刘金金，马兴冠

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110000)

1 引言

目前，生活污水在进入污水处理厂时碳氮比普遍较低，生活污水的水质相比从前发生很大的变化，碳含量低，氮磷含量高成为了主要的特点。传统的污水处理系统在不补充碳的情况下，其脱氮除磷的效果并不理想[1]，导致现有的污水处理系统的处理效果一般，如果出水中氮磷含量过高，可能会造成诸如营养物质含量过高等严重后果[2]。因此，近年来，低碳氮比的污水处理已成为研究的热点。

2 试验

2.1 试验用水

试验进水模拟低碳氮比生活污水水质的条件，碳源、氮源和磷源分别使用乙酸钠、NH4Cl和K2HPO4，根据微生物生长的要求，添加0.1 mg/L的微量元素。表1中列出了主要的水质指标。

表1 试验用水主要水质指标 mg/L

2.2 小球藻的培养

实验所用藻为小球藻，将所购买的300 mL小球藻浓缩液放于3 L BG-11培养基中，温度设为25°，光照强度是4000 lux，光周期为12∶12，将培养缸放于培养箱，培养周期为3～4 d至对数生长期。

2.3 测定项目及方法

2.3.1 水质监测方法

水质监测方法依据《水和废水监测分析方法》进行分析，测定项目及分析方法如表2所示。

表2 测定项目及分析方法

2.3.2 小球藻干重的确定

将2 mL离心管烘干，冷却至室温后，准确称重，重量记为m1(g)，将2 mL小球藻培养液离心，提取沉淀，烘干后冷却至室温，准确称重，重量记为m2(g)。干重(g/L)=(m2-m1)×100[10]按梯度稀释藻液，利用分光光度计测OD680，以横坐标x为OD680，纵坐标y为藻液干重，建立对应曲线，得到y=4.29x+0.1431(R2=0.9987)，利用藻液在OD680的光密度来反映微藻的生物量。

2.3.3 固定化小球藻颗粒的制备

本次试验利用海藻酸钠固定小球藻，海藻酸钠是天然多糖，它具有稳定性、溶解性、粘性和安全性等多种优点，其水溶液黏度较高，并且在氯化钙溶液中可以形成稳定的多孔结构的胶球，是使用较多的固定化载体，其多孔结构有利于藻细胞吸收利用水中氮磷等物质。其配置方法如下。

海藻酸钠溶液：缓慢在100 mL去离子水中加入1 g/2 g/3 g海藻酸钠，在水浴锅内加热搅拌，溶解在溶液中，制成质量分数为1%、2%、3%的海藻酸钠溶液，并在高压锅中进行灭菌。

氯化钙溶液：缓慢在100 mL去离子水中加入1 g/2 g/3 g氯化钙，加热搅拌使其溶解，制成质量分数为1%、2%、3%的氯化钙溶液，并在高压锅中进行灭菌。

扩培养至稳定期(OD680为2.2左右)的小球藻(藻干重浓度约为10 g/L)，取100 mL藻液，将灭菌的不同质量分数(1%、2%、3%)的海藻酸钠溶液与其混合均匀，配置成混合液，再用注射器吸取10 mm，并套上12号针头，在灭菌的不同质量分数的氯化钙溶液的液面上方，滴入混合液，固定成小球藻胶球，其直径大约为4 mm左右，将形成的胶球置于4 ℃的冰箱中固定16 h，在此之后，用去离子水洗涤两次。用蒸馏水代替小球藻溶液来做空白组试验，操作同上。共10组实验组，将100 mL的藻液全部固定，做两组平行实验。

2.4 试验过程

本阶段试验为静态试验，共10组试验。首先在已灭菌的250 mL广口锥形瓶中加入150 mL的相应的人工配置废水，初始氨氮浓度为14mg/L，COD含量为140 mg/L，总磷为5 mg/L。将等干重的小球藻胶球和空白胶球分别投入到已灭菌的装有150 mL人工配置废水的锥形瓶中，置于培养箱中培养，培养条件同1.2，共监测14 d，每天对锥形瓶中的氨氮、COD、总磷浓度进行测定，测定去除效率，观察小球藻的生长情况。

3 结果与分析

3.1 各反应器对变化及去除效果

图1 各个反应器的去除效果

3.2 各反应器对TP变化及去除效果

由图2可知，固定化小球藻对磷的去除情况。反应一开始对TP的去除效果趋于一致，均对磷有着较快的去除效率，但最后呈现出不同的去除效果。相比氨氮来说，固定化小球藻对磷的吸收效果较差，在氨氮存在的情况下小球藻主要吸收氨氮。相比之下，空白对照组的总磷浓度略有下降，主要是因为胶球中游离的Ca2+离子与污水中的正磷酸盐反应沉淀，导致水中的磷浓度下降。反应到达第7天的时候，总磷的浓度小于1 mg/L，最后3%SA2%CACl2组的数据呈现最好，去除率达到了85%左右，1%SA3%CACl2和 2%SA2%CACl2这两组的去除效果也很不错，分别达到了79.6%和79.2%，其他组的去除效率均高于60%，但远没有这3组效果好。反应第8天，1%SA1%CACl2、1%SA2%CACl2、1%SA3%CACl2、2%SA1%CACl2、2%SA2%CACl2、2%SA3%CACl2、3%SA1%CACl2、3%SA2%CACl2、3%SA3%CACl2及空白的反应器对TP的去除率分别达到了69%、76.2%、75%、72.8%、79%、69.2%、71%、84.6%、67.2%、17%。分析原因是因为小球藻作为光和自养型生物需要充分的光合作用，随着海藻酸钠和CACl2质量比不断地变化，导致对小球藻包埋效果不同，随之对总磷的去除效果不尽相同。后期固定化小球藻对于TP的去除率不再变化，推测是因为固定化胶球在后期会出现胶球不稳定的情况，导致一些藻细胞泄露，影响了磷去除的效率。吴义诚等人利用纳米提高了小球藻对水中总磷的去除,实验结果显示总磷去除率随着胶球加入量的增加和胶球粒径的减小而提高[15]。

图2 各个反应器TP的去除效果

3.3 各反应器对COD的变化及去除效果

如图3所示为各反应器对COD的去除效果。反应第4天固定化体系对COD都有较好的去除效果，有的试验组减少到了45～60 mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级B排放标准60 mg/L。3%SA2%CACl2组对COD的去除率高达62.82%，3%SA3%CACl2对COD的去除率高达63.96%。反应第8 d，1%SA1%CACl2、1%SA2%CACl2、1%SA3%CACl2、2%SA1%CACl2、2%SA2%CACl2、2%SA3%CACl2、3%SA1%CACl2、3%SA2%CACl2、3%SA3%CACl2及空白的反应器对COD的去除率分别达到了70.57%、68.65%、68.02%、66.84%、67.18%、72.08%、75.8%、78.12%、78.23%和31.93%，均显示出了不错的去除效果。从COD的去除规律来看，海藻酸钠含量越高，COD的去除率相对较高，可见在固定化体系中，SA的含量很重要。由图3可知，去除效果最好的反应器是3%SA3%CACl2组，第14 d的去除率达到了78.82%，其次是3%SA2%CACl2组反应器，第14天的去除率达到了78.66%。后期固定化小球藻对于COD的去除率不再变化，推测是因为固定化胶球在后期由于固定化影响了小球藻光合速率[16],但是抗逆能力提高，导致其对COD的去除率到达一定程度后便变化甚微，但将小球藻固定化会保留并延长悬浮态小球藻的生长活性,从而提高其脱氮除磷效果[17,18]。

图3 各个反应器COD的去除效果

4 结论

固定化小球藻对低碳氮比的生活污水处理效果非常明显，并且存在最佳的固定化比例。当海藻酸钠和CACl2比例为3%SA2%CACl2时，对低碳氮比污水中的氨氮、总磷和COD的去除效果最好。经过两周的连续监测，此试验组对氨氮的去除率达到了77%，对总磷的去除率达到了85%，对COD的去除率达到了78.66%。在水力停留时间为8 d时，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，对氨氮、总磷、COD的去除效果已经达到一级A排放标准。分析结果，固定化后的胶球结构对小球藻主要起到了固定和保护的作用，加强了小球藻对氮磷的同化作用，吸收氮磷营养元素合成自身生物质，所以对氨氮、总磷有很好的去除效果。