微藻产油脂生活污水处理

　　引言

　　近年来，水资源问题日益严重，而生活污水更是水环境重要污染源之一。我国目前的生活污水处理多为一级与二级处理工艺相结合，污水中所含大量无机氮、磷不能得到有效去除，极易造成水体环境富营养化，并且生活污水处理过程中会产生严重的能源浪费。

　　微藻可以去除生活污水当中的有机物及其他污染物对其进行深度处理，同时可以生产油脂实现自身物质的积累。利用生活污水培养微藻，既可以实现生物能源的生产，又可以降低成本。基于上述特点，微藻已逐渐成为污水净化、环境治理及生物基化学品生产方面的研究热点。因此，本研究通过实验方法构建SBR反应器，充分利用活性污泥微生物与藻类之间的协同作用，探究构成的菌藻共生系统对反应器污染物去除效果以及微藻生长特征及产能情况。

　　一、材料与方法

　　1.1 实验材料

　　(1)实验藻种及活性污泥。本研究微藻选用小球藻，污泥取自济南某污水处理厂曝气池。藻类及污泥均需经过一定梯度的生活污水进行驯化，接种比例设置菌藻质量比为1:10，1:5，1:3，1:1，3:1，共计五个比例，在前期通过显微镜观察菌藻共生体，比较得到最佳接种比例后进行接种。

　　(2)实验装置。SBR反应器主要由以下五个部分组成：反应器主体(有效容积为6L，在反应器底端和中间位置设置进水口和出水口)、曝气装置、搅拌装置、进出水装置、定时系统。增加由白炽灯管组成的照明装置。

　　1.2 实验方法设计

　　(1)运性条件的设计及维护。本实验设置两个SBR反应器，藻类-细菌共生系统的反应器和常规活性污泥系统反应器，两者运行条件相同。实验进行控制在室温25℃左右，持续工作100天，光暗比为12:12，在曝气时进行光照，水力停留时间为8h。为维持泥水混合均匀使用磁力搅拌器搅拌，通过气泵鼓风曝气，使曝气量维持在0.2L/min。每周测定污泥的SVI、MLSS，确定排泥量以维持反应器污泥浓度。

　　(2)处理污水水质分析。水质测定每三天进行一次，检测方法如下：氨氮测定采用纳氏试剂比色法，总磷测定采用钼酸铵分光光度法，总氮测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，COD采用消解管密闭催化消解比色法测定。计算四项指标去除率分析水质净化情况。

　　(3)藻类生物量测定及油脂含量测定。该指标每周测定一次，共连续测定12次。选用更为准确的丙酮浸提-紫外分光光度法，通过测定叶绿素a的浓度来确定藻类的生物量，油脂含量的测定采用氯仿-甲醇提取法。

　　二、结果与讨论

　　2.1 反应器对水质净化的效果

　　(1)COD去除效果：运行周期内反应器的COD去除率在一定的范围内小幅度波动，其中菌-藻共生SBR反应器的COD去除率平均值为88.8%，高于平均值为85.9%的单一活性污泥反应器，说明该菌藻共生体系在COD的去除方面较传统SBR有一定的优势。

　　(2)氨氮去除效果：藻类在进行自身生长繁殖时将氮类作为氮源完成物质转化，同时藻类的存在可以使细菌的活性增强，有利于氨氮的转化。两个反应器的氨氮平均去除率均达到97%，且无显著性差异，原因可能是好氧污泥活性较高使自身具有良好的氨氮降解能力，因此，在长期运行中，两者均可以保持较高的氨氮去除率，去除能力无较大差异。

　　(3)总氮与总磷去除效果：由于总氮与总磷的去除效果呈现相同的规律，两者的去除效果均可分为两个阶段，故统一进行原因和效果分析。100天的运行时间内，菌-藻共生SBR反应器对总氮、总磷的平均去除效率为47.4%、60.8%，均高于对照组SBR反应器的去除率45.2%、58.1%。这是由于微藻在自身生长过程中，利用污水中的碳酸盐及空气中的二氧化碳为碳源，以污水中的有机氮和无机氮为氮源，合成组成藻细胞的蛋白质和氨基酸;通过磷酸酸化将污水中的磷转化为ATP和磷脂等有机物。微藻以此完成细胞的增殖，同时在这一过程中释放氧气，增加了水中溶解氧的浓度，降低了污水中氮磷污染物的浓度。

　　前期脱氮除磷效果差，且波动大，分析原因可能有以下几个方面：①菌藻共生体系的建立需要一定的时间，污泥中某些杂菌可能会影响藻类生长及生物量的积累;②长时间曝气的影响。前期每日长达18h的曝气，TN的去除主要依靠反硝化过程，即依靠反硝化菌将硝态氮还原为氮气从水中去除，曝气时间过长，便不能维持该有效的还原条件，进而降低除氮效果;曝气时间过长，会使聚磷菌消耗过多的PHB影响磷的吸收，当处于厌氧段后，虽然聚磷菌能以最快的速率释放磷，但是这些磷在后续好氧阶段却不能再被完全吸收，即过量吸磷受到破坏，除磷效果同样差。此外，长曝气会降低污泥沉降性能以及活性，不利于微藻生长;③排泥量小，使富磷污泥中的磷重新释放到环境中。

　　根据上述可能产生问题的原因对运行周期进行调整，缩短曝气时间，曝气时进行光照，充分发挥微藻除磷作用以及加快生物量的积累。同时增加排泥量，隔天排泥300ml，排出富磷污泥以提高除磷效果。

　　在实验运行后段，菌-藻共生SBR反应器TN平均去除效率为58.2%、TP63.9%，显著高于SBR反应器(TN49.7%、TP56.2%)，在此阶段菌藻共生体系对于氮磷的去除效果达到预期。

　　2.2 反应器内藻类生长量及产油脂情况

　　研究发现，微藻和菌类之间的相互关系可提高微藻生物量，促进脂质和糖类等化合物的生产。与微藻共培养的菌体能为微藻生长提供维生素，降低微藻生物量积累的成本，从而提高生产效率，另外，与微藻培养相关的菌体还能固定无机营养素。

　　微藻培养相关的菌体还能固定无机营养素。

　　(1)藻类生长情况。实验组藻类生物量整体呈增长趋势，在实验中期出现较大涨幅，是由于此时重新调整的曝气与光照相匹配的模式促进了藻类生长量的增加;后期小幅度下降，这是因为藻密度过大，生长空间有限导致拥挤，影响光密度进而限制自身生长。对照组单一活性污泥反应器叶绿素含量无明显波动，且出水叶绿素测定显示含量极低，不存在藻类流失情况。

　　(2)油脂含量分析。油脂含量峰值可达340mg/L,菌-藻共生SBR反应器油脂含量的平均值为253.5mg/L，活性污泥反应器为180.1mg/L。前期油脂含量呈上升趋势，此时藻类生长量较为稳定，油脂含量稳定生成。随后油脂产量呈下降趋势，此时藻细胞生长旺盛，营养氮源充足，蛋白质、脂类和核酸等生物活性物质均正常合成，因此所得脂肪酸含量较低。研究表明，该微藻具有一定的产油脂能力，可利用微藻同化作用使污水中的营养元素得到回收并被再次利用，进一步降低污水处理过程中的能耗，为基于微藻油脂生产的污水资源化利用提供理论基础。

　　三、结束语

　　采用活性污泥和小球藻组成的菌藻共生SBR反应器对人工模拟生活污水进行处理，实验条件下，相比于传统活性污泥法SBR反应器，系统对COD、NH4+-N、TN和TP均有良好的去除效果，进一步提高出水水质，同时可显著提高微藻生物量及总油脂的产量实现污水资源化。菌藻共生SBR工艺可用于生活污水的净化处理。(来源：山东师范大学)