可沉藻富集用于深度处理与资源化
编者按：微藻既是水体富营养化的元凶，又是一种有潜力的污出水深度处理微生物，且微藻“脂质积累”可用于生物燃料生产。研究以SBR方式，利用“冲刷”压力选择性富集混合培养中的可沉微藻；通过控制沉降时间（ST）与体积交换比（VER）来实现“冲刷”压力；可实现97%沉淀效率，SVI=17~50 g/ml。高体积交换比是可沉微藻快速生长之关键，体积交换比也是微藻结构群落控制的重要因子。高（0.5与0.7）、低（0.2）体积交换比可分别诱导硅藻、蓝藻占优势。可沉微藻致出水PO43--P浓度进一步降低至<0.1 mg P/L，除磷效率达99%，主要缘于高pH（8.5~10）诱导的磷酸盐强化化学沉淀。而高pH降低了溶解性无机碳（DIC）生物可获得性，导致高体积交换比与液体比（≈10%）时可沉降微藻对硝酸盐去除不完全（NO3--N=2.2~4 mg N/L，去除率=61~79%），但这个问题可以通过注入CO2或调节pH值来解决。这一研究证明，以可沉藻方式可以实现大规模深度出水处理以及生物燃料的生产。
编译 | 魏洪禹
责编 | 郝晓地
文章亮点
·以SBR方式，通过控制体积交换比（VER）实现“冲刷”压力来富集可沉微藻。高（0.5与0.7）、低（0.2）体积交换比可分别诱导硅藻、蓝藻占优势。高体积交换比是可沉微藻富集的关键，体积交换比也是微藻结构群落控制的关键因子。
·由于高pH诱导磷酸盐强化化学沉淀，可沉微藻致出水PO43--P浓度进一步降至0.1 mg P/L以下，除磷效率高达99%。
·采用强光照和提高溶解性无机碳生物获得性（注入CO2或调节pH），可使富集硅藻实现大量脂质积累，实现可持续性生物柴油生产，并且提高可沉微藻对硝酸盐去除率。
01、可沉降微藻菌培养的必要性
微藻是水体富营养化的元凶，也是一种极具潜力的出水深度处理微生物，微藻积累的脂质可用于生物燃料生产。微藻以中性脂质形式可储存大量固定碳，中性脂质可转化为生物柴油，实现生物燃料生产。
研究从污水处理出水培养的混合藻类培养物中选择性富集可沉微藻，探究富集可沉微藻对营养物去除能力，基于可沉微藻细胞组成成分对其生物能源潜力进行评估。
02、实验方法和材料
2.1 实验材料及装置
以三级污水处理水质为依据，合成二级处理出水质作为培养基（表1）。合成出水将定量无机化合物、微量元素和维生素溶解于自来水中。接种物为混合藻类培养的污水。培养两个月后生物量浓度（TSS）达到约0.3 g/L。显微镜观察显示，混合培养以单细胞绿藻为主，其次是蓝藻（色球藻），也有丝状蓝藻（颤藻）和硅藻（直链藻）被观察到。
反应器以SBR方式运行（如图1），周期为1 d，共运行134 d（表2）。根据VER值将6台反应器（2 L）分为3组: 第一组：1、2号，VER值为0.2; 第二组，3号和4号, VER为0.5; 第三组为5号、6号，VER为0.7。每组分别采用2个不同的沉降时间（10和60 min）。不同沉降时间和VER会导致不同的水力旋转压力和营养负荷率。
图1 光生物反应器的日常运行顺序（来自原文）
2.2 分析计算
2.2.1 微藻生长、群落和可沉降性
反应器中，过滤10 mL样品之后测定TSS。用10 mL体积分数为90%甲醇在75℃和5 min条件下提取叶绿素a。可沉降生物量生产率由式（1）计算:
式中，TSSr,t1和TSSr,t2分别为第1 d和第2 d的反应器内生物量浓度（TSS）;△t=（t2-t1）d。
以沉降效率和污泥容积指数（SVI）表示微藻生物量的沉降性。沉降效率按式（2）计算：
式中：TSSe为沉淀后出水TSS浓度; TSSr是分离前循环结束时反应器中混合TSS的浓度。
2.2.2 细胞组成以及水质分析
使用光学显微镜观察群落变化。确定微藻细胞成分（多糖、蛋白质、脂质）。总糖含量用苯酚-硫酸法测定。以连续热-TCA法和碱性法提取蛋白质，并用Lowry法定量。用氯仿/甲醇混合物（体积比2:1）提取总脂质。测量水样样本中NO3--N，PO43--P，Ca2+。Mg2+，SiO2和溶解性无机碳（DIC）浓度。
03结果与讨论
3.1 沉降性能分析
接种物（单细胞绿藻为主）沉降1 h后沉降效率只有22.5%。第一组沉降效率在第33 d提高到97%以上。第2、3组分别只用了15 和11 d使沉降效率达到97%。结果显示，相同体积交换比下，不同沉降时间（10 min对应60 min）沉降效率并没有明显差异，VER越高，沉降效率提高越快。从原生混合藻类培养中富集的可沉微藻在短沉降时间（10 min和60 min）内达到高沉降效率（>97%）。
量筒沉降试验（图2）中，圆柱体含有从反应器（编号1~6）收集的微藻悬浮液。0号作为对照。接种物保持悬浮状态，富集微藻迅速沉降。在高体积交换比下，富集微藻表现出更好的沉降速度（图2b和c）。在VER为0.2、0.5和0.7条件下，相应SVI分别为50、25和17 mL/g。
图2 不同VER条件下可沉微藻（TSS=6 g/L）量筒沉降试验:（a）VER=0.2;（b）VER=0.5;（c）VER=0.7（来自原文）
如图3，污泥停留时间（SRT）延长刺激胞外聚合物（EPS）分泌和生物絮凝会进一步提高沉降性。接种物与富集微藻生物量不同不是导致沉降性能差异的根本原因，10倍生物量浓度接种物沉降效率（27.3%，1 h沉降）也远不及富集微藻（30 min后，>97%）。微藻表现出与藻-菌聚集体相当、甚至更好的沉降能力。根本原因在于，可沉降微藻截留和不可沉降微藻冲刷形成了良好的选择性。高体积交换比是可沉降微藻群落快速发展的关键因素。另外，高pH诱导的化学沉淀也可能促进絮凝作用，细菌可能在生物絮凝中发挥作用的问题有待解决。
图3 不同体积交换比下的形态结构演化（来自原文）
由式（5），VER高于生长速率将导致不可沉降微藻净冲刷，而VER低于生长速率则不足冲刷掉不可沉降微藻。不可沉降微藻生物量损失率可由式（3）确定:
式中，V为反应器总容积（L）; n为每天循环次数（本研究中为n=1/d）; X为生物量浓度（g/L）。
不可沉降微藻生成速率由式（4）确定:
式中，μ为比生长率（1/d）。
因此，不可沉淀微藻的积累速率（△X/△t, g/d）为:
图4 藻类生物量在光生物反应器中生长:（a）总悬浮固体;（b）叶绿素a水平（来自原文）
3.2 藻类生物量增长
藻类生物量增长特征如图4所示，有三个不同阶段:
①阶段Ⅰ特征是藻类生物量逐渐增加。沉降效率增长的越快（VER越高），可沉降生物量积累就越快，滞后期持续越短。
②沉降效率达到>97%后，生物量积累速率在Ⅱ阶段呈线性关系（结果见表3）。由于可沉生物量产量较高，生物量浓度迅速上升。
③高藻密度造成自遮蔽效应，导致了一个静止阶段（Ⅲ阶段），在培养结束时，生物量增长（TSS和Chla）逐渐下降到零。
通过高体积交换比可简单而经济高效的分离可沉微藻来实现反应器中高生物量保留。
3.3 群落结构
随着沉降性的改善，群落发生了显著变化。原始种群中占主导地位的单细胞物种被丝状微藻所取代，形成由EPS支撑的大团聚体。VER较高（0.5和0.7）时，硅藻生长迅速，并在两周内成为优势种。在VER为0.7时，硅藻的优势是永久的，而蓝藻出现了短暂的共存优势。硅藻具有由硅酸盐组成的非常密集的锥孔使得它具有高沉降性。硅酸盐浓度超过约2 mM阈值，硅藻就会占主导地位，而不受环境变化的影响。体积交换比高的同时要保证高硅酸盐水平才能导致硅藻富集。体积交换比低（0.2）时，蓝藻优势得益于高pH（8~11），并且能高效吸收利用硝酸盐，而大多数藻类最佳氮源为氨氮。
3.4 营养物去除性能
除磷效果如图5所示。所有反应器均具有优良的除磷性能。出水PO43--P从第5天开始低于0.1 mg/L，去除率接近100%。这种高效而稳定的除磷主要缘于高pH时磷酸盐化学沉淀。
图5 除磷性能（来自原文）
脱氮性能如图6所示。反应器1、2号实现了非常高效和稳定的硝酸盐去除。从第5 d开始的平均去除率为99%。3、4号反应器平均去除率分别为79%和77%。5、6 号反应器平均去除率分别为61%和62%。
图6 脱氮性能（来自原文）
高pH值下缺乏可生物利用DIC造成高体积交换比时脱氮不佳，解决方法是注入CO2或者调节pH。废水中含有足够DIC以维持微藻生长的结论只有在pH控制在9以下时才成立。pH大于9时，大部分DIC以碳酸氢盐或碳酸盐形式存在，在高VER条件下，硅藻是不能直接利用的，而蓝藻可以，导致第一组反应器中几乎完全去除硝酸盐。
3.5 生物能源的潜力
细胞组成如表4。微藻都含有低碳成分（脂质和多糖），蛋白质是主要细胞成分。蓝藻主要储存物是蓝藻素颗粒和蓝藻淀粉，生物柴油生产不应该是以蓝藻生物量为目标。蓝藻用于沼气生产可一石二鸟，以蓝藻为主产生的甲烷（216 L CH4/kg VSS）明显高于其它藻类，并且蓝藻毒素可以在厌氧消化过程中被有效降解。脂质是硅藻的主要储存物质，中性脂质可以很容易转化为生物柴油而实现可持续生物柴油生产。通过采用强光和足够生物可利用DIC（注入CO2或控制pH值），可以实现大量脂质积累。
04、结论
以SBR方式，在高体积交换比、强光和有足够生物可利用溶解性无机碳（注入CO2或控制pH值）条件下，可经济高效富集可沉微藻（硅藻占大多数），用于污水深度处理，且可持续产生可提取生物燃料基质。
