孫慧娣, 楊廷浩, 韓習(xí)習(xí), 劉長青, 趙方超, *

(1. 青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 山東 青島 266520; 2. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院 (集團(tuán))有限公司, 上海 200092)

0 引 言

當(dāng)前水資源短缺、水污染以及傳統(tǒng)化石燃料污染等環(huán)境問題,給我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此,研究高效節(jié)能的污水處理技術(shù)、開發(fā)可持續(xù)能源成為當(dāng)今社會亟需解決的問題[1]。傳統(tǒng)城市污水處理工藝技術(shù)成熟,但存在處理過程中產(chǎn)生大量剩余污泥難以處置、碳水化合物最終降解為CO2、氮磷去除不達(dá)標(biāo)以及浪費(fèi)污水中潛在營養(yǎng)物質(zhì)等問題[2]。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比,微藻凈化污水技術(shù)具有容量大、成本低、有效減少富營養(yǎng)化等優(yōu)點(diǎn),是一種極具潛力的二級、三級污水處理方式[3-4]。污水資源化培養(yǎng)微藻技術(shù)是一項(xiàng)非常有前景的廢水資源化處理技術(shù)。通過微藻自養(yǎng)或混養(yǎng)生長,將廢水中污染物同化吸收,并轉(zhuǎn)化為油脂等可資源化產(chǎn)物,凈化廢水收獲生物質(zhì)原料的同時(shí)有助于“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[5-6]。生物質(zhì)原料具有可再生性和無毒性[7-8],可以緩解化石燃料引起的全球變暖,已廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域[9-11]。

為了進(jìn)一步探究微藻資源化最佳培養(yǎng)條件,利用污水處理廠初沉池出水與污泥消化液混合的污水培養(yǎng)蛋白核小球藻,研究小球藻在不同比例污水中的生長率和油脂含量變化以及小球藻對不同比例污水中氮、磷和有機(jī)物的去除情況。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 微藻培養(yǎng)

本研究所用藻株為蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa),該藻種購自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫。采用青島市某污水處理廠初沉池出水與污泥消化液不同比例(初沉池出水∶污泥消化液=1∶0、3∶1、1∶1、1∶3、0∶1)混合的污水培養(yǎng)蛋白核小球藻,污水水質(zhì)指標(biāo)見表1。為防止雜菌污染,接種前的污水需在121 ℃下高壓滅菌30 min。滅菌后的污水冷卻至室溫,在超凈工作臺上完成接種。接種時(shí)選用處于指數(shù)生長期的小球藻作為藻種,按照10%的接種比接種至玻璃錐形瓶中,同一條件下均設(shè)3個(gè)平行樣。接種后將錐形瓶放于光照培養(yǎng)箱中,溫度設(shè)為30 ℃,光照時(shí)間和無光照時(shí)間分別為14 h和10 h,光照強(qiáng)度為127 μmol/(m2·s)。為防止微藻沉淀,每天搖晃錐形瓶4次。

表1 不同比例污水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 小球藻濃度和油脂含量測定

(1)小球藻濃度測定

小球藻濃度測定采用OD680法。取一定量的藻溶液稀釋成不同倍數(shù),分別測定其在680 nm下的吸光度并計(jì)算其相應(yīng)干重,建立吸光度和藻細(xì)胞干重之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線,利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算所測小球藻濃度。

(2)小球藻油脂含量測定

取適量藻液于離心管中,以8 000 r/min離心2 min,棄去上清液,使用去離子水沖洗藻泥并離心,反復(fù)幾次直至藻泥處于無菌狀態(tài)。將處理好的藻泥置于真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥24 h,冷凍干燥后的藻泥于研缽中研磨至粉末狀。稱取藻粉(M1,g)至玻璃管中,加入體積比為2∶1的氯仿-甲醇混合液3 mL,混勻后放入避光搖床中,以120 r/min的速度震蕩12 h。取出玻璃管,以8 000 r/min離心1 min,棄去上清液;向剩余藻渣中加入氯仿-甲醇混合液(V1∶V2=2∶1)1.5 mL,水浴超聲(功率為500 W,超聲2 s停4 s)15 min;將超聲后的樣品在8 000 r/min下離心5 min,棄去上清液。向玻璃管中加入1.5 mL甲醇,2.7 mL濃度為0.9%的NaCl溶液,使氯仿∶甲醇∶水=1∶1∶0.9,靜置2 h分層。分離氯仿層(底層)至已知重量的玻璃管2(M2,g)內(nèi),60 ℃氮吹1 h,然后置于烘箱,60 ℃干燥12 h。冷卻至室溫,稱取玻璃管2的重量(M3,g),藻細(xì)胞油脂含量計(jì)算公式如下所示:

藻細(xì)胞油脂含量=(M3-M2)/M1×100%

(1)

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定

1.4 數(shù)據(jù)分析

每組設(shè)3個(gè)平行組,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)表示,用Origin 2021和SPSS 27.0對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)處理。

表2 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)檢測方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同比例污水中小球藻生長及油脂積累情況

圖1 小球藻在5種不同比例污水中的生長曲線Fig. 1 The growth of C. pyrenoidosa with time in five different proportions of sewage

圖2 小球藻在5種不同比例污水中的油脂率變化Fig. 2 Variations of oil percentage of C. pyrenoidosa with time in five different proportions of sewage

2.2 小球藻對不同比例污水的氮、磷以及COD的處理效果

2.2.1 小球藻對不同比例污水氮的處理效果

圖3 5種不同比例污水氮的濃度變化Fig. 3 Variations of nitrogen concentration with time in five different proportions of sewage

2.2.2 小球藻對不同比例污水氮的去除動(dòng)力學(xué)研究

圖4 準(zhǔn)一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合曲線Fig. 4 Fitting curve of quasi-first-order reaction kinetic equation

圖5 準(zhǔn)二級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合曲線Fig. 5 Fitting curve of quasi-second-order reaction kinetic equation

2.2.3 小球藻對不同比例污水磷的處理效果

圖6 5種不同比例污水磷的濃度變化Fig. 6 Variations of phosphorus concentration with time in five different proportions of sewage

2.2.4 小球藻對不同比例污水COD的處理效果

初沉池出水與污泥消化液5種不同比例混合污水中COD濃度變化如圖7所示。比例為1∶0、3∶1、1∶1、1∶3和0∶1的污水初始COD濃度分別為165.73、174.46、217.85、273.01和347.04 mg/L。培養(yǎng)6 d后,比例為1∶1和1∶3的系統(tǒng)COD濃度降至最低,分別為109.79和168.20 mg/L;培養(yǎng)7 d后,比例為1∶0、3∶1和0∶1的系統(tǒng)COD濃度降至最低,依次為62.38、77.79和201.45 mg/L。整個(gè)培養(yǎng)過程中污水COD的最高去除率分別為62.36%(1∶0)、55.41%(3∶1)、49.60%(1∶1)、38.39%(1∶3)和41.95%(0∶1)。統(tǒng)計(jì)分析表明,初沉池出水與污泥消化液5種不同比例混合的系統(tǒng)COD去除率具有顯著差異。由圖7可知,小球藻對5種比例污水COD的去除效果均不佳。5種比例系統(tǒng)COD濃度僅在培養(yǎng)初期有所下降,之后一直呈波動(dòng)式上升趨勢。培養(yǎng)初期COD濃度下降是因?yàn)槲⒃蹇衫梦鬯杏袡C(jī)碳源進(jìn)行生長繁殖,有機(jī)物質(zhì)可以直接作為必需的有機(jī)養(yǎng)分或輔助生長因子發(fā)揮作用。在有機(jī)底物不可用的情況下,小球藻進(jìn)行自養(yǎng)生長,以CO2為碳源將乙醇酸等小分子有機(jī)物作為光合作用的產(chǎn)物排泄到環(huán)境中,導(dǎo)致系統(tǒng)COD濃度升高。再加上培養(yǎng)過程中胞外有機(jī)物分泌以及培養(yǎng)后期藻細(xì)胞裂解、死亡釋放的胞內(nèi)聚合物,使系統(tǒng)COD濃度進(jìn)一步升高。

圖7 5種不同比例污水COD的濃度變化Fig. 7 Variations of COD concentration with time in five different proportions of sewage

3 結(jié) 論