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在光生物膜反应器内利用微藻膜作为三级处理对污水进行除磷处理
摘要：地表水的富营养化已经成为近半个世纪以来的一个重要的环境问题。水体中高浓度的磷含量导致水体富营养化的进程不断加快，进而使得寻求一种能高效、经济的将磷从处理过后的水中去除的方式的需求越发迫切。本研究旨在评估微藻膜在不同的光强条件下的除磷能力。在持续的两年实验时间内，该光生物反应器每年连续运行9个月且期间无需任何回流接种。在持续的24小时人工照明条件下，微藻生物膜能够去除97plusmn;1%的总磷。本实验中，总磷的平均吸收速率为0.16plusmn;0.008 g m-2d-1。当微藻膜处在自然光照（12小时日光照射，12小时黑夜）条件下时，磷的去除率介于36%到41%之间。在持续的人工照明条件下生物量的产率为12.21plusmn;10g细胞干重每平方米每天，而在自然光照条件下的生物量产率则为5.6plusmn;1g细胞干重每平方米每天。这些研究结果表明微藻膜在对污水进行三级处理时具有巨大的潜力。
关键词：微藻膜；除磷；污水处理
1引言
水生态系统的退化对世界上很多国家而言都是一个亟待解决的主要问题。工农业的生产带来了大量的污水，为了防止水生态系统遭到破坏，则必须要对这些污水进行净化处理 (Omernik, 1977; Schlesinger, 1991; Vitousek et al., 1997)。水环境中高浓度的磷含量促使了水体富营养化的形成。Dodds et al. (1997) 所得出的结论表明，若想维持河流中总磷浓度低于30 mg/L，就必须将底栖藻类生物量控制在不利于环境的水平（100 mg/m2）以下。高浓度的磷含量不仅导致淡水生态系统的逐渐退化而且降低了污水回用的可能性。因此，迫切需要一种新的、高效且经济的除磷手段。目前，化学法是使用最多的除磷手段，这其中就包括与铁、明矾或者石灰的共同沉淀法 (Penetra et al., 1999)。
因为生物法无需添加化学沉淀剂，所以采用该方法对水体中营养物进行去除被认为是最环境友好型以及最经济型的污水处理方式(Mantzavinos and Kalogerakis, 2005)。生物除磷是在不同种类的微生物共同作用下实现的。生物法包括基于聚磷菌（PAOs）的强化生物除磷法（EBPR）。在污水处理过程中，这些微生物能够在特定条件下将磷以细胞内多磷酸盐的形式储存于体内 (De-Bashan and Bashan, 2004)。强化生物除磷法（EBPR）具有高效除磷的性能。然而，在规模较大的水厂内已多次出现水质扰动以及磷污染去除不够充分的情况 (Oehmen et al., 2007)。
其他的生物法则包括有利用藻类以及蓝细菌对磷进行去除的方法 (Rawat et al., 2011)。大量的研究表明蓝藻和蓝细菌具有在富营养化的污水中生长的能力，且能够降低污水中过多的养分 (Chevalier et al., 2000; Doria et al., 2012; Renuka, 2013)。这种利用水体中藻类去除水体中过多的养分的措施更加具有可持续性，因为它不会产生额外的如污泥此类的污染物，并且，此方法给营养物的高效回收利用提供了可能性。除此之外，它还具有持续生产生物燃料或者生物活性物质的巨大潜力 (Singh et al., 2005; Pittman et al., 2011)。
蓝藻以及蓝细菌主要采用悬浮法进行培养(Christenson and Sims, 2011)。而藻类却可以在固体表面以膜的形式进行生长。光养生物膜由光能自养型细菌（蓝藻和微藻）和在自然净化的水生生态系统中起关键作用的异养生物（细菌、真菌和原生动物）构成的多层群落组成 (Sabater et al., 2002)。有大量在实验室条件下利用微藻生物膜进行除磷并取得成功的研究 (Guzzon et al., 2008; Johnson and Wen, 2010; Boelee et al., 2011; Liu et al., 2013; Shi et al., 2014)。然而，在大规模培养微藻膜的条件下对微藻膜除磷能力的研究的数据却少之又少。
以前，底栖藻类被应用在藻坪净水系统（ATS）中用于去除不同类型污水如牛粪（Kebede-Westhead et al., 2003）或者生活污水（Craggs et al., 1996）中的营养物以及磷污染。藻坪净水系统（ATS）主要在美国南部地区尤其是加利福尼亚以及弗罗里达进行技术检测 (Adey et al., 2011)。用于提升水质的藻坪净水系统（ATS）的使用被认为是一种既定的尝试 (Adey and Loveland, 2007)。
与藻坪净水系统（ATS）技术相比，光氧生物膜在三级污水处理中的应用依然是不常见的 (Guzzon et al., 2008)，并且仍需做进一步的研究以期发展高效的污水处理技术。
当前的研究有两个目的：（a）在符合欧洲中部温带气候条件的光照条件下评估微藻生物膜除磷能力；（b）评估所提出的技术的综合效益，其中包括对生物质能的生产的评定以及对作为沼气源的生物产量的评定。
2 材料和方法
2.1 卧式平板光生物反应器
图1是一种新设计建造而成的大型光生物反应器，用于进行生物膜实验。用于培养微藻膜的卧式平板光生物反应器由光子系统仪公司（Brno, Czech Republic）研究开发而来，并由两个模块所构成。其中一个模块是一个金属框架支撑的混凝土板（1times;2times;0.02m），可以提供一个2㎡的培养区域用于膜的生长。由磁力驱动离心泵(IDRA 231 720, Sicce S.p.A., Italy) 将污水从蓄水池（0.2m3，其中可用体积为0.1m3）中抽至上方的培养区。污水以薄薄的一层流经培养区，然后回到蓄水池内。将污水从蓄水池抽至培养区的磁力泵的流速为8.8L每分钟，污水流经培养区的流速约0.25m每秒。污水的循环水量为100L，在蓄水池中的停留时间大约为7分钟。放置在温室中的卧式平板（HFP）光生物反应器（两组模块）共拥有4m2的培养面积。
图1 组合后的实验装置
在温室内，通过量子测量传感器(EMS 12, EMS Brno, Czech Republic)对光合成有效辐射（PAR）进行测量。日平均辐照度由实际光合成有效辐射（PAR）计算并以MJ m-2d-1表示。定期记录循环水的温度，水温变化幅度为19-24℃。
2.2 微藻膜的采样与培养
藻类生物膜组合样本是从一个炼油厂(Glogow, Poland, 51°37rsquo;39.456rsquo;rsquo;N，16°9rsquo;47.836rsquo;rsquo;E)的池子中取得，以期获得一个能耐受高浓度营养成分的藻类种群。藻类样品是从污泥池中污泥表面获得，然后装于塑料瓶中并储存在一个冷却箱内以便运输至实验室。将藻类生物膜板片放置在几个装有博尔德基础培养基 (Bischoff and Bold, 1963)的锥形瓶内以期获得足够体积的用于藻类生物膜培养的藻类生物量。在25℃的条件下，控制光强为30mu;mol m-2s-1对所取藻类样品进行为期2周的培养，然后对每个锥形瓶内的藻类的物种成分进行测定。根据Komared、Anagnostidis (2005)以及Ettl、Geuro;artner (1995)使用奥林巴斯CX31显微镜对微藻以及蓝藻细菌进行鉴定。丝状蓝藻和非运动性的单细胞绿藻被选择用于后续的培养。
在实验室条件下，使用与大型系统相同的设计为卧式平板光生物反应器提供培养液。将混凝土板（0.2times;0.3m）放置在一个盛有培养基的塑胶箱中，培养基在抽吸作用下流至培养区并在培养区表面流动。所选微藻被接种到平板表面进而形成一层均匀的薄膜。用于接种到卧式平板（HFP）光生物反应器中的微藻种群成分见表1。采用一种类似的方式对卧式平板（HFP）光生物反应器进行接种。在正式对光生物反应器进行操作并向其中通入试验用污水之前，培养区悬浮藻类生物量密度需达到25g DW L-1。藻类生物膜在太阳光照（4-8 MJ m-2d-1）射下进行培养。一天中光照时间大约为14个小时。3个礼拜之后培养区的表面全部被藻生物膜覆盖。
2.3 实验装置
当培养区表面全部被藻生物膜所覆盖时开始进行后续实验。所要进行的实验以及实验条件见表2。起初，通过间歇试验来确定在连续的5天时间段内的总磷去除效果。根据间歇试验的结果来确定连续试验的水力停留时间。
2.3.1 间歇试验
在两个不同的时期内采用截然不同的光照条件进行间歇试验。夏季，日辐照度值介于7-11 MJ m-2d-1。在春季以及秋季时，日辐照度值则处于2-10 MJ m-2d-1。间歇式实验每次持续时间为5天且所使用的是人工废水。
2.3.2 连续实验
重复使用以下两种机制进行为期4天的连续试验：
（a）在连续试验A与B期间，利用高压钠灯(Osram NAV-T Super 4Y - 600W)在强度为90plusmn;15 mu;mol光量子每平方米每秒且每日总辐照度1.7 MJ m-2d-1 的条件下对藻类生物膜进行持续性的照射。在试验期间使用人工配制污水。
（b）连续试验C和D在太阳光照射下进行，且使用的是实际污水。采用太阳光照射以及使用实际污水是为了模拟污水处理厂的实际条件。日平均总太阳光辐照度分别为1.57plusmn;0.88 MJ m-2d-1（实验C）和3.1plusmn;0.64 MJ m-2d-1（实验D）。每日太阳光照时间大约为12小时。
2.3.3 24小时实验
在连续光照条件以及昼夜光照条件下，同时利用人工配制污水以及实际污水进行实验。实验在间歇式实验装置内进行。每隔两个小时对总磷浓度以及pH值进行测量，用来评估昼夜光周期对总磷去除的影响。
2.3.4 污水特性
人工配制污水的总磷浓度为3mg/L，符合没有采用强化除磷的城市污水处理厂的出水特征(水环境联合会,2010年)。人工配制污水的主要由以下成分组成：120mg/L NaNO3；6mg/L MgSO4·7H2O；2mg/L CaCl2·2H2O； 2mg/L NaCl；6mg/L K2HPO4；4mg/L EDTA·2H2O；0.4mg/L FeSO4·7H2O；0.9136mg/L H3BO3；0.7056mg/L ZnSO4·7H2O；0.1152mg/L MnCl2·4H2O；0.1936mg/L Na2MoO4·2H2O；0.1256mg/L CuSO4·5H2O；0.0392mg/L Co(NO3)2·6H2O。
试验中所采用的实际污水来自于位于Drasov(3500 人口当量)，捷克共和国的一个污水处理厂的出水。实际污水的化学参数可见表3。
2.4 分析方法
在间歇实验以及连续实验期间，每天对实验用水进行取样。用于进行磷分析的水样要先经过一个0.45毫米的膜过滤器 (ME 25 -mixed cellulose ester, Whatman)进行过滤。使用钼酸铵分光光度法(ISO 6878:6878)对总磷浓度进行测定。
在一个划定区域（9cm2）内进行取样测定生物量。将取来的生物膜放置在预先称量好的过滤器上(Whatmann, GFC filters) 并在90℃条件下烘至恒重，然后对过滤器进行称重。生物质的产量表示为 g DW m-2。在完成试验后，大部分的生物通过橡胶清洁器被清除。被清理出的生物会进行干燥处理以便进行后续的厌氧消化实验。其他留在培养区表面的藻类生物量用于更新藻类膜系统。生物量收集完成后立马进行下一轮新的实验。
在实验结束的时候会得出培养区生物量分布的分析结果。从培养区获得了100个生物膜生物量的样品。每个样品具有9cm2的表面积。所获得的样品均分布于培养区的同一位置。
2.5 厌氧消化处理
按照Samson 和 LeDuy (1986)所描述的进行厌氧消化实验。实验所用污泥来自于沼气站 (Cejc, Czech Republic)的大型厌氧消化池(沼气发酵过程的第二阶段)。污泥被放置在实验室消化器内。向污泥中投加15克的干生物膜生物量。在嗜中温温度（41℃）条件下进行为期两周的三份平行实验。利用红外气体分析仪和电化学传感器 (Dreuro;ager X-amreg; 7 000, Dreuro;ager Safety AG amp; Co. KGaA, Germany)对每天的总气体产量以及甲烷含量进行测量。
3 结果
3.1 微藻膜的培养
两年的时间里，卧式平板光生物反应器每年在南部捷克共和国的布尔诺运行9个月（2012年的四月到十二月以及2013年的四月到十二月）。接种后的藻类生物膜在3个礼拜的时间里就布满了培养区表面。培养区的生物量则介于30-70g DW m-2。在培养区，有将近50%的面积上覆盖着40-50g DW m-2的藻膜，超过26%的面积上覆盖着30-40g DW m-2的藻膜，超过20%的面积上覆盖着50-60g DW m-2的藻膜。还有剩余5%的区域覆盖着60-70g DW m-2的藻膜。
蓝藻和微藻的组合主要是由丝状蓝藻P
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