菌-藻系统处理含氮磷废水分析

胡江涛, 吴丹丹

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601)

关键字:小球藻;活性污泥;菌-藻体系;氮;磷

随着社会城镇化发展,污水排放量与日剧增.目前国内污水处理工艺普遍存在占地面积大、处理成本较高等问题.物理化学处理法存在处理效率低且使用的化学药剂可能会带来二次污染.生物处理法如:微藻能高效去除水体氮、磷物质,符合环境友好型社会发展特点,成为污水处理研究趋势,但其存在后期微藻收集难度大、不宜分离的难题[1].在传统活性污泥法处理工艺中,需在缺氧和好氧条件切换,从而去除污染物,产生的剩余污泥处置难度较大[2-3].研究表明微藻同活性污泥相结合形成的菌-藻共生系统可大幅提高污染物的去除率,同时有利于微藻生物质的积累[4].本研究在总生物量相同的条件下,比较了活性污泥、小球藻及菌-藻系统对污水N、P、COD的去除效果,并评价了小球藻与活性污泥的共生对小球藻生物量及沉降时间的影响.

1.1 活性污泥驯化和小球藻富集

活性污泥取自污水处理厂二沉池,取回后的污泥先进行闷曝处理,去除有机质.实验之前用人工配置的废水进行驯化,每2 d换1次水,培养基废水成分与下文实验组配置的人工废水条件一样，pH设置在7.0～7.5左右.实验选用的小球藻来自上海光宇生物科技有限公司,实验前在超净实验工作台无菌操作接种至经121 ℃高压蒸汽灭菌锅灭菌的BG-11培养基内,培养条件为25 ℃,光照强度为2 000 Lux左右,放置在配有转速为210～230 rpm左右的磁力拌搅器光照培养箱内培养.

1.2 实验组设置

本实验设置5个实验组,分别为纯菌组、纯藻组、菌-藻1∶1、菌-藻1∶2、菌-藻2∶1,总的生物量控制在1 000 mg.实验前取处于生长对数期小球藻藻液及驯化的活性污泥,通过真空抽滤机过0.45 μm生物滤膜在烘箱105 ℃烘4 h,利用重量差法计算小球藻和活性污泥生物量,根据实验组所需的生物量通过计算得到配比的小球藻和活性污泥的体积,在离心机8 000 rpm下离心10 min,弃去上清液,用配置的人工废水冲洗离心管后转移至人工配置的废水内,不同比例菌-藻混合操作如上.纯藻实验组的操作在无菌的超净台完成.

1.3 人工废水配置和实验条件设置

人工废水成分如下:精确称取葡萄糖1 499.5 mg,NaNO3968 mg,K2HPO4·3H2O 235.2 mg,Na2EDTA 1 mg,C6H10FeNO86 mg,C6H8O7·H2O 6 mg,CaCl227 mg,MgSO4·7H2O 75 mg,H3BO32.86 mg,MnCl2·4H2O 1.81 mg,ZnSO4·7H2O 0.222 mg,CuSO4·7H2O 0.079 mg,CoCl2.6H2O 0.05 mg,Na2MoO4·2H2O 0.391 mg于1 L去离子水中,设置pH=7.0～7.1.实验条件为室外环境,光源为自然光源,温度为28～38 ℃,配置好的实验组置于转速为450～500 rpm的磁力搅拌器上.实验每2 d取1次样,实验周期为8 d.

1.4 分析方法

测样时取培养液经8 000 rpm的离心机离心10 min后的上清液过0.45 μm滤头,用于测定N、P、COD指标,离心后的固相用于叶绿素A的测定.采用紫外分光光度法和钼锑抗分光光度法测定N和P浓度,重铬酸钾法测定COD,小球藻叶绿素A测定采用80%丙酮溶液浸提法[5],沉降性能的测定取实验组第8天的培养液于100 mL量筒静置测定沉降时间.

2.1 硝态氮的去除

图1 纯菌、纯藻、菌-藻组的含量变化

2.2 COD的去除

如图2所示,在开始时期,各组COD浓度2 d内迅速下降,不同比例条件下的菌-藻组COD去除效果明显优于纯藻组.主要原因是,自然光源下小球藻在黑暗中可以利用异养模式去除部分有机碳[6],使得无菌状态下的小球藻对有机碳源葡萄糖的利用率不如活性污泥.实验进行2 d时,纯菌组的COD由395 mg/L降低到45 mg/L,去除率88%;菌-藻1∶1组COD由最初395 mg/L下降至76 mg/L,1∶2组下降至48 mg/L,2∶1组下降至65 mg/L,3个菌-藻组的COD去除率均在83%以上,相比纯藻组COD降低至145 mg/L的去除率(63%)高出20%以上;而菌-藻组与纯菌组去除情况差别不大.这是由于活性污泥是由细菌团构成,细菌能够利用有机碳,细菌氧化分解葡萄糖成无机碳被小球藻利用,小球藻在有光源条件下进行光合作用产生O2又被好氧细菌利用,两者之间的相互协同加强了系统中COD的去除[7].

图2 纯菌、纯藻、菌-藻组COD的含量变化

2.3 磷的去除

由图3可知,除了纯藻实验组对磷酸盐的含量在第2天后一直处于下降状态,纯菌组和菌-藻实验组在第2天后都存在磷的释放现象,这归因于部分磷的不稳定生物吸附作用.纯菌中磷的释放现象与Wang[6]的研究结果相似.因为活性污泥除磷需要周期性的无氧和有氧条件,所以试验中单纯的搅拌条件不利于纯菌系统除磷,这也是活性污泥法应用于水处理中需要结合不同的二次处理工艺的原因(如SBR工艺).如图3所示,在实验2～8 d内,相比较纯菌组磷的释放,菌-藻组释放的磷含量随着小球藻比例的增加而有所缓解,表明小球藻的存在是菌-藻系统除磷的关键.

图3 纯菌、纯藻、菌-藻组的PO4--P含量变化

2.4 生物量分析

实验用溶液浸提法测定小球藻的叶绿素含量,以表征小球藻生物量的变化.如图4 所示,菌-藻系统的小球藻叶绿素A处于上升状态,说明菌-藻系统能够促进小球藻生长;纯藻系统2 d后叶绿素处于下降状态,结合实验所用的小球藻也是处于对数生长期的小球藻和图1、图3氮磷物质的消耗情况,2 d后纯藻组的氮磷物质几乎耗尽,这导致出现后期叶绿素A下降的情况.实验8 d后,菌-藻1∶2组叶绿素A由8.5 mg/L上升至11.8 mg/L,增长幅度为39%,菌-藻2∶1组叶绿素由3.8 mg/L上升到10.3 mg/L,增幅为170%,结果表明菌含量的不同对促进小球藻生长存在一定影响.

图4 纯藻、菌-藻组的叶绿素A的含量变化

2.5 沉降时间

从图5中可知,纯菌系统在30 min内沉降完全;菌-藻1∶1组沉降时间为2 h、1∶2组为2.5 h、2∶1组为1.5 h;但纯藻系统的沉降时间为1 d的时间.产生差异的主要原因是由于加入活性污泥能够提高小球藻的沉降性能.三大体系的沉降性能:纯菌组>菌-藻组>纯藻组.

图5 纯菌、纯藻、菌-藻组沉降时间对比

2) 在相同总生物量情况下,相比较纯藻组而言,菌-藻组小球藻的生长更好,菌-藻2∶1实验组的叶绿素A含量由最初3.8 mg/L上升到10.3 mg/L.

3) 相比于纯藻组的沉降时间,菌-藻实验组的沉降时间大大降低,在2.5 h内实现完全沉降.

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