許華林，葉 暉

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518000)

廢水的高效處理對全球水資源和環(huán)境的保護(hù)與開發(fā)利用具有重要意義[1]。近年來，生活和工業(yè)廢水中含油廢水不斷增多，這些廢水的高效處理成為了當(dāng)前水處理過程中的難題之一。水體中的油脂會封閉水面，造成水體中的生物缺氧致死，分散性的小油脂顆粒(粒徑小于10 μm)會黏附在微生物的細(xì)胞膜外表面，堵塞其生物代謝通道，從而抑制其活性[2]。根據(jù)廢水中油脂的含量和狀態(tài)通常有離心、重力分離、酸化、乳化、絮凝、過濾等物理化學(xué)處理方法，但這些方法通常比較昂貴或者無法去除徹底，如超濾法處理含油廢水時(shí)高效穩(wěn)定沒有二次污染，但是油污和其他污染物會黏附在膜表面，增加膜阻力，降低超濾膜的使用壽命[3]。

生物的方法由于高效廉價(jià)而被應(yīng)用最多[4]。例如膜生物反應(yīng)器(MBR)法可以對石油類廢水起到很好的凈化效果，對油脂和COD的去除率可以達(dá)到60%～90%[5]。劉少北等[6]使用紫外誘導(dǎo)等手段得到的特效除油細(xì)菌可以強(qiáng)化原有的生物方法的處理能力。除了微生物，植物也可以用來處理含油廢水，利用蘆葦、香蒲、海壽花構(gòu)建的人工濕地處理含油廢水可以對油脂達(dá)到96%～98%的去除率[7]。目前，活性污泥法和其衍生工藝是含油廢水的主要處理方法，但是這些方法主要依靠異養(yǎng)細(xì)菌的有氧代謝活動，油脂的封閉作用通常會導(dǎo)致處理速率變慢和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

微藻能高效去除廢水中的氮磷和COD等污染物，并且其細(xì)胞可以作為有價(jià)值的資源回收[8]。而利用微藻與細(xì)菌聯(lián)合處理生活和工業(yè)廢水可以大幅提高處理能力，菌藻之間存在互利共生關(guān)系，微藻可以提供氧氣和有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，而細(xì)菌可以為微藻提供二氧化碳和氮磷等無機(jī)物，其聯(lián)合處理能力往往高于單獨(dú)一種[9]。目前，利用菌藻共生集團(tuán)處理市政和養(yǎng)殖廢水已經(jīng)取得了很多成果，技術(shù)也趨于成熟[10-11]。

使用菌藻共生系統(tǒng)處理含油廢水的研究很少見到相關(guān)報(bào)道，利用菌藻在水環(huán)境中的互利共生的關(guān)系，可以消除或者減輕水面封閉和細(xì)胞表面堵塞帶來的不利影響，提高處理能力。本文針對菌藻互利共生的優(yōu)勢與含油廢水的特點(diǎn)，重點(diǎn)比較了菌藻共生系統(tǒng)和單純的小球藻或者活性污泥系統(tǒng)對含油廢水中主要污染物的處理能力，并對菌藻共生系統(tǒng)中處理能力的強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了深入探究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)材料包括食用油、城市生活污水廠初沉池出水、二沉池活性污泥、小球藻(Chlorellavulgaris)、納氏劑、濾紙。試驗(yàn)儀器包括分光光度計(jì)(上海美析UV-1800)、溶解氧測量儀(上海雷磁JPSJ-605F)、紅外測油儀(北京飛翔賽思FLY6800)、高速離心機(jī)(湖南平凡科技PF-15)、光照培養(yǎng)箱(上海仙象EYH-C150)、便攜式水質(zhì)測定儀(北京優(yōu)譜UPW-T700C)、pH計(jì)(上海雷磁PHSJ-5)、磁力轉(zhuǎn)子攪拌器(上海達(dá)姆MS-305)、抽氣泵(上海皓昕SHZ-DIII)、高壓滅菌鍋(杭州亞旭MLS-3780)、光學(xué)顯微鏡(上海豫光WMS-1033)。

1.2 含油廢水的配制

含油廢水使用污水處理廠初沉池出水，經(jīng)中速濾紙抽濾后120 ℃滅菌，添加約0.5 g/L的食用油配置而成，其成分如表1所示。

表1 合成含油廢水中主要污染物含量

1.3 菌藻共生系統(tǒng)的培養(yǎng)

活性污泥取自城市污水處理廠二沉池，8 000 r/min離心后再用去離子水浸泡12 h, 再次離心后使用。小球藻購買自中科院水生生物研究所，使用BG11培養(yǎng)基擴(kuò)增后離心，去離子水浸泡12 h，再次離心后使用。試驗(yàn)采用錐形瓶開口放置在磁力攪拌器上后放入光照培養(yǎng)箱，純小球藻和活性污泥系統(tǒng)中均采用100 mg/L，菌藻系統(tǒng)中小球藻和活性污泥分別為60 mg/L和40 mg/L。試驗(yàn)采用24 h持續(xù)光照，溫度為28 ℃，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，每隔12 h取樣一次，樣本離心后取上清液在4 ℃冰箱保存，取樣后直接在錐形瓶內(nèi)測定溶解氧(DO)含量。

1.4 測定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 水體中油脂的去除

試驗(yàn)中添加的植物油屬于大分子脂肪酸，在微生物分解時(shí)往往先將其分解為小分子再進(jìn)行去除[15]。如圖1所示，在單獨(dú)活性污泥體系中，由于缺氧和油脂的閉塞作用，活性污泥的活性受到了抑制，油脂幾乎沒有去除。在菌藻系統(tǒng)中，油脂的去除明顯優(yōu)于單獨(dú)的小球藻，從處理一開始這種趨勢就很明顯，最終菌藻系統(tǒng)中油脂的去除率達(dá)到了85.8%，而小球藻系統(tǒng)的去除率為47.8%。兩者出現(xiàn)較大的差異可能是因?yàn)榫逑到y(tǒng)中有的細(xì)菌可以將大分子的油脂進(jìn)行分解，有助于小球藻對其去除。

圖1 3個(gè)體系中廢水中油脂的去除情況

如表2所示，在不同的去除油脂方法中，過濾和吸附效率最高(>95%)，但這些方法本身成本較高，在常規(guī)的廢水中很難大規(guī)模應(yīng)用[3]。而氣浮法更多是應(yīng)用于較高油脂濃度的廢水，且通過氣浮分離的含油濃縮廢水仍然需要進(jìn)一步處理。曝氣生物濾池則需要大量能耗進(jìn)行曝氣并定期更換載體，且在處理含油廢水時(shí)易于出現(xiàn)堵塞和出水水質(zhì)不穩(wěn)定的情況。菌藻系統(tǒng)不僅能達(dá)到較高的油脂去除效率，經(jīng)濟(jì)上也更有優(yōu)勢，利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

表2 不同方法對油脂的去除率比較

2.2 廢水中其他污染物的去除

2.2.1 3種系統(tǒng)中COD的變化

廢水中的COD主要來自于后期添加的食用油，此外，水廠取來的廢水中也有一定濃度的有機(jī)物。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，活性污泥和小球藻對于COD都有出色的去除能力。圖2為不同體系廢水中COD的去除情況。

圖2 3個(gè)體系廢水中CODCr的去除情況

如圖2所示，在3個(gè)系統(tǒng)中，活性污泥對于水中的CODCr去除能力很低，在6 d內(nèi)只去除了51 mg/L，去除率為8.6%，這可能是由于廢水中添加的活性污泥濃度太小(100 mg/L)，或者由于使用的轉(zhuǎn)子攪拌充氧，水面被油封閉[2]，水中缺氧，活性污泥無法完成有氧呼吸。小球藻和菌藻系統(tǒng)均對于COD表現(xiàn)出了出色的處理能力。前3 d兩者的處理速率接近，但是在第3～6 d，菌藻系統(tǒng)的處理速率明顯快于純粹的小球藻，最終菌藻系統(tǒng)中COD的去除率達(dá)到了77.9%，高于純藻系統(tǒng)中的61.0%?？紤]到菌藻系統(tǒng)中的初始小球藻濃度只有純藻系統(tǒng)中的60%，因此，活性污泥中的細(xì)菌在COD的去除和促進(jìn)小球藻吸收能力提高方面起到了關(guān)鍵的作用。

圖3 3個(gè)體系廢水中的去除情況

2.2.3 TN的去除

圖4 3個(gè)體系中廢水中TN的去除情況

如圖4所示，TN在活性污泥系統(tǒng)中去除率為32.1%，可能是在缺氧的情況下，活性污泥系統(tǒng)中出現(xiàn)了反硝化作用，反硝化過程中可以將水中的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)馊コ齕22]。菌藻系統(tǒng)在處理TN時(shí)優(yōu)于純粹的小球藻系統(tǒng)，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)中的去除率分別達(dá)到了79.1%和67.2%，最終的TN濃度均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/L)。

2.2.4 TP的去除

如圖5所示，活性污泥系統(tǒng)中的TP幾乎沒有變化，活性污泥除磷是利用厭氧釋磷好氧吸磷的作用通過排泥進(jìn)行排磷[23]，由于一直處于缺氧的狀態(tài)下，因此，活性污泥對廢水中的磷元素沒有基本沒有吸收。小球藻和菌藻系統(tǒng)均對其有很好的去除率，其中小球藻系統(tǒng)的去除率為86.3%，而菌藻系統(tǒng)為94.6%，在該系統(tǒng)中處理結(jié)束時(shí)，TP的濃度低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級排放標(biāo)準(zhǔn)(1 mg/L)。

圖5 3個(gè)體系中廢水中TP的去除情況

2.2.5 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合比較

表3 活性污泥法與菌藻共生系統(tǒng)處理含油廢水時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2.3 菌藻共生強(qiáng)化的機(jī)理

2.3.1 反應(yīng)器層面的強(qiáng)化機(jī)理

足夠的DO對于活性污泥有氧呼吸和去除水中有機(jī)物十分關(guān)鍵，如圖6所示，活性污泥系統(tǒng)中的DO一直處于嚴(yán)重不足的狀態(tài)，因此，活性污泥的處理能力收到了嚴(yán)重制約。本試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)曝氣，由于高濃度的油脂阻礙了空氣中的氧氣分子進(jìn)入水中，致使出現(xiàn)了DO不足的情況。小球藻和菌藻系統(tǒng)中利用微藻的光合作用產(chǎn)生氧，使系統(tǒng)中的DO基本維持在6 mg/L以上，其中微生物的活性沒有受到太大影響。

圖6 廢水中DO的濃度變化

如圖7所示，在小球藻系統(tǒng)中，盡管DO濃度很高，但是由于液面被封閉，空氣中的二氧化碳無法進(jìn)入水中，限制了微藻的光合作用[21]。而在菌藻系統(tǒng)中，由于有更多的細(xì)菌的存在，分解水中有機(jī)物產(chǎn)生二氧化碳，同時(shí)消耗微藻產(chǎn)生的氧氣，與微藻一起構(gòu)成了一個(gè)內(nèi)部的二氧化碳和DO的內(nèi)循環(huán)[24]。此外，細(xì)菌分解會產(chǎn)生無機(jī)氮磷，將大分子有機(jī)物分解為小分子，這些都有助于微藻的吸收利用，菌藻系統(tǒng)在內(nèi)部形成了一個(gè)互助互利的物質(zhì)小循環(huán)，增強(qiáng)了反應(yīng)系統(tǒng)的處理能力。

圖7 菌藻系統(tǒng)中的DO循環(huán)

2.3.2 細(xì)胞層面的互利共生的機(jī)理

如圖8所示，在光學(xué)顯微鏡下可以看到，盡管沒有使用載體固定，但是水中的細(xì)菌和小球藻還是形成了菌藻共生系統(tǒng)，細(xì)菌和微藻緊貼生長，這種方式有利于兩者之間的物質(zhì)交換，這也說明了小球藻和細(xì)菌之間存在互助關(guān)系?；钚晕勰嘀械暮芏嗉?xì)菌都會分泌一些胞外物質(zhì)，這些胞外物的絮凝黏附作用也成為了菌藻形成小團(tuán)體的客觀條件[25]。

圖8 顯微鏡下菌藻系統(tǒng)

如圖9所示，分散的小油滴會貼附在細(xì)菌和小球藻表面，直接阻礙細(xì)胞和外界的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，而兩者貼附生長時(shí)可以直接進(jìn)行物質(zhì)互換，提高了效率的同時(shí)，最大概率上減少了油滴對其封堵造成的不利影響。此外，豐富的細(xì)菌種類可能有助于廢水中難分解物質(zhì)被分解為小球藻易于轉(zhuǎn)化利用的成分[26-27]。

圖9 油脂封閉菌藻細(xì)胞表面

3 結(jié)論與展望

菌藻共生系統(tǒng)在含油廢水中表現(xiàn)出了更加出色的污染物去除能力，由于油脂對微生物封堵的不利影響，單純的小球藻和活性污泥系統(tǒng)處理能力受到抑制。

(1)成功構(gòu)建了菌藻共生系統(tǒng)，強(qiáng)化了對含油廢水中的COD、油脂、氮磷等主要污染物的去除能力。

(2)小球藻和細(xì)菌形成的共生系統(tǒng)是共生能力提升的關(guān)鍵，兩者之間可以形成物質(zhì)小循環(huán)，充分利用了兩個(gè)物種互補(bǔ)的代謝方式提高了整體的活性，從而提升處理能力。

本試驗(yàn)為傳統(tǒng)的生物方法處理含油類廢水提供了一種升級改進(jìn)的新選擇，揭示了菌藻共生系統(tǒng)在含油類廢水的處理中強(qiáng)化的機(jī)理。盡管菌藻系統(tǒng)在處理含油廢水時(shí)具有操控簡單，能耗低，出水穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是在放大的過程中依然面臨著很多挑戰(zhàn)，如大型反應(yīng)器中光的傳導(dǎo)效率可能會降低，在長期運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)生物入侵等，需要通過更多的小試和中試試驗(yàn)探究和改良。