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海藻酸盐固定化小球藻去除营养物质在不同废水基质的反应

Matthew Kube, Ben Spedding, Li Gao, Linhua Fan，Felicity Roddicka

摘要：背景:固定化藻类是一种很有前途的方法，可以在短时间内(lt;12小时)处理废水，与悬浮藻类相比，固定化藻类可以简化生物量收集。本文研究了海藻酸盐包裹的小球藻对二级(添加或不添加营养物)、初级和二级泻湖城市污水的生物修复潜力。通过测定生物和非生物养分的去除，分析了该系统对这些废水的适应能力，并通过与悬浮细胞的比较进一步评估。

结果:藻类氮(N)含量(4.6 ~ 7.8% wt%)与废水铵浓度密切相关(R2 = 0.97)。藻类细胞对氮的吸收不能有效地适应废水硝酸盐浓度，因为非生物氮和磷的去除都增加了。藻类的磷含量(1.2 ~ 3.2 wt%)随废水磷浓度的变化而变化，与细胞初始磷含量呈负相关。因此当废水中铵态氮占主导地位时，藻类适应废水中氮磷水平后，按养分比例吸收。生物质产量(35-73mg L^-1 d^-1)随溶解有机碳和无机碳的增加而增加，其他废水特性的影响较小。与悬浮藻相比，固定化不影响细胞对氮、磷的吸收。

结论:去耦生物去除和非生物去除对废水中N:P有一定的适应性，对不同基质的奢侈磷吸收有显著影响，这些特性不受固定化的影响。与悬浮藻类系统相比，固定化能够提高N和P的去除率，因为每个细胞的养分吸收不受影响，而且促进了反应器内高浓度的藻类生物量。

关键词:固定化藻类;废水处理;营养恢复;生物质生产;氮;磷

Nutrient removal by alginate-immobilized Chlorella vulgaris: response to different wastewater matrices

Matthew Kube, Ben Spedding, Li Gao, Linhua Fan，Felicity Roddicka

Abstract

BACKGROUND: Immobilized algae are a promising tool to treat wastewater within a short time (lt;12 h) and simplify biomass harvesting compared with suspended algae. The potential of alginate-entrapped Chlorella vulgaris to bioremediate secondary (with and without nutrient supplementation), primary and two lagoon municipal wastewaters was investigated. The capability of the system to adapt to these wastewaters was analysed by determining biotic and abiotic nutrient removal, and further evaluated by comparison with suspended cells.

RESULTS: The algal nitrogen (N) content (4.6–7.8 wt%) was closely related to the wastewater ammonium concentration (R2 = 0.97). The algal cells did not adapt N uptake as effectively to wastewater nitrate concentration because both abiotic N and phosphorus (P) removal increased. The algal P content (1.2–3.2 wt%) varied in response to the wastewater P and was inversely related to the initial cellular P content. The algae thus adapted nutrient uptake to the wastewater N:P level and ratio when ammonium predominated. Biomass production (35–73 mg L-1 d-1) increased with dissolved organic and inorganic carbon with little impact from other wastewater characteristics. Immobilization did not affect N and P uptake per cell compared with suspended algae.

CONCLUSION: Decoupling biotic and abiotic removal showed adaptation to the N:P of the wastewater and luxury P uptake had significant impact during treatment of different wastewater matrices, these traits were not affected by immobilization. Immobilization enables increased N and P removal rates compared with suspended algal systems as nutrient uptake per cell is not affected and higher concentrations of algal biomass within the reactor are facilitated.

Keywords: immobilized algae; wastewater treatment; nutrient recovery; biomass production; nitrogen; phosphoru

介绍

从废水中去除氮(N)和磷(P)需要大量的能源和化学消耗。去除这些营养物质对于防止处置时对环境的破坏或提高处理后的废水的质量以供再利用是很重要的。这些营养物质是一种有价值的资源，所以应该以一种允许它们恢复的方式去除。这可以通过藻类在废水中生长和吸收营养物来实现，随后的藻类生物量收获为能源和营养丰富的肥料的资源回收提供了增值机会。当使用藻类处理废水时，氮和磷都可以降低到低浓度，对于澳大利亚维多利亚州的内陆水体，可以达到允许的排放标准,N和P可达浓度N lt; 10mg L^minus;1和P lt; 0.5mg L^minus;1，从而避免替代处理方案的更高能源需求、化学品使用和碳排放。

悬浮藻系统的应用受到以下限制:处理后废水中藻类难以去除，反应器中藻类浓度低，导致处理效率低，典型的水力停留时间(HRTs)为4至10天。海藻细胞的固定化海藻酸珠的包裹有助于反应器中高浓度藻类的产生和维持，使营养物质能够快速去除(HRT lt; 12 h)。在固定化基质中保留藻类细胞意味着废水的下游使用(用于排放或循环)不受藻类细胞的污染，斜生栅藻的固定化培养物泄漏量lt;0.07%。这些珠子沉降很快，或者可以通过筛分从废水中分离出来，简化了藻类的采集。这些珠子可以直接用作肥料或被消化用于生产生物甲烷。此外，珠状培养保护培养物不受废水中的有害污染物的影响，并使选择具有良好的营养去除特性或产品回收价值高的藻类品种成为可能。固定化的好处需要与固定化系统的额外成本相平衡，例如提供光照和海藻酸盐。藻类细胞的N和P含量可以通过变化来反映所处理废水的N和P浓度。 海藻氮和磷含量随培养基营养物质浓度的变化已在合成培养基中得到证实，并通过向单个废水样品中添加控制营养物质得到证实。目前尚不清楚这种特性是否有意义，也不清楚在处理不同的实际废水时，藻类能有效适应的营养浓度范围是否有限。了解藻类对氮和磷的吸收在多大程度上以及以何种方式适应废水对于设计适合每种废水的藻类系统是很重要的。此外，由于这些研究是在悬浮系统上完成的，尚不清楚藻类对氮和磷的吸收的有利适应行为是否也发生在固定藻类上。海藻酸钙珠的引入可以间接影响营养物的去除，例如钙沉淀磷酸盐 或将磷酸盐和硝酸盐附着在钙上饱和矩阵。由于固定化基质对细胞施加的物理压力以及钙-藻酸盐基质与废水营养物之间的离子相互作用可以改变细胞周围的微环境，与悬浮时相比，固定化海藻细胞处于一个独特的生长环境。因此，除了间接去除营养物质外，固定化还可能影响藻类的吸收。一些比较海藻酸盐固定与悬浮藻类的研究表明，固定对藻类生长和养分去除有增加、减少或没有影响。这些基于合成培养基的比较，可能不能很好地转化到实际废水中，我们发现，固定小球藻可以提高实际废水中铵(NH⁴ )的去除率，降低磷酸盐(PO4^3minus;)的去除率，但在处理合成培养基时没有影响。这些研究没有将营养物的间接去除和直接去除分开，这可以解释不同的观察结果，如果报道的固定效果来自藻类的变化或海藻酸珠影响非生物营养物的去除。藻类吸收和间接养分去除的量化是需要提供一个真正的指示系统如何受到固定化的影响，以及对不同废水基质的反应。在本研究中，定量研究了固定化和悬浮的普通藻对不同氮、磷含量和比例的废水的直接(生物)和间接(非生物)养分去除效果。不同废水基质的特性与养分去除、细胞养分含量和生物量产量相关，以确定它们对固定化普通曲霉菌的影响。这有助于决定在污水处理系统中最佳利用的位置，从而改进设计并将藻类系统集成到新的或现有的处理厂。这可以用来确定如何最好地利用固定化藻类的好处，并将有助于工艺可行性评估。

材料和方法

废水样品

本研究中测试的废水包括来自活性污泥厂的二级出水、来自同一处理厂的一级沉淀出水，以及来自两个不同泻湖处理厂初级泻湖出口的样品。在两个不同的时间对二级出水进行采样，并补充硝酸盐(NO₃^minus;)或NH₄ 。这可以比较不同的N:P比率和N的形式(在NO₃^minus;和NH₄ )。废水记为:

bull;SE1:活性污泥厂，二级出水。

bull;SE2:不同日期的二次出水。

bull;SE1 NO3, SE1 NH4, SE2 NO3, SE2 NH4:任一NO₃^minus;或NH₄ 添加到各自的样品。

bull;Lag A: ：来自两个曝气初级泻湖中。

bull;Lag B:从主泻湖出口(未曝气)。

bull;PE:一级沉淀出水。

废水样品经过高压灭菌(121°C)，以破坏现有的藻类细胞，并补充溶解的营养物质(K₂HPO₄, NaNO₃, NH₄Cl, NaHCO₃)，以弥补灭菌过程中的损失，并满足每次运行所需的营养水平。废水用Tris (0.5 g Lminus;1)缓冲，用盐酸(HCl)调整pH为7.4(plusmn;0.3)。 废水中养分的初始浓度见表1。

表1 用于8天处理运行的每个废水的初始养分浓度(平均值plusmn;1个标准差(mg L^minus;1))