借助城市污水養殖微藻，制備生物柴油，緩解水體污染與能源枯竭等問題，目前已經成為各國的研究焦點[1。藻類能為好氧異養微生物提供氧，而好氧微生物能夠氧化分解污水中有機污染物，生成無機氮、磷化合物、二氧化碳等，為藻類補給營養物與碳源，從而循環構成藻菌共生關系。根據報道，藻菌共生系統可有效地去除有機污染物，又可以有效培養微藻。

　　生物轉盤是一種生物膜法污水處理技術。近年，國內對該技術進行了深入研究，該體系已逐步完善。生物轉盤盤面作為微生物生長表面，可以實現氧氣在空氣、水與生物膜中接觸轉移。目前，活動式填料已經逐步替代傳統盤面以增大轉盤表面積。藻生物轉盤是結合生物接觸轉盤和藻菌共生系統優點的新型污水處理工藝。據報道，美國曾開發一種藻生物轉盤Bacpac，中腔填充懸浮填料，利用細菌進行常規處理，氧化分解污水中有機污染物，為藻類補給營養物;藻類吸附于外部幅板，釋放氧氣維持細菌代謝。但該技術負荷小，僅適用于微污染環境或個人家庭。目前，將藻生物轉盤用于實際城市污水處理的研究報道較少，故開展相關研究具有重要的現實意義。

　　本實驗嘗試研制一種基于藻菌生物系統的生物接觸轉盤反應器，探究該反應體系的最佳運行條件及接種藻后反應器的處理效能，以降低城市污水中的有機物以及氮磷含量，同時回收藻內油脂作為生物柴油原料，實現資源再生。

　　1 材料與方法

　　1.1 實驗裝置

　　本實驗選用自行設計裝置(新型三級藻菌生物接觸轉盤反應器)，流程裝置見圖1，主要由一沉池、一級、二級轉盤等15個部分構成。選取耐高溫有機玻璃材質，呈長方體，焊接鐵架支撐，底部閥門用于反應器的清洗與放空。內部填料、外部幅板構成生物轉盤的主體，其內部是鐵絲網包圍而成的柱狀空腔，腔體被布滿圓孔的矩形有機玻璃板平分為5個區域，填料均勻布設在每個小腔室內，設置幅板與水平方向成60°角。該轉盤選用氣體驅動，電磁式空氣壓縮機提供驅動力，氣棒用橡膠吸盤固定于各級反應池底部的后端位置，控制轉盤轉速。鑒于天氣變化，為滿足微藻的生長需要，選用品牌三防燈為強化光源，燈管均分、平鋪于裝置底部，水平間隔245 mm，全天持續照射。中空纖維膜組件鑲嵌于三級反應裝置中，以進一步保持反應器內藻生物量，避免隨出水流出。裝置主要參數如表1所示。

　　圖1 實驗裝置流程圖

　　1.2 實驗運行

　　隨著反應的進行，反應器內接種的微藻，掛膜于填料中的污泥內的細菌，構成藻菌共生系統。城市污水從污水井由泵抽取至總容積1 m3貯水桶內(塑料材質)，經取水泵由一沉池上部管路進入池內進行初次沉淀。該池水從雙邊三角堰出水，流入一級轉盤的前端。經出氣棒驅動后的三級轉盤組，其中幅板在上升氣泡的作用下，帶動轉盤轉動，促使體系中藻液與微生物的接觸更為充分，混合液混合效果良好。轉盤組出水經膜組件攔截篩分，進行藻水分離后，排入市政管網，蠕動泵抽吸膜組件出水。

　　1.3 實驗材料

　　實驗選用中國科學院武漢水生生物研究所藻種庫中的二形柵藻(編號959)。取樣的生活污水來自深圳西麗大學城，經測試為中低濃度有機污水，其中布設取樣點是原污水、一沉池出水、一級和二級轉盤出水、膜前、膜后的出水。因反應器中投加微藻會對一級、二級轉盤出水與膜前出水引起一定的檢測誤差，所以水樣先經3 000 r·min−1的離心機離心10 min后，對上清液進行分組檢測。實驗進水的主要水質指標見表2。

　　表2 進水離心后水質平均值

　　1.4 實驗方法

　　1.4.1 填料掛膜方法

　　將準備接種的活性污泥混合液靜置后，取上清液(含有多種所需的游離菌種)作為掛膜菌種。將接種活性污泥的上清液引入反應器中，投加污水的體積比為1:1，此時填料上幾乎無膜。3周后，開始連續進水，并逐步提高進水量，逐漸形成黃色透明的生物膜，出水水質也較為穩定。經2周后，掛膜完成，整體顏色，由奶黃色轉為土黃色，最后變為棕褐色。

　　1.4.2 微藻的擴大培養

　　因反應器中所需微藻量較大，所以在使用時應對微藻進行擴大培養。在0.5 L和1 L的錐形瓶中，選用培養基對其進行擴大培養，借助砂石曝氣頭充氣，封口后平放并置于恒溫培養室。當微藻數達到一定濃度后，將其遷出，放置于室外的玻璃箱中再次進行培養，采用曝氣條進行曝氣。玻璃箱進行加蓋處理，確保藻液不被外部環境侵染。

　　1.5 分析方法

　　1.5.1 污水常規指標檢測

　　選用檢測方法及標準見表3。

　　表3 常指標檢測方法及標準

　　1.5.2 微藻細胞數量的測定

　　采用血球計數板計數法，每組計數3次，取平均值。

　　1.5.3 微藻細胞干重的測定

　　藻細胞的干重用重量法測定，稱取50 mL藻液置于離心管，離心速度3 000 r·min−1，離心10 min，用去離子水將所得藻細胞進行二次懸浮離心，再次棄去上清液。再置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，用分析天平[18]稱量。

　　2 結果與討論

　　2.1 反應器運行條件及有機負荷優化

　　每天上午9點測量反應器的運行參數，取平均值。溫度24.9 ℃、自然光照強度16 663 lx、燈管3支，光強5 500~12 000 lx、轉盤進氣壓0.011 5 MPa、一級轉盤轉速1.32 r·min−1、二級轉盤轉速1.73 r·min−1。在此環境下，考察進水流量40、60和80 L·h−1，對應有機負荷(以COD計)為1.75、2.71、3.63 kg·(m3·d)−1時，反應器中一沉池、一級轉盤、二級轉盤和三級反應池對各污染物的去除效能。

　　不同進水流量下， COD的去除情況如圖2所示。

　　圖2 不同水力負荷下COD的去除

　　由圖2可知，在有機負荷(以COD計)為1.75、2.71、3.63 kg·(m3·d)−1時，反應器對COD的去除率分別為75%、77%、70%，出水COD的濃度分別為53、48、68 mg·L−1。結果顯示，有機負荷(以COD計)增加至3.63 kg·(m3·d)−1， COD的去除率有所下降，導致這一現象的原因，據推測可能是由于生物膜量隨有機負荷的增加而增加，并且導致了生物膜脫落周期縮短，從而出水中混入脫落的生物膜，進而影響出水的水質。

　　不同有機負荷下，SS去除情況見圖3，SS的平均去除率分別為88%、87%、83%，對應的出水SS濃度為22、21和25 mg·L−1，均略高于達標排放值。這表明水力負荷過高時，污水與反應器接觸時間減少，處理效果降低，反應器處理能力在一定程度上受到抑制。

　　圖3 不同水力負荷下SS的去除

　　不同有機負荷下，反應器對NH4+-N和TN、TP的去除情況如圖4～圖6所示。NH4+-N的平均去除率分別為78%、80%、70%，TN的平均去除率分別為34%、39%、32%，出水TN濃度均略高于達標排放值;TP的去除率分別為37%、43%、34%，出水TP濃度同樣低于標準。由此可以看出，在不投加微藻的情況下，僅通過改變反應器的有機負荷，很難改善TN、TP去除不佳的情況。而根據進水水質相應調控反應器內微藻含量，則可以有效地利用進水中的TN、TP，最終可使出水中TN、TP符合排放標準。綜合各項指標的處理效果，當有機負荷(以COD計)為2.71 kg·(m3·d)−1，進水流量60 L·h−1時，本反應器可達到最優運行狀態。具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　圖4 不同水力負荷下NH4+-N的去除

　　圖5 不同水力負荷下TN的去除

　　圖6 不同水力負荷下TP的去除

　　2.2 反應器中微藻的生長

　　按既定實驗，微藻后期擴大培養應在室外的玻璃箱進行。實驗開展后發現，經封閉的玻璃箱仍受外界環境污染，誘發藻類產生團聚現象。細胞濃度峰值達到1.00×107 cell·mL−1，選定此濃度作為本實驗藻的飽和細胞濃度。5次共投加的總藻液折算為飽和濃度后為30.5 L，體積占反應器總體積的9.4%。假設反應器內的藻液實現完全混合分布，則理論初始藻細胞濃度應為9.4×105 cell·mL−1，在藻濃度最大的一級反應池中，實際藻濃度與理論值相差甚遠，可能是由于部分微藻被污泥所包裹或吸附在反應池壁引起的。反應器內的藻細胞濃度隨時間變化情況如圖7所示，30 d后3個反應池內藻細胞濃度分別為1.50×106、1.75×106和2.10×106 cell·mL−1，表明外加光源對微藻生長有一定的促進作用，但仍未達到相同條件下室外玻璃箱培養的飽和濃度，可能是因為光強不足。

　　圖7 反應器中藻的細胞濃度

　　2.3 投加藻后反應器的處理效能

　　投加微藻后，COD的去除情況如圖8所示，COD的膜前和膜后平均去除率分別為62%和79%，對應的膜前和膜后出水中COD值分別為41 mg·L−1和20 mg·L−1。產生差異的原因是部分藻細胞在離心時破裂，溶解后釋放出部分COD值，而膜后出水中并不含藻細胞，膜對污水中小顆粒物截留作用使膜后出水中的COD降低。

　　圖8 反應器對COD的去除

　　投加微藻后，反應器對SS的膜前和膜后平均去除率分別為61%~75%和88%~96%,膜前出水SS濃度平均值為15 mg·L−1，膜后出水SS濃度小于4 mg·L−1，如圖9所示。這一差異是由于膜的分離和截留作用所導致的。SS的去除率較低是因為實驗用水經離心后SS值較低，平均值僅為46 mg·L−1。

　　圖9 反應器對SS的去除

　　NH4+-N的膜前和膜后平均去除率分別為87%和88%，如圖10所示。由于離心時除去了大部分影響NH4+-N值的大顆粒有機物，因此膜前和膜后去除率都較為穩定。膜后去除率比膜前去除率高時，由于微藻對氮的吸收作用，經過膜對藻體的截留作用，膜后出水中不含微藻，故NH4+-N的去除率提高。

　　圖10 反應器對NH4+-N的去除

　　TN的膜前和膜后去除率如圖11所示。微藻會吸收污水中的氮用于生長，從而對TN的去除起促進作用，但從實驗數據來看，這種效果不夠明顯，投加微藻后TN的去除率變化有限。可能是因為低濃度微藻可吸收氮量有限，或是離心時藻細胞破裂導致吸收的氮又釋放到了水中。

　　圖11 反應器對TN的去除

　　TP的膜前和膜后去除率如圖12所示。TP的去除率較低可能是因為反應器內無明顯厭氧區且運行期間不排泥所致。理論上投加微藻后，TP的去除率應得到提高，但從實驗數據來看并無明顯效果，同TN的去除相似，這可能是因為微藻的濃度較低或離心導致藻體破裂所致。

　　圖12 反應器對TP的去除

　　2.4 反應器中膜的工作狀況

　　2.4.1 膜污染

　　本實驗采用的中空纖維膜組件表面孔徑為小于微藻的直徑(0.1μm)，可有效截留微藻。本實驗用水未經預處理，因此，存在大粒徑的顆粒物，并且水中還含有一定量的微藻，故膜組件在污水中的膜通量相對于純水通量要小得多。膜壓力也會隨著膜通量的減小而增大，在蠕動泵轉速恒定時，膜通量隨膜面壓力的變化情況如圖13所示。在膜污染程度相同時，通過提高蠕動泵的轉速，可增大膜通量，但隨著污染的加劇，改變蠕動泵的轉速不再能獲得所需要的膜通量，而且蠕動泵轉速太高會損壞膜絲。表明膜污染很嚴重，需要更換膜并對其進行物理或化學清洗以恢復膜通量。

　　圖13 膜通量與膜面壓力的關系

　　2.4.2 膜污染周期及清洗

　　中空纖維膜組件運行過程中膜通量隨運行時間的變化如圖13所示，在運行30 d后，膜污染越來越嚴重，膜通量大幅下降，膜面負壓達到0.032 MPa，已無法滿足反應器出水量的要求，此時需要對膜組件進行清洗，清洗周期為30 d。本實驗采用酸堿洗法，清洗劑為pH=12的NaOH和pH=2的HCl溶液，在室溫下先用堿液沖洗10~15 min，再用酸沖洗10~15 min，或者先堿后酸，分別浸泡1~2 h。清洗后，膜通量可恢復至原始值的80%以上

　　3 結論

　　1)設計和運行了新型藻菌共生生物轉盤反應器裝置，通過接種二形柵藻，成功構建了藻菌共生系統。經過藻菌共生系統處理后，污水中NH4+-N去除率分別可達88%，相較未投加藻類時均有明顯提升，表明微藻可有效去除污水中的氨氮和氮磷。

　　2)該反應器的最佳設計和運行條件為：轉盤組二級，有機負荷(以COD計)為2.71 kg·(m3·d)−1，水力停留時間4.8 h，膜清洗周期為30 d，自然光照輔以24 h外加光源，藻回收周期為30 d。(來源：環境工程學報 作者：張劍橋)