氮磷同化海洋菌-藻共生系統(tǒng)的建立及其在含鹽污水處理中的研究.pdf

1、隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和環(huán)境污染的日益嚴重，水資源的短缺已經(jīng)成為制約全球發(fā)展的重要因素。為了緩解淡水資源的短缺并達到清潔飲用水質(zhì)的要求，越來越多的科研工作者開始研究和關(guān)注替代水源的開采和使用，其中海水作為最經(jīng)濟環(huán)保的替代水源，已經(jīng)廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市生活等多個領(lǐng)域，而海水沖廁的應用更是已經(jīng)覆蓋香港80％的人口。但是海水代用依然面臨一些問題和挑戰(zhàn)，海水沖廁產(chǎn)生的污水（俗稱黑水）需進入市政污水處理系統(tǒng)與其他廢水一同處理后深海排放，而海水

2、黑水高鹽、高氨氮、低碳氮比等特點都會嚴重沖擊生物處理系統(tǒng)。
　　現(xiàn)有的生物除氮方法，例如硝化、反硝化、ANAMMOX、SHARON、CANON以及HNAD等，都是將氨氮、硝氮等無機氮最終轉(zhuǎn)化為N2逸散，且過程中產(chǎn)生NxO等中間產(chǎn)物，不僅會導致水體中氮的大量流失還危害生態(tài)環(huán)境;另一方面，磷礦這一不可再生的資源如果不加節(jié)制的開采，也會在未來50-100年內(nèi)枯竭，磷礦資源儲量已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。事實上，現(xiàn)有污水處理只

3、關(guān)注去除污染物質(zhì)以達到排放標準，傳統(tǒng)三級處理中氮和磷的最大回收率分別只有15-20％和20-30％，因此污水處理與資源回收一體化會成為污水處理的新方向。螺旋藻作為兼性異養(yǎng)的光合藻類，具有耐鹽性好、生長速度快、能夠以同化吸收的方式處理去除氮、磷并收獲富營養(yǎng)藻體的特點，雖能用其實現(xiàn)污水處理與資源回收一體化，但微藻處理系統(tǒng)仍有出水pH過高，有機物處理效率低下的問題。
　　針對以上挑戰(zhàn)，本研究選擇了一株具有高效氮、磷去除能力的海洋菌，在研

4、究其氮磷去除相關(guān)特性和機理的基礎(chǔ)上，建立菌-藻共生系統(tǒng)，并設計光合膜生物反應器用于處理模擬海水沖廁污水，在實現(xiàn)碳、氮、磷高效去除的同時，回收高營養(yǎng)價值的菌、藻體。本論文主要包括以下幾個部分:
　　(1)系統(tǒng)地研究了海洋菌Vibrio.spY1-5對硝氮、氨氮和混合氮等不同氮形式的除氮機理及其生態(tài)毒性。該菌系同化性硝酸鹽還原菌，能夠在兼性有氧的條件下逐步將硝態(tài)氮還原為亞硝氮，再進一步還原為氨氮。硝酸鹽還原酶位于細胞質(zhì)中，氧濃度的增加

5、只加速了硝氮轉(zhuǎn)化而不影響去除效率。在純好氧條件下，氨氮不通過羥胺-亞硝氮-硝氮的硝化過程，而是直接以同化吸收的方式將氨氮轉(zhuǎn)化為有機氮儲存于細胞內(nèi)，且該菌能夠耐受1600mg/L的氨氮時844.6mg/L氨氮被吸收。當硝氮和氨氮同時存在時，氨氮的同化首先發(fā)生，且氨氮的同化對硝酸鹽的還原有一定抑制作用。氮平衡實驗表明在所有氮形式的轉(zhuǎn)化過程中沒有N2O和N2等氮氧化氣體的產(chǎn)生而導致氮損失或危害生態(tài)環(huán)境，以豐年蝦為模型生物的毒性試驗證明該菌對水

6、生生態(tài)系統(tǒng)并不具有毒性。
　　(2)系統(tǒng)研究了海洋菌Vibrio.sp Y1-5在處理模擬海水沖廁污水時除磷特性及其生物可利用性。該菌能夠在NaCl為1％-7％、pH為5-9、C/N為10-20、初始磷濃度1-40mg/L的條件下生長良好并高效除磷，最多除磷30mg/L左右;該菌只能在純好氧條件下除磷，厭氧環(huán)境會使菌體細胞休眠，既不生長也無磷釋放，恢復好氧條件后菌株快速生長并高效除磷，與純好氧環(huán)境除磷效率相當;菌體內(nèi)含磷量占細胞干

7、重的16.7％，是聚磷菌(PAOs)的兩倍以上，其中易于遷移和可生物利用的磷形式OP+NAIP占比高達97.12％。31p NMR表明該菌能夠?qū)⒄姿猁}逐漸同化吸收轉(zhuǎn)化為磷脂、焦磷、聚磷等。其中，磷酸單脂和磷酸雙脂等有機磷形式占總磷的比例為86.35％-76.68％;無機磷以正磷為主，占總磷比例的13.65％-13.98％，焦磷和聚磷所占比例極少。
　　(3)借鑒現(xiàn)有海水沖廁污水的處理方案，研究海洋菌Vibrio.sp Y1-5處

8、理不同比例混合(1∶0、7∶3、5∶5、3∶7)的海水黑水（海水沖廁污水）與灰水（市政廢水）的效果。黑水配比越高，生長狀況越好，氨氮去除率隨黑水配比的降低，從68.7％升高至93.2％，配比為5∶5和3∶7時磷去除率高達97.39％和98.12％，所有配比的COD去除率都在90％以上。營養(yǎng)物的去除與生物量直接相關(guān)，并且直接受到體系溶解氧濃度的影響，營養(yǎng)物去除過程中產(chǎn)生626mg/g-DW的胞外聚合物(EPSs)，分別能去除63.9％的磷

9、和71.7％的氮。EPSs去除的氮只以芳香-蛋白類物質(zhì)儲存于EPSs中，且過程中沒有中間產(chǎn)物的生成，同化的磷則主要以磷酸單脂和磷脂雙脂等有機磷形式存在，占總磷的70.28％。在pH調(diào)控下，系統(tǒng)中的金屬與正磷酸鹽以Mg3(PO4)2和Ca(PO3)2等磷酸鹽沉淀的形式存在EPSs上，促進了磷的去除。
　　(4)基于海洋菌Vibrio.sp Y1-5能夠在單級好氧、高有機負荷等條件下去除營養(yǎng)物的特性，及其鈍項螺旋藻耐鹽性好、光合產(chǎn)氧、

10、兼性異養(yǎng)的特性，建立海洋菌-螺旋藻共生系統(tǒng)，用于處理以海水沖廁污水為代表的一類富營養(yǎng)含鹽污水。響應曲面實驗設計研究表明，螺旋藻接種濃度OD560為0.2，Vibrio.sp Y1-5接種濃度為10％(v/v)時，有機物和營養(yǎng)物的去除效果最佳。海洋菌能有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH保障出水pH低于9，避免了因藻類生長導致的pH過高，無論從污水處理指標還是生物量收獲菌-藻混合系統(tǒng)都優(yōu)于菌、藻單獨系統(tǒng)的總和，真正實現(xiàn)了菌藻的互利共生，TN去除率為85.4％

11、(初始200mg/L)、總磷去除率87.8％(初始40mg/L)、COD的去除率98.6％(初始1600mg/L)。最終收獲生物量為4.28g/L，其中油脂含量16.3％、蛋白含量62.6％。系統(tǒng)氨氮、總氮和磷的去除主要通過同化和積累作用，質(zhì)量平衡分析表明有81±14％的氮和86±17％的磷被回收。系統(tǒng)的兼性異養(yǎng)實驗表明螺旋藻能夠根據(jù)環(huán)境條件自發(fā)調(diào)節(jié)自養(yǎng)和異養(yǎng)性能，不但確保了菌所需有機碳源的供應，也實現(xiàn)有機物的有效去除。PAC分析證實藻

12、光合作用產(chǎn)氧影響菌/藻生物量比;藻生物量、營養(yǎng)物去除、pH有明顯的相關(guān)關(guān)系;氮去除主要依靠藻的同化吸收;而有機物和磷的去除主要依靠菌的作用。
　　(5)把菌-藻共生系統(tǒng)投加到光合膜生物反應器(DMPBR)處理海水沖廁污水，以單藻系統(tǒng)為對照，研究逐級降低進水COD濃度時，污水處理的性能，生物量及其相關(guān)營養(yǎng)成分的回收情況。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于單藻系統(tǒng)，菌-藻共生系統(tǒng)啟動時間更短，動態(tài)膜形成更快;整個運行周期里，菌藻共生系統(tǒng)對氨氮、總氮

13、、總磷和COD的去除效率及其生物量產(chǎn)生率都明顯高于單藻系統(tǒng)。進水COD從1600mg/L降低至400mg/L過程中，系統(tǒng)除氮效率從94.2％降低至68.1％;而除磷效果先升高后降低，在進水COD為800mg/L前期，TP去除率最高達94.2％;整個運行階段，出水COD的去除率都高于90％，當進水COD為1200-400mg/L時，出水COD都在50mg/L以下。就生物量產(chǎn)生及營養(yǎng)成分而言，進水COD濃度越高，生物量積累量就越大且菌-藻系

14、統(tǒng)的生物量產(chǎn)生率都高于單藻系統(tǒng)。進水COD從1600mg/L降低至400mg/L過程中，胞內(nèi)多糖積累量先升高后下降，含量高于一般微藻及菌藻培養(yǎng)系統(tǒng)。蛋白質(zhì)含量逐漸增加，且菌-藻系統(tǒng)比單藻系統(tǒng)增加更快，最終達到61.9％-DW，但仍低于培養(yǎng)基培養(yǎng)的螺旋藻。鹽脅迫下油脂產(chǎn)量較高(＞22％)，但隨著進水碳源的降低而稍有降低;菌-藻系統(tǒng)的葉綠素a含量與單藻系統(tǒng)持平，菌-藻共生作用提高了螺旋藻的藻體品質(zhì)。胞外聚合物(SMP+eEPS)分析和SEM