菌藻混合固定化及其對污水的凈化實驗

嚴 清,孫連鵬

(1.重慶師范大學生命科學學院,重慶 400047;2.中山大學環(huán)境科學與工程學院,廣東廣州 510275)

菌藻混合固定化及其對污水的凈化實驗

嚴 清1,孫連鵬2

(1.重慶師范大學生命科學學院,重慶 400047;2.中山大學環(huán)境科學與工程學院,廣東廣州 510275)

對菌藻共固定化系統(tǒng)進行研究,初步確定菌藻共固定化中較佳的污泥包埋量。在同等條件下,固定化菌藻對氮磷的去除效果優(yōu)于固定化細菌和固定化藻類的去除效果。對氨氮和磷酸鹽磷去除能力的48h實驗結果表明,按去除率的大小排列為:固定化菌藻＞固定化小球藻＞固定化細菌,固定化菌藻對NH4+-N和P-P的去除率分別達到97.09%和88.69%,可見把細菌和藻類共同包埋于同一載體內,在同時去除污水中的氮磷和有機物方面有著更大的優(yōu)勢。

共固定化;固定化菌藻;污水凈化;水處理

如何運用生物學方法經濟有效地去除水體中的氮磷,是目前國內外水資源控制研究領域的一個熱點[1-2]。在水體自凈過程中微藻起著很重要的作用這一點已達成共識[3-5],已作為一種二級處理或是深度處理污水的替代方法用于污水處理[6-8],在凈化污水的過程中,藻類和細菌形成復雜的共生系統(tǒng)促進了污水的凈化[9-10]。然而將藻類應用于污水處理領域中面臨的一個問題是,大量增加的藻類固體直接排入水體后使水體濁度升高,造成水體二次污染的潛在威脅。

為進一步提高菌藻系統(tǒng)對污水中氮磷營養(yǎng)鹽的凈化效果,解決傳統(tǒng)的懸浮藻類系統(tǒng)(如穩(wěn)定塘)在具體應用中藻水分離困難、穩(wěn)定性差、菌藻結合不緊密以及易于流失、不易回收的問題,國外一些研究者對包埋固定化菌藻技術處理污水進行了研究與報道,但沒有系統(tǒng)的理論研究,大多數(shù)研究者只是研究單一或是幾種菌種與藻種包埋共固定化對污水中氮磷營養(yǎng)鹽的去除效果以及菌藻細胞的生長變化[3-5,11-14]。在國內固定化藻菌技術處理污水還剛剛起步,報道還比較少。

筆者以廣州市獵德污水處理廠沉沙池出水為原水,采用固定化微生物技術,利用載體(海藻酸鈉凝膠)通過物理或化學方法將具有復雜菌種系統(tǒng)的活性污泥與小球藻細胞固定形成共固定化體系,對菌藻共固定化系統(tǒng)凈化污水和系統(tǒng)中活性污泥最佳包埋量進行了研究。

1 材料與方法

1.1 主要材料

試劑:海藻酸鈉,化學純,溫州助劑廠生產;其余試劑為市售分析純或優(yōu)級純。

實驗藻種:由中國科學院武漢水生生物研究所提供,藻種為普通小球藻(Chlorella vugarius)。

實際污水:取自廣州市獵德污水處理廠沉沙池出水,原水的水質指標為:ρ(N-N)=15～30mg/L;ρ(COD)為 200mg/L 左右 ;ρ(P-P)=1～3mg/L。使用前沉淀過濾。

活性污泥:取自廣州市獵德污水處理廠曝氣池的新鮮活性污泥,置于離心管中靜置40min,在3000 rpm下離心10min后,棄去上清液,再用無菌蒸餾水沖洗沉淀物,離心兩次,濃縮備用。

儀器:紫外/可見分光光度計,UV 751GD型,上海精密科學儀器有限公司生產;高壓滅菌鍋,CL-32L型,日本Tokyo ALP公司生產;磁力加熱攪拌器,79-1型,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司生產。

1.2 研究方法

藻類培養(yǎng):在無菌條件下用移液槍接種一定量的藻種,培養(yǎng)基接種密度為1×106個/mL,置于含150mL培養(yǎng)基的250mL三角瓶中,混勻,在溫度25±1℃,光強2000～4000lx,連續(xù)光照條件下培養(yǎng),每天定時搖動2次。

固定化方法:稱取一定量的海藻酸鈉加水加熱,配制成5%的海藻酸鈉溶液,滅菌然后冷卻到室溫。將上述培養(yǎng)后的藻液離心濃縮(3000 r/min,10min)經無菌蒸餾水洗滌、離心,洗滌2次,使吸附在藻細胞表面的氮磷脫落,再根據(jù)需要的藻種濃度懸浮在無氮磷的培養(yǎng)基中,用血球板計數(shù)微生物的濃度。

藻種細胞懸浮溶液(或活性污泥)與海藻酸鈉溶液以1∶2的體積比混合,藻類細胞濃縮液、新鮮活性污泥的濃縮液與褐藻酸鈉溶液以1∶1∶2的體積比均勻混合,在磁力攪拌器上攪拌使菌體均勻,形成一定濃度的海藻酸鈉與藻體的混合液。用25mL的酸式滴定管將含藻細胞的黏狀混合液滴入到3%的無菌CaCl2溶液中,磁力攪拌器攪拌一定時間(1或2h),再在CaCl2溶液中交聯(lián)一定時間后用蒸餾水沖洗,并在蒸餾水中脫鹽1 h,最終得到一定直徑的小球藻、活性污泥、菌藻固定化小球。

理化檢驗法[15]:氨氮(N-N),納氏試劑分光光度法;磷酸鹽(PP),鉬銻抗分光光度法。

2 結果與討論

2.1 最佳污泥量的確定

按照實驗要求(表1)制成菌藻共固定化小球。

把菌藻固定化膠球投入實際污水中(每個實驗進行3次重復)。水樣中氨氮質量濃度為18.92mg/L,水樣中正磷酸磷的質量濃度1.41mg/L。48h的NN、P-P的去除效果見圖1。

圖1 48h去除效果

從圖1中可以看出,實驗2、實驗4對污水具有較好的脫氮除磷效果,又由于在實驗過程中第4天起發(fā)現(xiàn)實驗3,4,5號有不同程度的細胞泄漏和膠球溶解的問題,因此選擇實驗2號的污泥包埋量為最佳污泥包埋量。

表1 最佳污泥包埋量的確定

2.2 單藻、單菌、菌藻共固定化系統(tǒng)脫氮除磷效果

將固定化藻、固定化污泥及混合固定化藻菌膠球置于裝有實際污水的錐形瓶中,把錐形瓶放于振蕩器(磁力攪拌器)上,使固定化膠球懸浮,定期從錐形瓶中取出一定數(shù)量的膠球,測定一定體積污水中的N-N和P-P質量濃度。始終保持膠球與污水的比例不變。

2.2.1 固定化菌藻對氮磷的去除

200mL污水中20mL固定化菌藻膠球在光照度2500Lx,25℃條件下靜態(tài)實驗的結果見圖2。實驗結果顯示,固定化菌藻對氨氮的去除率在24h和48h時分別達到了51.80%和97.09%。對正磷酸鹽的去除率在24h和48h時分別達到了58.67%和88.69%,說明菌藻共生系統(tǒng)有較高的脫氮除磷效率。

圖2 固定化菌藻對氮、磷的去除效果

2.2.2 共固定化菌藻、單固定化藻類和單固定化活性污泥的對比實驗

分別用褐藻膠固定化菌藻、單固定化小球藻和單固定化活性污泥同等膠球數(shù)量同步實驗,實驗結果見圖3。

圖3 單藻、單菌、菌藻共固定化系統(tǒng)對氮磷的去除效果

圖3(a)(b)分別為單固定化小球藻、單固定化活性污泥和固定化菌藻對N、P的去除實驗結果。從圖中可以看出,單固定化藻對N、P的48h去除率分別是48.32%和72.96%,單固定化活性污泥對N和P的去除率分別是40.92%和1.49%,而固定化菌藻對N和P的去除率分別是97.09%和88.69%,是3種固定細胞中去除氮磷效果最好的。

經過48h實驗后,各系統(tǒng)中總氮質量濃度分別是:共固定化菌藻為3.30mg/L;單固定化藻為14.04 mg/L;單固定化污泥為12.82mg/L。

從圖4可以看出,在污水處理過程中,氨氮濃度的減少并沒有導致硝態(tài)氮的增加,從實驗開始到結束,在所有系統(tǒng)中(N+N-N)的質量濃度都沒有超過0.14mg/L。

圖4 各系統(tǒng)中(N+N)-N的變化

從以上實驗可以看出,在最佳污泥包埋量的條件下,固定化菌藻系統(tǒng)、固定化小球藻系統(tǒng)、固定化細菌系統(tǒng)48h對氮磷的吸收,按去除率大小排列為:固定化菌藻＞單固定化小球藻＞單固定化污泥。在固定化菌藻中,藻類和細菌同時吸收或轉化了氮磷,使得氮磷濃度下降;對磷的去除能力,固定化菌藻與單固定化小球藻相差不大,以單固定化污泥的除磷能力最差。這說明藻類對正磷酸鹽的去除優(yōu)于一般曝氣池活性污泥中的菌類,固定化藻類在除磷方面有很大的潛力。固定化菌藻膠球中的小球藻在生長過程中利用光能以及CO2進行光合作用,產生的大量氧氣為菌類所用,細菌新陳代謝產生CO2則提供給藻類,大大提高了細菌和藻類的活性[16-18]。菌藻同時吸收同化污水中的氮磷,從而起到很好的脫氮除磷的作用,同時光照強度、溫度、廢水濃度、pH值等外部因素等也會影響到污水中氮磷的去除效果[19-21]。

圖4顯示,在污水處理過程中,氨氮濃度的減少并沒有引起硝態(tài)氮的增加,因此可以推斷系統(tǒng)中氨氮濃度的降低并不是物質形態(tài)之間的轉化,國外曾有研究報道[22,11];在含有藻的固定化系統(tǒng)中,硝化作用受到限制,實驗過程中產生的硝態(tài)氮也有可能是被藻吸收利用了。48 h的實驗表明,各系統(tǒng)中對氮的吸收,按去除率的大小排列為:固定化菌藻＞固定化小球藻＞固定化污泥。

從本研究結果可以看出,把細菌和藻類共同包埋于同一載體內在同時去除污水中的氮磷方面有著更大優(yōu)勢,菌藻共生是值得研究的一個方向,在污水處理中具有很大的潛力。但實驗也同時發(fā)現(xiàn),采用褐藻膠固定菌藻膠球比固定化純藻細胞更易開裂,目前需要克服膠球在短期內容易開裂的問題,固定化方法有待于進一步深入研究。

另外,菌藻之間的數(shù)量配比不應忽視,應與生物群落組成一樣,看成是一個生態(tài)系統(tǒng)結構內容的組成部分,它們之間的初始數(shù)量比的變化及其代謝功能的關系,應該作為評價菌藻生態(tài)功能狀況的一個重要的參數(shù),而目前對于菌藻共生體系的機理很少有研究,因此應重視這一方面的研究。

3 結 論

a.菌藻固定化系統(tǒng)中污泥的最佳包埋量比(體積比)為褐藻膠∶藻∶污泥=2∶0.5∶0.5,其中海藻酸鈉溶液體積分數(shù)為5%,藻密度為4×107個/mL,活性污泥為新鮮活性污泥靜置40min后離心去掉原體積1/3水的濃縮液。

b.通過菌藻共固定化中最佳污泥包埋量的初步確定,在同等條件下,進行了固定化菌藻、固定化藻類和固定化活性污泥的對比實驗,固定化菌藻對氮磷的去除效果優(yōu)于固定化污泥和固定化藻類。實驗48h對氨氮的去除能力,按去除率大小排列為:固定化污泥＞固定化小球藻＞固定化細菌;對磷的去除能力,按去除率大小排列為:固定化菌藻＞固定化小球藻＞固定化污泥。

[1]盧升良.滇池的污染及其控制對策[J].重慶環(huán)境科學,1997,19(3):2-4.

[2]毛彥景.藻類固定化技術在污水處理中的應用[J].四川環(huán)境,2008,27(5):99-102.

[3]CRAGGS R J,MCAULEY P J,SMITH V J.Wastewater nutrient removal by marine microalgae grown on a corrugated raceway[J].Wat Res,1997,31(7):1701-1707.

[4]ZHOU J L,HUANG P L,LIN R G.Sorption and desorption of Cu and Cd by macroalgae and microalgae[J].Environmental Pollution,1998,101:67-75.

[5]SAGLAM A.Biosorption for mercury by carboxymethylcellulose and immobilized phanerochaete chrysosporium[J].Microchemical Journal,2002,71:73-81.

[6]CARAGGS R J,DAVIES-COLLEV R J,TANNER C C,et al.Advanced pond system:performance with high rate ponds of different depths and areas[J].Wat Sci Tech,2003,48(2):259-267.

[7]CARAGGS R J.Phosphorus removal from wastewater algal turf scrubber[J].Wat Sci Tech,1996,33(7):191-198.

[8]STEEN P,BRENNER A,SHABTAI Y,et al.Improved fecal coliform decay in integrated duckweed and algal ponds[J].Wat Sci Tech,2000,42(10-11):363-370.

[9]邢麗貞,張向陽,張波,等.藻菌固定化去除污水中氮磷營養(yǎng)物質的初步研究[J].環(huán)境科學與技術,2006,29(1):33-35.

[10]黃國蘭,孫紅文,宋志慧,等.固定化藻類的生理特征和對染料的脫色能力研究[J].環(huán)境科學學報,2000,20(4):445-449.

[11]LUZ E,JUAN-PABLO H,TAYLOR M,et al.Microalgae growth-promoting bacteria as“helpers” for microalgae:a novel approach forremoving ammonium and phosphorusfrom municipal wastewater[J].Wat Res,2004,38:466-474.

[12]LUZ E,HANI A,YOAV B.Cultivation factors and population size control the uptake of nitrgen by the microalgae chlorella vulgaris when interacting with the microalgea growth-promoting bacterium azospirillum brasilense[J].FEMS Microbiology Ecology,2005,54:197-203.

[13]MALLICK N,RAI L C.Influence of culture density,pH,organic acids and divalent cations on the removal of nutrients and metals by immobilized anabaena doliolum and chlorella vulgaris[J].World Journal of Microbiology and Biotechnololgy,1993,9:196-201.

[14]VILCHEZ C,GARBAYO I,MARCKVICHEVA E,et al.Studies on the suitability of alginate-entrapped chlamydomonas reinhardtii cells for sustaining nitrate consumption processes[J].Bioresour Technol,2001,78:55-61.

[15]國家環(huán)保總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2002:243-284.

[16]HUANG G,SUN H,CONG L.Study on the physiology and degradation of dye with immobilized algae[J].Artificial Cells,Blood Subs and Immobilization Biotechnology,2000,28(4):347-363.

[17]PIERRE C,JOEL N.Behavior of algae and bacteria coimmobolized in carrageenan,in a fluidized bed[J].Enzyme andMicrobial Technology,1988,10:19-23.

[18]WONG Y,NORA F Y.Wastewater treatment with algae[M].TX,USA:Springer-Verlag BerlinHeidelberg and Lands Bioscience Georgetown,1998:204-205.

[19]MCLEAN B M,BASKARAN K,CONNOR M A.The use of algal-bacterialbiofilms toenhance nitrification ratesin lagoons:experience under laboratory and pilot-scale conditions[J].Wat Sci Tech,2000,42(10-11):187-194.

[20]王秀,張小平.固定化菌藻小球流化床光生物反應處理高濃度有機廢水研究[J].凈水技術,2009,28(1):54-57.

[21]潘輝,熊振湖,金勇威.光照對固定化菌藻反應器脫氮除磷效率的影響[J].水資源保護,2006,22(5):63-67.

[22]LUZ E,MANUEL M,JUAN-PABLO H,et al.Removal of ammonium and phosphorus ions from synthetic wastewater by the microalgae chlorella vulgaris coimmobilized in alginate beadswith the microalgae growth-promoting bacterium azospirillum brasilense[J].Wat Res,2002,36:2941-2948.

Purification of wastewater by co-immobilized bacteria-algae system

YAN Qing1,SUN Lian-peng2
(1.College of Life Sciences,Chongqing Normal University,Chongqing400047,China;2.College of Environmental Science and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou510275,China)

Through the investigation of activated sludge in the co-immobilized bacteria-algae system,the optimal quantity of buried sludge in co-immobilized bacteria and algae was tentatively determined.Under the same conditions,more N-N and P-P were removed by the co-immobilization of bacteria and algae than by using immobilized bacteria or immobilized algae alone.The resultsof a 48-hour experiment of removing NN andP-P showed that the ranking of the removal rate was co-immobilized bacteria-algae system＞immobilized chlorella＞immobilized bacteria,and the removal rates of N-N and P-P by co-immobilized bacteria-algae reached 97.09%and 88.69%,respectively.It is proposed that co-immobilizationof a microalgae with bacteria isa superior tool for removing nitrogen,phosphorous,and organic matter in wastewater.

co-immobilization;co-immobilized bacteria-algae system;purification of wastewater;wastewater treatment

X703

B

1004-6933(2010)03-0057-04

廣東省環(huán)境污染控制與修復技術重點實驗開放研究基金(2006K001)

嚴清(1982—),女,湖南婁底人,碩士研究生,研究方向為水污染控制工程。E-mail:yanqing09090930@sohu.com

2009-06-04 編輯:高渭文)