藻类去除合成废水中氮和磷的动力学研究外文翻译资料

 2022-05-06 20:58:25

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藻类去除合成废水中氮和磷的动力学研究

Sebnem Aslan, Ilgi Karapinar Kapdan

Dokuz Eyluuml;l University, Department of Environmental Engineering, Kaynaklar Campus, 35160 Buca - IZMIR, Turkey

摘要：进行了一系列实验来调查研究初始氮、磷浓度对微藻——普通小球藻脱氮除磷能力的影响并通过Michaelis-Menten速率方程确定生物动力学系数，如反应速率常数k、半饱和常数Km和产量系数Y。保持合成废水中氮磷比（N/P）在2左右，使NH4-N浓度在13.2–410 mg·Lminus;1之间，PO4-P浓度在7.7–199 mg·Lminus;1之间。实验在pH为7.0，室温（20plusmn;2℃），人工照明（4100lx）条件下进行。实验结果表明：出水质量随营养物质浓度的增加而降低；藻类培养对氮的去除比对磷的去除更有效。生物动力学系数确定为：对于氮k=1.5mg NH4-N mgminus;1 chl a dminus;1, Km = 31.5mglminus;1, YN = 0.15mg chl a mgminus;1 NH4-N；对于磷k = 0.5mg PO4-P mgminus;1 chl a dminus;1, Km = 10.5mglminus;1, YP = 0.14mg chl a mgminus;1 PO4-P。

关键词：藻类；氮；磷；废水处理；普通小球藻Chlorella vulgaris

1.引言

人类活动已经对全球生物化学循环产生了很大的影响。通过农业实践活动、城市化、工业化和其他改变，人类已经增加了进入生物化学循环的营养物质的量，尤其是氮和磷。营养物质富集或水生态系统的富营养化会导致藻类和水生植物的增加，导致组成物种和生态系统功能的丧失。由于这些原因，大量研究已经聚焦在废水中氮和磷的去除上。大多数的这些研究基于生物工艺和厌氧、好氧、缺氧区域的不同结合，如Bardenpho、A2O、UCT工艺和它们的变形。序批式反应器（SBR）已经被许多调查人员用于营养物质的去除 (Kargi and Uygur,2003; Obaja et al., 2005)。现有的磷的去除方法（如金属沉淀，生物的方法包括藻类、细菌和人工湿地）由De-Bashan和Bashan (2004a)进行了综述。

许多研究证明了微藻对氮、磷的去除具有很大潜力。藻类去除废水中营养物质的主要机制包括摄入细胞和在较高的pH下分解氨 (Hoffman, 1998; Bich et al., 1999)。利用藻类去除营养物质的优点包括：运行成本低；氮、磷被藻类同化吸收成为的生物质可以做肥料，有回收利用的可能，避免污泥处置的问题；向水体释放含氧的物质。另外，这个过程没有对碳的需求来去除氮磷，适于处理二级出水。二级出水中营养物质的浓度根据废水特点和采用的生物处理工艺的不同而不同。例如，An et al. (2003)报道称预处理的猪舍废水中的总氮浓度为788 mg·Lminus;1，Olguiacute;n et al. (2003)报道称大约1450mg·Lminus;1。生活污水常规二级处理出水中NH4 和PO4-P浓度的平均值分别为27.4 mg·Lminus;1和11.8 mg·Lminus;1，而在升流式污泥反应器（生活污水）出水中它们的浓度分别为48mg·Lminus;1、16mg·Lminus;1 (Van der Steen et al., 1999)。

广泛采用微藻培养去除营养物质的藻种是小球藻Chlorella(Lee and Lee, 2001; Gonzales et al.,1997)、栅藻Scenedesmus (Martinez et al., 1999, 2000)和螺旋藻Spirulina (Olguiacute;n et al., 2003)。微球藻Nannochloris(Jimenez-Perez et al., 2004)、布朗葡萄藻Botryococcus braunii(An et al., 2003)和席藻Phormidium (Laliberte et al.,1997; Dumas et al., 1998)去除营养物质的能力也已经被研究过。其中一个很有名的包含藻类的废水生物处理工艺是高速率藻塘（HRAP） (Cromar et al., 1996;Deviller et al., 2004)。最近，波状跑道(Olguiacute;n et al., 2003; Craggs et al., 1997)、三角形光生物反应器(Dumas et al., 1998)和管状光生物反应器(Cattaneo et al., 2003)已经发展用于营养物质的去除。Borowitzka (1999)对其他用于藻类商业生产的开放式和封闭式的生物工艺进行了综述。

固定化技术已经应用于藻类以解决悬浮生长系统中遇到的藻类收集问题。将普通小球藻固定在海藻酸钠珠内部比固定在聚氨酯泡沫外部有更高的营养物去除率（Travieso et al.，1996）。由于藻类摄取，海藻酸盐凝胶吸附，氨挥发和PO4-P沉淀的机制，包埋在海藻酸钙珠粒中的C. vulgaris（Tam and Wong，2000）也可去除有效营养物质。作为一种新方法，C. vulgaris与促生长菌Azospirillum brasilense共同固定在小藻酸盐珠中，提高了氨和磷的去除效果（De-Bashan et al., 2002, 2004b）。

合成废水处理工艺被认为是单级藻类塘系统的一种替代方案，以改善藻类的分离和营养物质的去除。与HRAP相比，C. vulgaris与水葫芦（凤眼莲）Eichhornia crassipes的组合使除氮量增加23％（Bichet al.，1999）。Valderrama et al. (2002)研究了C. vulgaris和水生植物浮萍对工业废水中营养物质的连续去除。据报道，水生植物处理在微藻处理后对营养物的去除没有额外影响。

本研究的目的是通过批量实验探究普通小球藻C. vulgaris在不同氮和磷浓度下去除营养物质的能力，并且确定生物动力学系数，例如氨氮和磷的反应速率常数k、饱和常数Km和产量系数。

材料和方法

2.1微生物

纯种的绿藻C. vulgaris由Algae Collection of the Bioengineering Department of Ege University, Izmir, TURKEY提供，由Dokuz Eyluuml;l University, Department of Environmental Engineering培养。

2.2培养基

合成废水用于整个实验。生长基质包括：MgSO4·7H2O, 1000mg lminus;1；CaCl2, 84mg lminus;1和0.5 ml微量元素。NH4Cl和KH2PO4分别作为氮源和磷源。微量元素的组成如下：H3BO3，57mg lminus;1；FeSO4·7H2O，25mg lminus;1；ZnSO4·7H2O，44mg lminus;1；MnCl2·4H2O，7mg lminus;1；MoO3，35mg lminus;1；CuSO4·5H2O，8mg lminus;1；Cu(NO3)2·6H2O，2.5mg lminus;1；Na2EDTA，250mg lminus;1；NaHCO3，2500mg lminus;1。

2.3实验设置

实验使用1000ml烧瓶分批进行。在每个系列的实验开始时，将800ml培养基接种到装有预培养细胞悬浮液的烧瓶中。整个实验的初始叶绿素a (chl a)浓度保持在3.5plusmn;0.5mg lminus;1。通过保持合成废水中氮磷比（N/P）在2左右，NH4-N浓度在13.2–410 mg·Lminus;1之间，PO4-P浓度在7.7–199 mg·Lminus;1之间。通过气泵对烧瓶进行充气，提供二氧化碳和搅拌混合。通过加入5%氢氧化钾（KOH）溶液和10% 乙酸（CH3COOH）溶液将pH维持在6.5-7.0。通过使用4100 lux（勒克斯）和连续照明的36W/54荧光灯，从烧瓶的一侧连续提供照明。光强度采用数字照度计（Luxeron LX-1108）测量。实验在室温（20plusmn;2℃）下进行10天。

2.4分析方法

通过样品对氨氮、磷和叶绿素a的浓度进行监测。每天从烧瓶取出样品，在5000-6000rpm的转速下离心分离藻类。取透明的上清液，分别采用苯酚比色法和钒钼磷酸比色法（APHA，1992）对NH4-N和PO4-P进行测量，标准偏差分别为plusmn;0.025和plusmn;0.08。

为了测定叶绿素a含量，将10ml藻悬浮液在3000rpm下离心30分钟，弃去上清液。将藻转移到3ml甲醇中，水浴加热约5分钟。待样品冷却至室温后，加入甲醇使体积达到5ml。采用分光光度计，读取给定波长下色素提取物对溶剂空白的吸光度A，使用公式(Becker, 1994)：Chlorophyll a (mg/L) = (16.5times;A665)minus;(8.3times;A650)计算出提取液中的叶绿素a浓度。

3结果和讨论

通过改变培养基中相应营养物的初始浓度来确定C. vulgaris对NH4-N和PO4-P去除的批次动力学系数。在所有实验条件下，初始叶绿素a含量为3.0plusmn;0.5mg lminus;1。每天监测营养物质浓度的变化并计算基质比利用率。

图1- (a) 不同初始氨氮浓度下分批培养的培养基中NH4-N浓度随时间的变化（NH4-N浓度mglminus;1为(■) 410; (□) 388; (●) 316; (○) 282; (diams;) 192; (loz;)149; (▲)129; (△) 92.8; ( ) 74.7; (times;) 59; ( ) 41.8; (hellip;hellip;) 21.2; (– – –) 13.2; (—)控制在39mglminus;1NH4-N）。

图1- (b) 不同初始PO4-P浓度下分批培养的培养基中PO4-P浓度随时间的变化（PO4-P浓度mglminus;1为(■) 199; (□) 175; (●) 149; (○) 139; (diams;) 93.5; (loz;)71.6; (▲)60.4; (△) 50; ( ) 41; (times;) 33; ( ) 21.4; (hellip;hellip;)15.4; (– – –) 7.7; (—)控制在19.4mglminus;1PO4-P）。

3.1 NH4-N和PO4-P的去除

图1a描绘了10天里分批运行的不同初始NH4-N浓度下NH4-N浓度随时间的变化。当初始浓度在13.2和21.2mg lminus;1之间时，基质中的NH4-N被完全去除。然而，初始浓度在41.8-92.8mg lminus;1时NH4-N的去除效率大约在50%，并且当NH4-N浓度高于129mg lminus;1时去除效率大大降低到24%以下。由于pH保持在7.0附近，在对比实验中没有观察到氨的明显去除。对于(PO4-P)o = 7.7mg lminus;1，磷的最终浓度在1.7mg lminus;1左右，去除效率为78%。更高的初始浓度导致大多数的去除率在30%以下（图1b）。尽管藻类对氮和磷的摄取并没有有效去除含高浓度营养物质的合成培养基中的这些营养物质，培养后的叶绿素a含量显著增加，从10.7mg lminus;1到27.3mg lminus;1，对应(NH4-N)0 = 13.2mg lminus;1到(NH4 全文共14392字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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