪器：紫外-可见分光光度计（UV-2450）、生物显微镜、血球计数板、生化培养箱、磁力搅拌器、立式压力蒸汽灭菌器。1.2方法1.2.1莱茵衣藻预培养无菌条件下选取适量藻种转接于SE培养基中，培养温度维持在25℃，光照强度2000Lux，光照：黑暗比12:12的条件下进行扩大培养，获得足够的莱茵衣藻细胞。1.2.2莱茵藻生长情况的研究取适量的藻液用孔径0.45μm滤膜过滤洗净，接种于事先配置好的人工污水中，一份置于原水中，一份置于1/2浓度原水中，藻的初始浓度为2×105个/mL。每天取适量藻液于血球计数板上用显微镜观察数量，并记录。1.2.3人工废水中TP的变化每天取适量藻液，用孔径0.45μm滤膜过滤，滤液用钼锑分光光度法来测量污水中TP的含量并记录数据，每组设置三个平行实验，绘制TP变化曲线。1.2.4人工废水中TN的变化每天取适量藻液，用孔径0.45μm滤膜过滤，滤液用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测量污水中TN含量并记录数据，每组设置三个平行试验，绘制TN变化曲线。1.2.5人工废水中COD的变化：每天取适量藻液，用孔径0.45μm滤膜过滤，滤液用高锰酸钾滴定法测量水中COD量，每组设置三个平行试验，并绘制COD变化曲线。2

2.1结果与分析

莱茵衣藻的生长情况将莱茵衣藻接种到人工污水（模拟中水）后，其生长繁殖情况如图1所示。由图1可以看出，莱茵衣藻在两种浓度的中水中生长状况均良好，整个生长曲线呈现S型。在接种初期，莱茵衣藻生长缓慢，属于一个环境适应期，即适应新的营养环境期。经过2d左右的短暂适应期后，莱茵衣藻迅速生长，进入指数期。当莱茵衣藻的生物量达到一定数量后，即生物量达到600×104个/mL左右时，其生长速率和死亡速率达到相对平衡，莱茵衣藻的生长进入稳定期，生物量基本不再增加。这可能是因为生长条件，尤其是营养基质（C、N、P）的逐渐减少而导致莱茵衣藻的生长繁殖受到抑制，使其生长速度逐渐放缓。而在指数期1/2浓度原水中的生物量为500×104个/mL左右，原水中莱茵衣藻的生物量明显大于1/2浓度原水中的生物量，说明污水浓度能够影响莱茵衣藻的生物量。总第3期朱新曼等:微藻处理污水的可行性研究·511·之，由该实验结果可以看出，莱茵衣藻在中水中不仅可以有效存活，且具有较强的生长繁殖能力。2.2莱茵衣藻对中水中TP的去除莱茵衣藻对中水中总磷（TP）的去除情况如图2所示。由图2可以看出，原水和1/2原水中TP的减少主要发生在前三天，经莱茵衣藻处理7天后，原水和1/2浓度原水中TP含量由原来的1.5mg/L、0.75mg/L分别减少到了0.08mg/L和0.01mg/L由实验结果可以看出莱茵衣藻对磷的去除效果非常显著，原水和1/2浓度原水中TP的去除率分别达到了94.7%和98.7%。由此可见，莱茵衣藻对中水中总磷具有很强的去除能力。此外，李婷婷等[9]研究的固定化小球藻对市政污水中的磷的去除率为45%；项荩仪[10]基于小球藻培养的市政污水处理研究中对活性污泥法出水总磷去除率最高达87.64%。由此可以看出，莱茵衣藻对中水中总磷的去除有相当好的效果。图1莱茵藻生长情况Fig.1Thechangeofalgalgrowthinwastewater图2莱茵藻对磷的去除效果Fig.2TheremovalofTPinwastewater2.3莱茵衣藻对TN的去除效果莱茵衣藻对中水中总氮（TN）的去除情况如图3所示。由图3可以看出，经莱茵衣藻处理7d后，原水和1/2原水中的TN由原来的44.6mg/L、22.3mg/L分别减少到了15.2mg/L和6.1mg/L。莱茵衣藻对原水和1/2原水中TN的最终去除率分别达到65.9%和72.6%。刘磊等[11]在3种微藻对人工污水中氮磷去除效果的研究中，在最佳条件下微藻对于TN的去除率才达到50.7%；李婷婷等[9]研究的固定化小球藻对市政污水中的氮的去除率最高才达到57%。实验中莱茵衣藻对1/2原水中的总氮的吸收基本达到饱和状态，以原水为例，刚开始藻处于适应期，其处理效果不高，但随着藻类的快速增长，其处理效果越来越高，后期由于营养物质的减少和生存条件的恶化，其处理效率逐渐趋于平稳，但总体的总氮去除率为65.9%。图3莱茵藻对氮的去除效果Fig.3TheremovalofTNinwastewater2.4莱茵衣藻对COD的去除效果莱茵衣藻对污水中的有机物（ChemicalOxygenDemand,COD）的去除结果如图4所示。由图4可以发现，污水经莱茵衣藻为期7d的处理后，原水和1/2浓度原水中的COD由原来的150mg/L和75mg/L分别减少到了31.2mg/L和13.9mg/L，相应的去除率分别为79.2%和81.5%。杨利敏[12]在舟形藻对造纸废水中COD去除效率及其影响因素的研究中，驯化后的舟形藻对造纸废水中的COD的降解率最高达61.9%；项荩仪[10]基于小球藻培养的市政污水处理研究中对活性污泥法出水COD去除率最高达72.13%。由此可见，莱茵衣藻对水体中有机物污染物也具有较强的净化能力。·512·山东农业大学报(自然科学版)第50卷图4水中COD变化曲线Fig.4ThechangeofCODinwastewater随着城市化进程的加快，越来越多的生活污水进入污水处理厂，城市污水处理厂虽然对水质净化以及水环境保护发挥了重要作用，但是即使污水处理厂排水能够完全达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级（A）的标准，即COD、TP和TN的浓度分别为50、1和15mg/L，依然远高于我国的地表水环境质量标准（GB18918-2002）中的V类水的标准（分别为40、0.4和2mg/L）。污水处理厂排水的排放浓度虽然考虑到了自然水体的物理稀释和自然净化能力，然而结合目前我国的地表水环境的脆弱性和较差自净能力的现状，中水的进入依然是一个较大的污染源。而微藻大量存在于自然水体中，因其体积小、比表面积大、细胞外含有多聚物等特点具有较强的吸附能力，并且可以同时实现对重金属离子等其它污染物的去除[13-15]。由本文的结果也可以证实，微藻不仅能在中水中正常生长繁殖，且对自然水体中的低浓度污染物（如中水稀释一倍后的浓度）也具有较强的净化能力，对水体污染物的净化发挥着重要作用。因此，微藻不仅对自然水体中的污染物净化具有重要贡献，也可以作为污水处理深度处理的一个选择。3结论

本文以莱茵衣藻为例研究了微藻在中水中的生长繁殖及对污染物的去除能力。结果表明，采用城市污水处理厂的排水（即中水）为培养基的莱茵衣藻在中水中生长状况良好，具有较强的存活和生长繁殖能力，在稳定期间呈指数增长；莱茵衣藻对中水中低浓度的TP、TN和有机物（COD）均具有较强的去除能力，去除率可分别达到98.7%、72.6%和81.5%以上。参考文献[1][2][3][4][5][6][7][8][9]郑兴灿.城市污水生物脱氮除磷工艺方案的选择[J].给水排水,2000,26(5):1-4田朝玉,叶晓,华威,等.基于污水处理的微藻培养研究进展[J].环境工程,2016,3(34):1-5RochaixJD.Chlamydomonasreinhardtii[J/OL].ReferenceModuleinLifeSciences,2017,https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809633-8.06200-2黄魁.藻类去除污水中氮磷及其机理研究[D].江西:南昌大学,2007张静霞.利用微藻处理污水的研究进展及发展趋势[J].现代农业科技,2008,11(69):1007-5739XiongJQ,KuradeMB,JeonBH.CanMicroalgaeRemovePharmaceuticalContaminantsfromWater[J].TrendsBiotechnol,2018,36(1):30-40LiJ,ZhengXQ,LiuKC,etal.EffectoftetracyclineonthegrowthandnutrientremovalcapacityofChlamydomonasreinhardtiiinsimulatedeffluentfromwastewatertreatmentplants[J].BioresourceTechnology,2016,218(7):1163-1169鲍亦璐.微藻培养过程的营养优化与控制研究[D].广州:华南理工大学,2012李婷婷,王起华,周春影,等.固定化小球藻对市政污水中N，P营养盐的深度处理Ⅰ藻细胞年龄对氮、磷去除率的影响[J].辽宁师范大学学报,2002,25(4):1000-173[10]项荩仪.基于小球藻培养的市政污水处理研究[D].湖北:湖北工业大学,2017[11]刘磊,杨雪薇,陈朋宇,等.3种微藻对人工污水中氮磷去除效果的研究[J].广东农业科学,2014,7(11):004-874[12]杨利敏.舟形藻对造纸废水中COD去除效率及其影响因素的研究[D].武汉:华中师范大学,2011[13]冯秀娟.耐高温微藻的分离筛选及对重金属汞、铬去除效率研究[D].青岛:中国石油大学,2013[14]邵瑜.微藻对养猪废水氮磯的獲源化利用研究[D].浙江:浙江大学,2016[15]李捷.四环素对莱茵衣藻生长及去除再生水中营养物质的影响[D].泰安:山东农业大学,2017