光強(qiáng)對(duì)柵藻凈化市政污水水質(zhì)的影響研究*

周曉琴，蘇 翔，毛雪梅，左輕揚(yáng)，安雅敏

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶400067)

微藻是大自然中廣泛存在的自養(yǎng)型微生物，種類(lèi)繁多且繁殖迅速，在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠利用N、P，并且對(duì)重金屬也有一定的去除效果，對(duì)Zn、Hg、Cd等富集可達(dá)幾千倍，吸附作用強(qiáng)而凈化速率高［1］。藻類(lèi)在生長(zhǎng)過(guò)程中，以CO2和碳酸鹽作為碳源，以水體中的氮素作為氮源，同時(shí)能夠以多種無(wú)機(jī)磷酸鹽作為磷源，通過(guò)藻類(lèi)細(xì)胞中葉綠素進(jìn)行光能自養(yǎng)，完成細(xì)胞增殖并釋放出氧［2］。20世紀(jì)50年代，美國(guó)的Oswald和Gotaas最早提出利用藻類(lèi)來(lái)凈化污水［3］。20世紀(jì)80年代，生物技術(shù)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用藻類(lèi)來(lái)凈化污水的研究也越來(lái)越多，取得了較大進(jìn)展［4-9］。在污水深度處理與生物柴油生產(chǎn)耦合系統(tǒng)中，藻種的篩選與馴化是實(shí)現(xiàn)該工藝的前提和重點(diǎn)。針對(duì)耦合目的，藻種篩選原則應(yīng)為:在生活污水條件下生長(zhǎng)速率快、氮磷去除效率高、生物質(zhì)產(chǎn)量高及單位藻細(xì)胞生物量的油脂產(chǎn)量高［10］。

光照是影響微藻生長(zhǎng)的最重要的環(huán)境因子之一。光照對(duì)微藻的生長(zhǎng)、繁殖、藻體顏色、細(xì)胞形態(tài)及胞外多糖積聚都有重要影響。不同的微藻都有最適于其生長(zhǎng)的最佳光照環(huán)境。在微藻培養(yǎng)中，研究光照的作用，應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓庹占夹g(shù)加快培養(yǎng)對(duì)象的生長(zhǎng)繁殖，調(diào)節(jié)其營(yíng)養(yǎng)成分，是提高油脂產(chǎn)量和生物量的重要途徑。

綜觀國(guó)內(nèi)外這方面的報(bào)道，目前研究尚處于個(gè)體情況的資料積累階段。其中，光強(qiáng)和光周期的調(diào)節(jié)容易實(shí)現(xiàn)，相關(guān)研究較多。實(shí)驗(yàn)以油脂含量較高的柵藻為實(shí)驗(yàn)藻種，用當(dāng)?shù)爻鞘猩钗鬯鳛榕囵B(yǎng)基，考察了柵藻在不同光照強(qiáng)度和不同污水濃度下的生長(zhǎng)情況、藻細(xì)胞油脂的積累情況以及對(duì)TN、TP的去除率，研究了光強(qiáng)對(duì)柵藻的影響，以期為柵藻凈化水質(zhì)以及提取油脂的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支撐。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用水和水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水采自重慶市茶園新區(qū)污水處理廠，每次采樣均采用格柵出水，具體實(shí)驗(yàn)水質(zhì)可能略有浮動(dòng)。

表1 實(shí)驗(yàn)用水(污水)水質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)藻種

通過(guò)對(duì)污水凈化和產(chǎn)油藻種的相關(guān)文獻(xiàn)分析，選取柵藻(Scenedesmus sp.)為實(shí)驗(yàn)藻種，編號(hào)為FACHB-1229。實(shí)驗(yàn)所用藻種購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院野生生物種質(zhì)庫(kù)——淡水藻種庫(kù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 培養(yǎng)方法

因購(gòu)買(mǎi)的藻種體積不足以完成實(shí)驗(yàn)，需要在無(wú)菌條件對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)接并擴(kuò)大培養(yǎng)。采用人工氣候箱進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25±1℃，光照條件2 000 Lux，12 Hr晝/12 Hr夜，培養(yǎng)期間每天定時(shí)搖動(dòng)3次，使得藻分布均勻。藻類(lèi)在污水中生長(zhǎng)時(shí)條件相同。

1.3.2 藻類(lèi)生物量的測(cè)定

藻細(xì)胞干重的測(cè)定:取50 mL燒杯在105℃烘箱干燥24 h后，稱(chēng)重記為m1，取一定體積藻液加入到離心管中，在8 000 r下離心15 min后棄去上清液，將濃縮藻液轉(zhuǎn)移到已經(jīng)稱(chēng)重的干燥燒杯中，在放入105℃烘箱干燥 24 h 后，稱(chēng)重記為 m2，計(jì)算藻細(xì)胞干重 m2－ m1［11］。

藻密度測(cè)定:將藻種接種于液體培養(yǎng)基中，每天定時(shí)取樣，在放大倍數(shù)為10×40的顯微鏡下觀察藻類(lèi)形態(tài)并計(jì)算藻細(xì)胞數(shù)量。血球計(jì)數(shù)板計(jì)算公式:細(xì)胞數(shù)/mL=80小格內(nèi)藻細(xì)胞個(gè)數(shù)/80×400×104×稀釋倍數(shù)。

1.3.3 水質(zhì)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用不同于培養(yǎng)條件的光強(qiáng)(2 000 lux)，考察了藻類(lèi)在弱光照1 000 lux和較強(qiáng)光照3 000 lux下的生長(zhǎng)情況，并設(shè)了兩組平行樣，分析其藻密度以及對(duì)污水TN、TP的降解效率。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定TN，TP各指標(biāo)均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)［12］的國(guó)標(biāo)方法。TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP用過(guò)硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果和分析

2.1 光照強(qiáng)度對(duì)柵藻生長(zhǎng)的影響

將培養(yǎng)處在對(duì)數(shù)期的柵藻分別接種至污水中，在人工氣候箱中培養(yǎng)，采用不同光強(qiáng)，考察了藻類(lèi)在弱光照1 000 lux和較強(qiáng)光照3 000 lux下的生長(zhǎng)情況，并設(shè)了兩組平行樣，分析其藻密度以及對(duì)污水TN、TP的降解效率。

圖1 藻密度對(duì)比

由圖1可知，柵藻在3 000 lux光照強(qiáng)度下藻的活性最高，且生長(zhǎng)最好，藻密度達(dá)到268×105個(gè)/mL，柵藻在1 000 lux的條件下，藻密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3 000 lux下培養(yǎng)的藻密度約為49×105個(gè)/mL，污水中也存在相同的情況，即光照強(qiáng)度較大的時(shí)候藻類(lèi)長(zhǎng)勢(shì)較好，在培養(yǎng)后期由于藻密度不斷增大，光照強(qiáng)度低的條件下，相對(duì)每個(gè)藻細(xì)胞得到的光照就小，在陽(yáng)光水平低或高濃度的生物量細(xì)胞相互的陰影作用下會(huì)導(dǎo)致負(fù)的光合作用率(呼吸作用)的暗區(qū)內(nèi)部的作用形成。這將導(dǎo)致整體的光合效率降低和生物生產(chǎn)力下降［13］。但實(shí)驗(yàn)選取的光照強(qiáng)度只有2組，因此沒(méi)有考察極強(qiáng)光強(qiáng)下柵藻的生長(zhǎng)情況。

對(duì)于光強(qiáng)的作用規(guī)律，一般表現(xiàn)為各種藻類(lèi)都存在某個(gè)最適合生長(zhǎng)的光強(qiáng)范圍，此范圍之內(nèi)的光強(qiáng)照射能夠推動(dòng)較高的生長(zhǎng)速率，此范圍之外的光強(qiáng)照射將導(dǎo)致生長(zhǎng)速率的下降。

2.2 不同光強(qiáng)下柵藻對(duì)TN、TP的降解

柵藻在光照強(qiáng)度為3 000 lux的條件下，細(xì)胞活性明顯大于1 000 lux強(qiáng)度下，由圖2、圖3可看出，柵藻在13 d左右進(jìn)入穩(wěn)定期，之前降解TN和TP的速率非常高，進(jìn)入穩(wěn)定器之后，由于細(xì)胞生長(zhǎng)較之前緩慢，因此降解速率也隨之降低，其中最終柵藻可以將污水中的TP降低到檢測(cè)線一下。原污水組在1 000 lux和3 000 lux的條件下，培養(yǎng)的前面幾天內(nèi)對(duì)TN和TP的降解均沒(méi)有柵藻組好，在后期約第8 d時(shí)，由于污水中生長(zhǎng)了較多的混合藻類(lèi)，因此降解效果也相應(yīng)得到提升。

圖2 不同光強(qiáng)下柵藻對(duì)TN的降解

圖3 不同光強(qiáng)下柵藻對(duì)TP的降解

總之，較強(qiáng)的光照強(qiáng)度有利于藻細(xì)胞的生長(zhǎng)以及對(duì)污染物質(zhì)的降解。具體的去除效率見(jiàn)圖4、圖5。

不同光強(qiáng)下，柵藻對(duì)TN的去除效率對(duì)比見(jiàn)圖4，柵藻1 000 lux和柵藻3 000 lux條件下TN去除率分別為90%和94%，污水1 000 lux和污水3 000 lux條件培養(yǎng)下，后期由于長(zhǎng)出了較多的藻類(lèi)，對(duì)TN的去除效率分別為71%和85%。綜合對(duì)比可知，柵藻對(duì)凈化水質(zhì)有著巨大的作用，且對(duì)污染物的去除速率很快，污水中長(zhǎng)出的藻類(lèi)也多為綠藻中的柵藻，柵藻在較強(qiáng)光照強(qiáng)度下各方面都比弱光照下有優(yōu)勢(shì)，因此可以認(rèn)為較強(qiáng)光強(qiáng)能夠促進(jìn)柵藻的生長(zhǎng)，并提高降解TN的速率和效果。

由圖5可知不同光強(qiáng)下，柵藻對(duì)TP的去除效率情況基本與TN的趨勢(shì)一致，柵藻1 000 lux和柵藻3 000 lux條件下TN去除率分別為98%和99%，污水1 000 lux和污水3 000 lux條件培養(yǎng)下，后期由于長(zhǎng)出了較多的藻類(lèi)，對(duì)TN的去除效率分別為67%和94%。柵藻對(duì)TP的凈化能力較強(qiáng)，且對(duì)TP的去除速率很快，除了1 000 lux污水效果不好以外，其他3組都能夠很快的降解TP。同理一定范圍內(nèi)的強(qiáng)光照能夠促進(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)并提高對(duì)水質(zhì)中TP的凈化效率。

圖4 不同光強(qiáng)下TN的去除效率

圖5 不同光強(qiáng)下TP的去除效率

3 結(jié)論

(1)在不同光照強(qiáng)度下，柵藻的藻密度在3 000 lux條件下要高于1 000 lux，其中柵藻在3 000 lux下培養(yǎng)時(shí)最大藻密度為268×105個(gè)/mL，明顯高于其他三組，但在后期藻類(lèi)的生長(zhǎng)速率變慢，可能是因?yàn)殡S著藻生物量的增大而產(chǎn)生了相互間的隱蔽作用，從而降低了有效光強(qiáng)。

(2)不同光強(qiáng)下，柵藻在光照為1 000 lux和3 000 lux條件下TN去除率分別為90%和94%，污水1 000 lux和污水3 000 lux條件培養(yǎng)下，后期由于長(zhǎng)出了較多的藻類(lèi)，對(duì)TN的去除效率分別為71%和85%。

(3)柵藻對(duì)TP的去除效率情況基本與TN的趨勢(shì)一致，柵藻1 000 lux和柵藻3 000 lux條件下TP去除率分別為98%和99%，高于相應(yīng)污水組的67%和94%。

(4)從對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的對(duì)比結(jié)果可知，柵藻能夠有效的凈化污水中TN、TP等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且在當(dāng)?shù)厥姓鬯猩L(zhǎng)良好，可進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用柵藻來(lái)處理城市生活污水。

(5)由于藻類(lèi)的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物的吸收不僅受到可用性營(yíng)養(yǎng)物和藻種的影響，而且還依靠諸多環(huán)境因素，如pH、光照、溫度等，未來(lái)的工作重點(diǎn)仍然是藻種的篩選，尋求培養(yǎng)條件的優(yōu)化，從而更好的利用藻類(lèi)來(lái)造福環(huán)境。

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