利用城市生活廢水培養(yǎng)柵藻以生產(chǎn)生物柴油的研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
凌云 陳姍 石文宣 周志剛
（上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海201306）
摘要：鑒于采用廢水進行微藻培養(yǎng)并生產(chǎn)生物柴油可以有效節(jié)省微藻培養(yǎng)成本，甚至?xí)䦷眍~外的經(jīng)濟收益，該研究選取了白行篩選分離的產(chǎn)油微藻斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）和四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda），對其在上海市4家城市污水處理廠進出水共7個水樣中的生長性能和氮磷利用率進行了檢測。結(jié)果顯示，批式培養(yǎng)試驗中2種柵藻能較好地適應(yīng)其巾6個水樣并保持正常生長狀態(tài)，且優(yōu)勢度均在98%以上。6d內(nèi)微藻對氨氮、總氮和總磷的去除率分別為96%~100%、81%~96%、76%~99%，顯示出較好的氮磷利用能力。但在對數(shù)生長期內(nèi)2種微藻均不積累油脂，實際運行中需要另加油脂積累環(huán)節(jié)。半連續(xù)式培養(yǎng)研究結(jié)果表明，在每2d換水1次，每次200 mL的換水周期中，南匯城市污水廠的進水能使四尾柵藻及斜生柵藻的生長速度基本穩(wěn)定在0.20和0.28 g/(L-d)左右，藻種優(yōu)勢度保持在90%左右。研究結(jié)果顯示，在合適的培養(yǎng)條件下，利用未處理污水培養(yǎng)產(chǎn)油藻以連續(xù)運行是可行的，但污水培養(yǎng)的關(guān)鍵問題將是在水力停留時間和微藻停留時間之間找到合適的平衡點，而經(jīng)濟有效的微藻采收回流手段及優(yōu)勢藻種控制技術(shù)將是今后的研究重點。
關(guān)鍵詞：生活廢水；微藻；中性脂；生物質(zhì)；氮磷利用
隨著我國城市化進程的縱深發(fā)展，城市生活廢水的排放量也隨之提高。如上海市2010年的生活廢水排放量已達到21.16億t。以氮、磷含量分別為40—60 mg/L、2～4 mg/L來計算，這些廢水中的氮、磷含量已相當于上海市全年氮、磷化肥的施用總量�？梢�，生活廢水中存在著像氮、磷等可被農(nóng)作物、藻類等利用的寶貴資源。
由于廢水成分復(fù)雜，特別是重金屬元素的存在，使得傳統(tǒng)的廢水灌溉農(nóng)作物等再利用技術(shù)已不再被人們所接受。利用微生物通過硝化、反硝化作用處理廢水的傳統(tǒng)方法將廢水中的氮轉(zhuǎn)化為氮氣排放，而磷積累于剩余的污泥中，且大量的剩余污泥又是一個處理難題，使得廢水中的氮、磷資源被白白浪費。那么如何更安全地利用廢水中的氮、磷資源？
隨著石油資源的逐漸枯竭，以微藻為石油替代品的研究與開發(fā)正成為目前的熱點。但高成本的微藻培養(yǎng)是阻礙其能源化進程的一個“瓶頸”。如果能利用廢水培養(yǎng)微藻以獲得生產(chǎn)生物柴油的原料，不僅可以回收生活廢水中的氮、磷資源，而且可以用廢水處理的收益來補貼微藻生物柴油的生產(chǎn)費用，大大降低微藻生物柴油的成本，達到其工業(yè)化運行的目的。Lundquist等通過計算發(fā)現(xiàn)，如果采用城市生活廢水作為微藻營養(yǎng)來源，在較好的設(shè)計、運行條件下，算上處理污水帶來的收益，微藻柴油成本甚至可以低至28美元／桶，遠低于現(xiàn)在油價。
但傳統(tǒng)的微藻廢水處理應(yīng)用并未與資源化過程相結(jié)合，而現(xiàn)有的微藻生物柴油與廢水處理相結(jié)合的研究僅限于實驗室短批次的培養(yǎng)，藻種對廢水的適應(yīng)性及開放式培養(yǎng)條件下微藻優(yōu)勢度的變化都成為限制該項研究的關(guān)鍵因素，尋找能適應(yīng)污水的產(chǎn)油微藻及適合培養(yǎng)微藻的廢水是一個亟待解決的問題。
由于城市生活污水具有流量大且穩(wěn)定，水質(zhì)變化較小，毒性物質(zhì)含量低等特點，較適合于大規(guī)模的微藻培養(yǎng)。為此，本研究選用自上海市一奶牛場廢水中篩選到的生長速度較快、含油量較高的斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)和四尾柵藻(S. quadricauda)為材料，比較分析了它們在采自上海4家具有代表性的城市生活廢水處理廠生化池進、出水口共7個廢水水樣中的生長性能、抗污能力、對廢水中氮和磷的利用情況以及藻細胞中性脂的變化情況，再依據(jù)批式試驗結(jié)果開展30 d的半連續(xù)式培養(yǎng)來探討微藻在光生物反應(yīng)器中對污水的耐受性和連續(xù)運行的可行性，為后續(xù)室外利用生活廢水規(guī)�；囵B(yǎng)能源微藻的研究與技術(shù)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
1材料與方法
1.1廢水來源及收集
本試驗所用廢水采自上海金山、浦東濱海、竹園及浦東臨港新城等4個城市生活污水處理廠的曝氣池進水口和二沉池出水口（文中簡寫為進水與出水），對曝氣池進水的處理效果試驗主要用于檢驗微藻對污水原水的適應(yīng)性和氮磷利用能力，而對二沉池出水的處理效果研究將主要用于檢驗微藻的中水回用能力。
4座污水廠中，竹園1期日處理量近170萬t，是上海市最大的城市生活污水廠之一，流量和水質(zhì)波動最�。唤鹕轿鬯畯S處于上海金山化工園區(qū)，其處理污水中有50%以上為工業(yè)廢水，具有服務(wù)于工業(yè)區(qū)的城市污水廠特征；浦東惠南污水處理廠位于上海市郊原南匯區(qū)域，包含了周邊的農(nóng)業(yè)廢水、工業(yè)廢水及生活污水，與普通中小城市生活污水廠水質(zhì)相似。而臨港新城污水廠處于上海臨港開發(fā)區(qū)，由于周邊工商業(yè)較少，廢水中氮磷含量較低，屬于較為低營養(yǎng)型廢水，具有新開發(fā)區(qū)的水質(zhì)特征。廢水在采樣后盡量在8h內(nèi)直接使用，無法用完的廢水在冰箱內(nèi)-20℃冷凍保存。使用時不經(jīng)任何預(yù)處理，以觀察其對微藻的影響。
1.2產(chǎn)油微藻的來源
2種產(chǎn)油微藻均為本實驗室前期自行分離鑒定，主要選取生長速率較快、含油量較高的斜生柵藻和四尾柵藻，具體見參考文獻[13]。
1.3培養(yǎng)裝置的選擇及樣品采集
采用簡易的垂直式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)裝置，玻璃管直徑4 cm，高60 cm，每管裝培養(yǎng)基700 mL，為使藻體受光均勻及避免藻體沉降，從頂部接入充氣管充氣。將玻璃管放人光照培養(yǎng)箱中，溫度26℃，光照時間24 h，光照強度80umol photon/(m2.s)。
接種前取對數(shù)生長期微藻，參照前期洗脫試驗結(jié)果，用蒸餾水反復(fù)離心洗滌3次以去除微藻可能吸附的氮磷等。
批式培養(yǎng)試驗持續(xù)6d，調(diào)節(jié)起始吸光度OD鋤值為( 1.000+0.100)．每個廢水樣品接種2根培養(yǎng)管為平行樣。根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，每24 h采樣測ODc∞值，在0、24、48、72及144 h采樣測廢水中的氮磷含量，在0、72、144 h采樣測定油脂含量。
半連續(xù)式培養(yǎng)試驗中，采用南匯污水廠的進出水，每管裝廢水500 mL，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，每48 h取出200 mL混合液，并補入200 mL相應(yīng)的廢水。每24 h采樣3 mL測定微藻生長量，采樣前后均用純水補足至500 mL以避免水蒸發(fā)導(dǎo)致的誤差。
1.4廢水及培養(yǎng)液的水質(zhì)理化指標檢測
氮磷指標主要包括氨氮、總氮和磷酸鹽，氨氮采用納氏比色法，總氮采用紫外分光光度法，磷酸鹽采用磷鉬藍比色法。具體測試方法依照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。
1.5微藻生長量測定
根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，2種微藻的質(zhì)量與吸光度在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，因此微藻生物量(Y，g/L)可利用測定的吸光度OD∞0值，并按以下公式換算成質(zhì)量：四尾柵藻：Y=0.653 7xOD680-0.045 5；斜生柵藻:Y．614xOD60-0.042 7。吸光度線性范圍：0.2<OD680<1.5。
1.6微藻優(yōu)勢度分析
微藻優(yōu)勢度分析：采用顯微鏡鏡檢計數(shù)，每個樣品數(shù)10個視野，統(tǒng)計目標藻種的個體數(shù)和所有藻種的個體數(shù)，優(yōu)勢度=目標藻數(shù)量／微藻總數(shù)量xl00%。
1.7微藻油脂測定
微藻含油率指標測定采用尼羅紅熒光光度法f161，具體操作方法如下：采集4 mL培養(yǎng)液，4 000 r/min離心10 min收集藻體，用5%=甲基亞砜稀釋至OD6a;0在1.0左右，取4 mL，微波消解5 min，加入5%尼羅紅染液10uL，混勻靜止1 min后在熒光分光光度計上測定熒光值Mi，激發(fā)波長475 nm，發(fā)射波長550nm。每次均用中性脂含量12%的藻粉0.002 g（M2）
為基準計算相對發(fā)光強度。計算公式：相對發(fā)光強度=Ml/M2 xl00%。
2結(jié)果與分析
2.1廢水基本指標檢測
從4座廢水處理廠廢水的基本數(shù)據(jù)（表1）可以看出，廢水中的氮主要以氨的形式存在，臨港污水廠的氮磷值相對較低，其他3個污水廠的氮磷值相差不大，但竹園的氮磷含量相對穩(wěn)定。柵藻是污水中的主要藻種，小球藻在金山和臨港的出水中較多，舟形藻和顫藻偶有出現(xiàn)，在試驗中這幾種藻類將成為主要的污染藻種。其余檢出藻種包括鼓藻、小環(huán)藻、卵囊藻、直鏈藻、斑條藻、平裂藻、針桿藻等等，但試驗中并未成為競爭藻種故不再列出。
2.2微藻在不同來源的廢水中生長性能
從2種柵藻在不同來源生活污水的生長曲線（圖1）中可以看出：斜生柵藻較適應(yīng)BG11的營養(yǎng)條件，在144 h后可以達到6.5 g/L，平均生長速率在l g/(L-d)；而四尾柵藻的生長稍慢，在144 h濃度為4.5 g/L，平均生長速率在0.6 g/(L -d)。與BG11培養(yǎng)基（圖1）的藻微生長情況相比較，4處城市生活污水廠的污水營養(yǎng)元素都只能維持微藻2—3 d的快速生長；之后微藻生長曲線趨于平緩，生長速率明顯下降；6d后，單位體積的微藻生物量大多保持在2—2.5 g/L之間。此外還發(fā)現(xiàn)，金山的進水具有一定的抑制性，四尾柵藻在其進水中的生長率低于出水生長率，而斜生柵藻在其進水中的生長曲線更是不升反降，直至第4天開始才開始恢復(fù)生長（圖1）。
當以0.5 g/L的接種量接種并在廢水中培養(yǎng)6d后，培養(yǎng)液中2種柵藻優(yōu)勢度的分析結(jié)果（表2）顯示，2種微藻均能在廢水培養(yǎng)環(huán)境中保持98%以上的優(yōu)勢度，說明這2種柵藻具有較好的抗污染性能。偶見小球藻、顫藻等廢水土著種，但未呈現(xiàn)爆發(fā)態(tài)勢。當然這部分得益于目標藻種接種量遠大于廢水中土著藻類生物量（圖1）。
2.3 2種柵藻對廢水中氨態(tài)氮的利用效果
污水中的高氨態(tài)氮含量被認為會阻礙微藻的生長，但同時也是微藻最優(yōu)先利用的氮元素，因此氨態(tài)氮的變化可以較好地反映出微藻的適應(yīng)性。從氨態(tài)氮的利用曲線（圖2）可以估算出，24 h內(nèi)，2種柵藻對氨態(tài)氮的利用率在20 mg/(L．d)以上。氨態(tài)氮起始值較低的竹園和臨港污水廠水樣在24 h內(nèi)就降到l mg/L以下；除金山進水外，其余樣品的氨態(tài)氮均在72 h內(nèi)降到1 mg/L以下（圖2）。該結(jié)果與Samori等的報道較為相似。由于在此期間系統(tǒng)的pH值處于中性，變化不大，系統(tǒng)中并未存在能促使氨氮揮發(fā)的因素，由于干藻粉含氮量在5%~8%之間，可以認為氨態(tài)氮基本都被微藻利用。
2.4 2種柵藻對廢水中總氮的利用效果
2種柵藻對總氮利用效果見圖3。四尾柵藻和斜生柵藻在24 h內(nèi)對總氮的利用率最低為56%( NHIN)和46%(NHEF)，最高可達87%(LGIN)和89%( LGEF)；72 h時，四尾柵藻和斜生柵藻對總氮利用率最低為82%(JSIN)和70%(JSIN)，最高達98%( LGEF)和97%( ZYIN)（圖3）。由于生活污水中的氨態(tài)氮占總氮的80%以上（表1），因此隨著氨態(tài)氮被微藻的有效利用（圖2），總氮也顯示出很高的利用率。但由于廢水中如偶氮染料等有機氮類等不能完全被微藻利用，因此系統(tǒng)中的總氮并不像氨態(tài)氮那樣直降到檢測線以下，而是在一個較低的水平上浮動。結(jié)合總氮利用率及微藻生長量來判斷，72 h以后這2種微藻的生長已進入一個缺氮的培養(yǎng)狀態(tài)。
2.5 2種柵藻對廢水中磷酸鹽的利用效果
2種柵藻對磷酸鹽利用效果見圖4，磷同樣是微藻的重要營養(yǎng)元素，也是生活污水中主要的污染物質(zhì)，而微藻主要利用污水中的磷酸鹽。從研究中可以看出，除了金山進出水外，其余各組污水中的磷酸鹽在24 h左右降解率就已達90%以上，這說明2種柵藻對磷酸鹽的利用率較高，且進水中磷酸鹽濃度普遍在2 mg/L以下，出水更低，因此在微藻生長條件良好的情況下磷酸鹽被很快吸收。
2.6微藻含油量的變化
對含油量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2種產(chǎn)油藻在對數(shù)生長期中性脂含量很低，不到其最高含量的5%，在營養(yǎng)缺乏的時候才開始慢慢積累油脂，批式試驗中最高油脂相對含量也僅為20%，而且受到水體、水質(zhì)的影響較大（圖5）。
2.7半連續(xù)式培養(yǎng)條件下的微藻生物量變化
在實際運行中，連續(xù)式培養(yǎng)是最為有利的培養(yǎng)方式，但由于受到污水的成分復(fù)雜及微藻的生長速度限制，連續(xù)式的單藻種污水培養(yǎng)并未見報道，即使是實驗室中的半連續(xù)式培養(yǎng)研究也不多見，如Ruiz Marin等在半連續(xù)式的運行過程中曾嘗試36 h換水1次，但最終只持續(xù)換水4次，微藻就因為營養(yǎng)原因無法繼續(xù)生長而被迫中止試驗。為了進一步研究2種柵藻對污水的耐受性及在污水中的生長性能，我們亦嘗試開展污水的半連續(xù)式培養(yǎng)試驗。竹園的廢水由于供應(yīng)不穩(wěn)定未開展試驗；金山廢水由于有生物毒性導(dǎo)致微藻在半連續(xù)換水試驗中被很快抑制并發(fā)生了種群更替，導(dǎo)致試驗中斷；臨港廢水由于氮磷含量偏低，換水周期和微藻的生長率之間難以保持平衡；因此主要采用南匯廢水進行了試驗。半連續(xù)培養(yǎng)試驗的生物量變化見圖6，優(yōu)勢度變化見表3。
圖6為連續(xù)運行條件下的微藻生長量，可以看出，在半連續(xù)式培養(yǎng)條件下，換水量保持在每2d換水1次，每次200 mL，在南匯的進出水中，四尾柵藻的平均生長速率在0.20 g/(L．d)，斜生柵藻的平均生長速率在0.28 g/(L-d)，都要低于批式試驗中的生長速率，但相比與類似研究處于中等水平，而出水由于氮磷含量偏低，2d的換水周期太長導(dǎo)致培養(yǎng)液無法支持微藻的快速生長，四尾柵藻與斜生柵藻的生長速率僅為0.02和0.07 g/(L-d)，不到其最大生長速率的1/10。
從表3可以看出，南匯污水的進出水組柵藻優(yōu)勢度都比較高，特別是進水組優(yōu)勢度均在90%上下，出水組也在80%左右。且斜生柵藻的優(yōu)勢度都要高于四尾柵藻，其對污水系統(tǒng)的適應(yīng)性更好。
3討論
采用城市生活污水培養(yǎng)微藻，首要的一個問題是微藻對污水營養(yǎng)物質(zhì)的適應(yīng)和利用能力。在批式試驗中，除金山廢水外，2種微藻在前2d的生長率都比較穩(wěn)定，且進水與出水的培養(yǎng)曲線僅顯示出輕微的差別，但結(jié)合半連續(xù)式試驗的結(jié)果可以看出進水與出水營養(yǎng)成分的差別導(dǎo)致微藻生長速率差別明顯，分析是因為2種微藻的藻體中均有貯存的氮磷，可以支撐其短時間的生長所致。也有文獻探討實驗前對微藻進行饑餓培養(yǎng)處理，但在一般運行中微藻并不會處于饑餓狀態(tài)，而且饑餓狀態(tài)下的微藻會發(fā)生超補償現(xiàn)象，導(dǎo)致批式試驗中廢水氮磷迅速下降，實驗結(jié)果失真。在半連續(xù)試驗中，臨港進出水同樣由于低氮磷含量影響微藻生長導(dǎo)致微藻總量不斷下降，中途中止試驗。我們曾嘗試外加氮源支持微藻生長，發(fā)現(xiàn)即使在廢水中添加150 mg/L的NaN03(此濃度為BG11濃度的1/10)，6d內(nèi)微藻的生長狀況依然可以與在純BG11中生長狀況相同，同樣提示在沒有生長抑制因子的條件下，廢水中氮的缺乏是導(dǎo)致微藻難以持續(xù)快速生長的主要原因。而磷的使用效率表明2種柵藻對磷利用率較高，盡管廢水的磷氮比例已顯著高于BG11，但磷酸鹽依然可以在48 h內(nèi)降低到極低的水平，結(jié)合其他文獻的研究判斷，2種微藻對磷的利用可能有儲藏機制，這有利于廢水中磷的去除。而且由于氮磷比的變化會有利于小球藻、藍藻等雜藻生長，因此廢水培養(yǎng)系統(tǒng)中應(yīng)該注意氮磷比對種群優(yōu)勢度的影響。
因此在正式運行中，如采用中水回用培養(yǎng)微藻，必須縮短水力停留時間或者外加氮磷以保證營養(yǎng)供應(yīng)，受限于微藻采收技術(shù)，現(xiàn)有的微藻運行措施無法像活性污泥系統(tǒng)利用污泥回流解決水力停留時間與微生物停留時間不同的問題，水力停留時間的縮短也將導(dǎo)致微藻停留時間縮短，甚至大于微藻生殖周期，使系統(tǒng)崩潰。如何對微藻進行有效的沉淀或回流將是是生產(chǎn)應(yīng)用中急需解決的問題之一，如胡洪營等提出的利用污水處理中的膜分離技術(shù)進行微藻分離和回流是一個較有前景的技術(shù)，但其穩(wěn)定性和可靠性還需要試驗驗證。
除了營養(yǎng)條件限制外，廢水微藻培養(yǎng)的另一個問題是微藻的優(yōu)勢度保持能力，現(xiàn)有的微藻生物柴油與廢水處理相結(jié)合的研究多限于實驗室短批次的培養(yǎng)，廢水通常需要經(jīng)過滅菌、過濾等消毒處理以保持培養(yǎng)產(chǎn)油微藻的優(yōu)勢生長，藻種對廢水的適應(yīng)性及開放式培養(yǎng)條件下微藻優(yōu)勢度的變化都成為限制該項研究的關(guān)鍵因素，我們的前期實驗亦表明，硅藻目、金藻目的產(chǎn)油藻種無法在未滅菌的廢水中生長，或是很快就被其他微生物所替代。最終選用的2種柵藻均從奶牛場廢水中篩選，本身耐污性較好，生長速率高，在高接種量及穩(wěn)定的培養(yǎng)條件下不易被取代，在半連續(xù)試驗中南匯廢水可以很好地支撐2種微藻的生長，南匯進水的半連續(xù)試驗共持續(xù)了4個月，微藻的優(yōu)勢度均能始終維持在80%以上，顯示出良好的應(yīng)用前景。但2種微藻明顯不適應(yīng)金山廢水，半連續(xù)培養(yǎng)10 d左右小球藻大量暴發(fā)最終導(dǎo)致實驗中止，因此，合適的廢水來源對于微藻的培養(yǎng)至關(guān)重要，另外在成本可控的情況下，利用一定的技術(shù)手段去除金山廢水中的毒性物質(zhì)將有利于產(chǎn)油柵藻的生長。而Woertz等采用的混合藻種培養(yǎng)方法也是一種有發(fā)展?jié)摿Φ氖侄�，但在我們的試驗過程中發(fā)現(xiàn)，最易產(chǎn)生的污染藻種小球藻和顫藻是不含油的藻種，因此如何能保證系統(tǒng)中的優(yōu)勢藻種一直為產(chǎn)油藻種是混合培養(yǎng)模式下急需解決的問題。或者采用更好的辦法開發(fā)小球藻和顫藻，使得整個廢水培養(yǎng)系統(tǒng)如農(nóng)田的輪作一樣進行更替運行，將更有效的降低系統(tǒng)運行成本。
在油脂積累過程中，半連續(xù)式培養(yǎng)中的微藻幾乎沒有油脂的積累，在批式試驗運行6d后微藻所積累的油脂也僅有最高含油量的20%，因此在污水氮磷利用后應(yīng)考慮增加油脂積累的步驟以保證后續(xù)油脂提煉工作的效益最大化。
本文的研究結(jié)果表明，在合適的環(huán)境條件下，利用未處理污水培養(yǎng)產(chǎn)油藻進行連續(xù)運行也是可行的，但污水培養(yǎng)的關(guān)鍵問題將是在水力停留時間和微藻停留時間之間找到合適的平衡點，而經(jīng)濟有效的微藻采收回流手段及優(yōu)勢藻種控制技術(shù)將是今后的研究重點。
下一篇:返回列表
