固定化微藻的双层光生物反应器模型对城市污水中不同阶段氮磷的有效去除研究.docx

<p>固定化微藻的双层光生物反应器模型对城市污水中不同阶段氮磷的有效去除研究
摘要：面临受限的磷资源及加紧的排放规定，磷酸盐及硝酸盐的回收引起了人们的极大兴趣。本文将微藻应用到废水处理过程是一个有前景的方法。本文创建了将绿藻Halochlorella固定在垂直单元表层的双层光生物反应器模型。该过程并未受到悬浮粒子、细菌及藻生物量渗漏损失的影响。微藻的平均面生长为6.3g/m2/d。处理后，废水中的氮、磷浓度能够有效的减少至70-99%，这依赖于元素集不同类型的废水。废水中氮、磷浓度的平均值分别低于1.3mg/L、1mg/L，这满足了欧盟水框架公约的排放限值并展现出满足即将到来的更为严格的法律的潜力。
关键词：微藻；废水处理；生物膜；固定化；光生物反应器

1 前言
众所周知，加速的水体富营养化是严重的环境问题，这主要是由人类以农业肥料、废物和废水等形式排放的氮、磷所引起的。尽管20世纪60年代，我们为从废水中去除这些营养元素做出了许多努力，并取得了显著的成果，但大部分营养物质都不能得到回收利用。目前，本世纪全球磷源的枯竭威胁着基于肥料的现代农业以及全球粮食生产，因此回收这些耗散资源的技术是急切需求的。由于约16%的矿物磷几乎全部通过人类消费而存于废水中，因此，废水是氮、磷可持续管理的首选源。
微藻的使用是回收废水中营养物质的一项有效的策略，这是由于这些生物体有着非常有效的营养盐吸收机制。除了营养盐的回收之外，源于微藻的生物量及产品有额外的价值优势，这也提高了该技术的经济可行性。随着Oswald基于开放池系统中微藻及细菌培养的高速率藻池（HRAPs）的设计，微藻用于废水处理已经有50年了。尽管该技术有一些成功的应用，废水处理系统中的高速率池塘有主要的缺点，如将微藻生物体从处理过的废水中分离出来的成本，低的生物量生产力及营养盐吸收速率以及污染生物体的干扰。
为了解决这些问题，大量研究提出将固定化微藻用于废水的净化。早期的用于去除废水中营养盐及各种类型污染物的细胞固定化技术主要是用天然或人工合成的聚合体进行包埋，如de-Bashan等人所报道的胶珠，然而，包埋对细胞生长、营养盐吸收的限制以及技术的复杂性，这使得该项技术不适于大规模的应用。近来在光养生物膜及被动的固定在各种载体的基础上，系统已经进行了模拟，这样避免了附着及基质材料的花费。在废水处理系统中，光养生物膜已经用于净化二次废水或者直接用于处理原始废水。尽管生物膜固定化技术能够预防细胞变为游离，但细胞仍然受到流动液体与生物膜界面水动力因素的影响。因此，在很多研究中，细胞的渗漏或从生物膜上分离出来在很短时间内发生，
基于实验室尺度所取得的可喜的成果，本研究建立了一个以technicalsscale为原型的双图层面积为2m2的光生物反应器（TL-PBR），它使用从常规废水处理厂进行过几项处理的市政废水以批量模型运行了几周。结果用来鉴定双层光生物反应器（PBR）可能的优缺点，并评价用该系统处理具有不同物理化学特性的废水的技术可行性以及这项技术在去除市政废水中营养盐及回收藻生物量中的营养盐的潜力。
2 方法
2.1 微藻种及培养
Halochlorella rubescens CCAC 0126从德国科隆大学藻种库获取。游离藻液在含有50ml Waris-H培养基的锥形瓶中生长，温度为23±2℃，白色荧光灯强度为20-40μmol光子m-2s-1，光暗比14:10h。为了双层光生物反应器的接种，大量藻液在20L的充气袋中生长，光照强度为40-100μmol光子m-2s-1，其它生长条件同上。
2.2 市政废水
为了使用双层光生物反应器模型处理废水，本研究使用了从常规市政废水处理厂中处理过的废水。该设备是由一个本地的水管理组织操作。从4月到6月在废水处理流程中三个不同的位置采样：（1）生物除磷池（厌氧条件下，进行生物处理将磷释放出来）；（2）脱氮池（NO3-转化为N2）；（3）生物处理后的二次沉降池（排放前）。废水收集到20L的塑料容器中，并在暗处4℃条件下保存（三天内使用）。为了避免废水中固体颗粒对双层PBR的干扰，废水在使用前经过约2小时的沉淀以去除固体颗粒。
2.3 生活废水中化学参数的测定
废水样品中N、P含量的实验室分析通过使用SHIMADZU UV-2450 UV-VIS分光光度计，磷酸盐通过铵钼酸盐方法测定，铵态氮通过使用比色法测定，样品的PH通过使用MultiLab P5酸度计测定。所有化学参数的测定均在室温下进行。
2.4 双层光生物反应器废水处理
2.4.1 双层光生物反应器 双层光生物反应器是为固定化微藻的培养而研发的。它的主要作用就是通过多孔薄片状材料将固定化微藻与培养基分离开来。这也能在供给带有水和营养盐的固定化藻的同时，而不将藻细胞泄漏到悬浮液中。双层光生物反应器是基于以前描述的模型。图1展示了模型系统的原理。在目前的设置中，双层光生物反应器有三个1x1m面积的模块垂直安装在金属支架上（模块沿着南北轴方向，模块间的距离约为50cm）。与以前相比，本研究使用尼龙过滤板作为运载固定化微藻的基质层。一个强化玻璃纤维网用来支撑纤维层，这被应用于两边并分布在液体中。通过上述描述的设置，双层光生物反应器形成了一个6m2的总垂直生长表面来用于固定微藻。通过使用膜泵将废水从存储容器中抽到模块上方的源层，并且流经一个筒式过滤器将大的粒子去除掉。液体培养基在重力作用下流经源层。水和营养盐通过尼龙膜直接扩散到固定化微藻培养液中。在模块的底部收集废水并再次循环到存储容器中。

2.5 实验设计及条件
4月到6月，废水处理实验在科隆大学植物研究所的一个温室中进行。紧挨着双层表面的温度被不断的记录，实验室期间的温度在18到32℃变化。光照期间，温室的光密度在22到220 mm-2s-1变动，而双层的西表面光密度在30到220mmol m-2s-变动比东面的光密度高的多。
H.rubescens通过对悬浮藻液离心得以收获，并通过海绵将藻液接种到双层模块中，形成生物量的藻密度约为2g/dw。废水处理实验前，微藻在Waris-H 培养基中生长22天。
55L生活废水以3.8L h-1m-1的流速流进双层系统中。使用四种不同类型的废水连续的对双层光生物反应器进行测试。每种类型测试8天。（1a）经过二次处理的废水；（1b）经过二次处理的废水并添加1.5ml L-1PO43-来模拟不活跃的磷沉淀过程；（2）脱硝池中的废水；（3）生物除磷池中的废水。系统的运行是分别连续的对1a、1b循环1天，2、3循环2天。再循环阶段完成后，更换55L同样类型的新鲜废水直到8天处理阶段末。总共，双层光生物反应器在废水处理条件下运行32天，为了探索无藻条件下系统对废水中营养盐去除的影响，本研究做了一个相同的不含微藻的系统对生物除磷废水处理2天。
为了分析废水中的PO43-、NH4+和NO3-，我们每天从容器中取出80ml经过整个废水处理阶段混匀的废水做为样品。为了测定H.rubescens的干重，分别在12天及22天培养基培养期间取样，并在生活废水处理的8天循环末取样（即30天、38天、46天及54天），在每个模块东西两边取5x5cm的生物样品，使用橡皮刮刀以保证取样位置的随机性。
3 结果与讨论
3.1城市污水中营养盐的去除
小规模的双层光生物反应器在32天的一个阶段中对四种类型的城市污水进行了测试。与其它处理阶段相比，生物除磷池含有最高浓度的磷酸盐（3.5-4.5 mg/L）和氨氮（7.5-14mg/L），然几乎不含有硝酸盐。在四个2天的处理循环中，78.9%的磷酸在生物除磷池中得到了去除，相当于平均每天吸收率为1.5mgL-1d-1。NH4+经过全部循环1天的处理后完全被去除掉。脱氮池中磷酸盐的浓度在1.4到2.6mg/L/d之间，经过2天的循环处理后，去除率达到了85%（吸收率为0.8mgL-1d-1）。而脱氮池中氮的两种化合物浓度很低，其中NO3-、NH4+的浓度均低于3mg/L，进过1天的处理后完全得到了去除。
由于弗雷兴废水处理过程中反硝化作用及磷酸盐的化学沉淀作用，二次废水中含有低浓度的磷酸盐（&lt;1mgl-1）及三种形式废水中高浓度的no3-（6-9.2 r2=&quot;&quot;&gt;0.97）。面向西的填料层的生长速率为1.2g/m2/d。这比面向东的生长速率(0.8g/m2/d)约高50%。在很大程度上，这些监测是由于平均光密度，暴露在西表面的光米度显著高。最近Liu等报道的生长栅藻的TL-PBR系统表明，表面生物量生产力依赖光（生长在垂直表面）以及藻生物量生产力能够在优化的光照、CO2实验室条件下达到15g/m2/d，这与其它已确立的PBR技术相比是有优势的。这些数据表明在低纬度TL-PBR系统的操作会变得更为有效。
本研究对从不同类型培养基TL系统的东面收获的生物量的生长速率进行测定，结果表明废水的组成并未对藻的生长产生重大的影响（实验也与标准Waris-H培养基进行了对比）。在有着高光密度的西面，不同类型的废水导致的生长的不同变得更为显著，这可能是由于在第二阶段的处理中对磷的吸收速率迅速下降而此时氮已经枯竭所导致的营养盐限制。
3.2 TL-PBR用于废水处理的技术优势及潜力
本研究描述了采用传统生活污水厂不同处理阶段的不同类型的废水来生长微藻的模型尺度的TL系统，结果表明固定化微藻对氮、磷能有效的去除。双层PBR系统在目前的应用中其技术优势是明显的，尽管大部分生物膜PBRs系统通过将废水中的生物量与液体培养基分离开来，并支持在废水处理中使用微藻。由于流动培养基的接触层及附着生物膜，单细胞或生物膜整个部分的解离是不可避免的并且需要频繁的干预。相反，在超过56天的TL-PBR系统处理中，并未发现固定化细胞与生物膜的解离。这可能是由于TL系统废水与固定化藻被微孔基质层隔离开来，这确保了反应器的生物组分被完全永久的固定。另外，这一层能够作为耐废水藻污染物的屏障、藻的捕食者、寄生虫能够改变生物膜反应器的组成，因此能够保证稳定的操作条件及处理过程的可再生性。另外，在TL系统中，悬浮粒子不干扰生物膜表层的有效光，因为悬浮被应用于被照明生物膜表面的背面。
富含粒子的废水悬浮液的应用是堵塞的潜在源，因此能干扰TL系统中废水的重力流。在这里，狭窄空间（&lt;1mm）主要的瓶颈是TL系统中在重力作用下的沿着填料层背面的废水流，必须允许一个等量和稳态分布的液体培养基在整个TL系统中。通过使用粗筛孔的网格而不是早期TL-PBR系统中多孔玻璃纤维非织造布作为相邻填料层的垫片，设置中所描述的堵塞能够有效的避免。
从技术角度讲，尽管使用滤芯来对TL系统进行操作，但假设废水只是经过沉淀而没有其它的预处理。甚至应用机械方法处理含有高浓度有机污染物的原废水，也不会干扰TL-PBR系统的运行。这表明使用TL-PBR系统时，不必要像开放池或固定化藻胶那样在微藻处理前减少细菌负荷。
将TL-PBR结合到WWTP中需要考虑哪些点？从技术层面上讲，双层PBR能够在废水处理的所有阶段运行。数据显示，使用TL技术能够降低初步废水的营养盐负荷，并使其水质满足欧盟制定的水框架公约所要求的磷酸盐低于1mg/L、氮低于10mg/L。然而，这个事实并不能支撑在该阶段使用TL-PBR的可行性：废水中的可溶性有机化合物仍不得不需要细菌进行降解。一些研究探索了微藻对废水中有机污染物的降解，也有研究将这种能力应用到废水处理中进行了讨论。通常来讲，将微藻与细菌结合起来能否完全有效的对有机污染物进行降解是一个有效的问题。
一个比较现实的方案是在二次处理前应用微藻取代成本集中的磷沉淀过程。当在化学磷沉淀前模拟磷浓度时，结果表明TL系统的每个批循环中都能使磷浓度降低到法定排放限（1mg/L）以下。实际废水废水处理的另一点担心也随之而来，欧盟水框架公约的排放标准变得更为严格。尽管至今还未制定阈值，但为取得良好的化学、生物现状，荷兰水协会建议水体中总氮、总磷的可耐受浓度分别为2.2mg/L、0.15mg/L。在本研究所有的八个处理循环中，废水的总氮浓度平均降至1.28mg/L，这明显低于上述提到的阈值浓度。对于总磷而言，废水平均浓度为0.16mg/L达到了阈值浓度。简而言之，这些结果表明双层PBR系统可能为满足目前及即将到来的氮、磷限值提供一个有前景的废水处理方法。

3.3 结论
在本研究中，用于去除生活污水中氮、磷的固定化微藻的TL-PBR系统模型被引入到TL-PBR中。在几个批循环处理中，该系统有效的去除了初级及二级沉淀废水中的氮、磷。在真实操作条件的污水处理厂中评价了该项技术的技术、经济及生态方面的可行性。结果表明，该新型技术可以实施。

致谢：这项研究是与贰发沃半德合作在弗雷兴的生活污水中进行的。作者感谢Mr.Gunter和污水处理厂员工的支持。</p><!--1mgl-1）及三种形式废水中高浓度的no3-（6-9.2-->