光合細(xì)菌-藻類共固定深度凈化污水的研究

王 冰，周集體，楊寶靈，鄧 月，烏云娜

(1.大連民族學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧大連116605;2.大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116024)

微藻能夠高效、低耗地去除造成水體富營(yíng)養(yǎng)化和其他污染的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可作為一種二級(jí)處理或深度處理污水的替代方法，即收獲藻類用于飼料，又可凈化水體，減小受納水體富營(yíng)養(yǎng)化，是一項(xiàng)新型的污水資源化生物技術(shù)［1-5］。然而藻類污水深度處理目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，距工廠化應(yīng)用還有一段距離。光合細(xì)菌處理有機(jī)污水，是近20多年新發(fā)展起來的污水生物處理技術(shù)，具有活性污泥法和厭氧消化法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。光合細(xì)菌能夠利用有機(jī)化合物進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)，也可光合自養(yǎng)生長(zhǎng)，代謝途徑多樣［6］。光合細(xì)菌的光合作用一般是在厭氧光照下，以簡(jiǎn)單有機(jī)物為供氫體，固定CO2進(jìn)行光合磷酸化和光氧化還原反應(yīng)。在好氧黑暗條件下，光合色素的合成受到抑制，通過氧化磷酸化獲取能量，另外還可通過脫氮或發(fā)酵獲得能量。光合細(xì)菌主要用于工業(yè)廢水處理，如啤酒、肉聯(lián)、味精、制藥廢水，同時(shí)得到的菌體還可開發(fā)，如作為家畜、禽的高檔飼料添加劑;人糞尿、家畜糞尿的集中處理和綜合利用;大型垃圾場(chǎng)、城鎮(zhèn)菜市場(chǎng)等地對(duì)生活垃圾的現(xiàn)場(chǎng)處理等［6-7］。

本文利用固定化光合細(xì)菌和小球藻體系，在氣升式光生物處理反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)對(duì)市政污水的深度凈化。利用固定化技術(shù)解決收獲問題，獲得藻、菌生物量(藻、菌蛋白)。實(shí)驗(yàn)研究光合細(xì)菌-小球藻共生體系在氣升式反應(yīng)器中凈化污水的能力。研究了藻-光合細(xì)菌共固定化、固定化方式對(duì)固定化光合細(xì)菌-小球藻體系脫氮、除磷及COD去除的影響。該體系既達(dá)到了脫氮、除磷、去除COD的目的，又有利于回收藻體和菌體，從生態(tài)角度來看，具有突出的現(xiàn)實(shí)意義，為污水的深度處理提供一種處理技術(shù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

藻種:小球藻(Chlorella)由遼寧師范大學(xué)藻類生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供;菌種:紫色非硫光合細(xì)菌(Rhodopseudomonas poultries)由大連理工大學(xué)環(huán)境生物工程實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 方法

1.2.1 小球藻、光合細(xì)菌培養(yǎng)

將小球藻無菌接種于含150 mL Dauta［8］培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中，在溫度(24±2)℃、光強(qiáng)2 200～2 700 lx(冷熒光)、光周期12∶12(光∶暗)下培養(yǎng)，每天用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，記錄生長(zhǎng)曲線，取靜止初期藻細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

將厭氧紫色非硫細(xì)菌15 mL接種于150 mL好氧LB液體培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中，溫度30℃、轉(zhuǎn)速150 r·min-1條件下培養(yǎng)?？梢姽?60 nm處測(cè)吸光度，繪制生長(zhǎng)曲線，取對(duì)數(shù)期光合細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 固定化

藻類固定化:藻細(xì)胞3 500 r·min-1、離心15 min收獲，用無氮、磷Dauta培養(yǎng)基再懸浮，與滅菌的4%海藻酸鈉溶液等體積混合，用6號(hào)針頭注射器滴入預(yù)冷0.1 mol·L-1CaCl2溶液，放置0.5 h，即得固定化膠球。無氮、磷培養(yǎng)基反復(fù)洗滌，放培養(yǎng)基中恢復(fù)一夜，用于去污實(shí)驗(yàn)。

光合細(xì)菌固定化:固定化方法同藻類。

共固定化藻、菌:將藻、菌膠球置于同一生物反應(yīng)器中為共固定化方式一，分別共固定。將藻、菌固定在同一個(gè)膠球中為共固定化的方式二，共固定。

1.2.3 污水的配制

以無氮、磷的Dauta培養(yǎng)基為本底，加NH4Cl、K2HPO4以及葡萄糖，配制NH4+-N質(zhì)量濃度為15.5 mg·L-1P質(zhì)量濃度為1.5 mg·L-1，COD質(zhì)量濃度為200 mg·L-1的人工污水。

1.2.4 去污反應(yīng)設(shè)計(jì)及反應(yīng)條件

400個(gè)藻膠球和菌膠球放入盛有400 mL人工污水的自制氣升式光生物反應(yīng)器中去污。自研制氣升式反應(yīng)器主體由層析柱改裝，配以曝氣系統(tǒng)(由電磁式空氣壓縮機(jī)、進(jìn)和出氣管組成)、光照系統(tǒng)(環(huán)形燈管)和流量計(jì)等部分組成。每個(gè)固定化藻膠球包埋藻細(xì)胞約228萬個(gè)，每個(gè)固定化菌膠球細(xì)菌干重為1.78 mg。去污溫度為(24±2)℃，冷熒光，光強(qiáng)為2 500～2 700 lx，光周期為12∶12。共固定化實(shí)驗(yàn)，放入膠球總數(shù)為400個(gè)。一定時(shí)間取出15 mL污水用于分析氨氮、磷酸鹽和COD。

1.2.5 指標(biāo)測(cè)定

NH4+-N測(cè)定:采用納氏試劑分光光度法測(cè)定［9］。PO34--P含量測(cè)定:采用鉬銻抗分光光度法［9］。COD 測(cè)定:采用微波快速消解法［10］。生物量測(cè)定:采用血球計(jì)數(shù)板直接計(jì)數(shù)和干重的方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 固定化菌、藻及共固定化對(duì)氮、磷及COD去除的影響

2.1.1 固定化菌、藻及共固定化對(duì)NH+4-N去除的影響(如圖1)

圖1 固定化菌、藻及共固定化對(duì)NH+4-N去除的影響

由圖1可知，菌藻共固定化對(duì)NH+4-N的去除率明顯高于單獨(dú)固定化菌、藻，4 h后去除率達(dá)80%，隨后趨于穩(wěn)定。其次為固定化藻，NH+4-N去除率低于共固定化方式，但16 h后去除率達(dá)84%。固定化菌對(duì)NH+4-N去除率最低，16 h后達(dá)50%左右。由此表明，共固定化菌藻比菌、藻單獨(dú)處理污水脫氮效率高。在共同生長(zhǎng)過程中，各自不同的生長(zhǎng)狀況和不同的生物代謝過程，包括物質(zhì)的吸收、分泌等，很可能是光合細(xì)菌與藻類互作過程及相互作用發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制。進(jìn)一步研究光合細(xì)菌與藻類生長(zhǎng)的生理生化機(jī)制和生理生態(tài)關(guān)系十分必要。

2.1.2 固定化菌、藻及共固定化對(duì)PO3-4-P去除的影響(如圖2)

圖2 固定化菌、藻及共固定化對(duì)PO3-4-P去除的影響

由圖2可知，16 h內(nèi)菌藻共固定化對(duì)PO3-4-P的去除率明顯高于固定化菌、藻單獨(dú)處理，達(dá)到85%。4 h內(nèi)藻的除磷高于菌。4～16 h內(nèi)，二者去除率均有增加，菌略高于藻10%左右，16 h去除率分別達(dá)到40%和31%。在對(duì)磷的去除上藻、菌體現(xiàn)了協(xié)同作用。

2.1.3 固定化菌、藻及共固定化對(duì)COD去除的影響(如圖3)

氮、磷是藻類生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)素，很多研究者對(duì)利用藻細(xì)胞去除污水中的氮、磷進(jìn)行了一系列研究，也取得了較好的效果。單純利用藻類來處理污水，雖然藻細(xì)胞能高效利用污水中的氮、磷以供自身生長(zhǎng)，但藻類對(duì)水體中碳源污染物的去除能力普遍較低，這樣就容易導(dǎo)致出水的COD超標(biāo)。

圖3 固定化菌、藻及共固定化對(duì)COD去除的影響

由圖3可知，共固定菌藻對(duì)COD的去除與固定化菌相當(dāng)，16 h分別達(dá)到52%和50%，說明光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)物主要起降解作用。

2.2 菌藻共固定化方式對(duì)氮、磷及COD去除的影響

2.2.1 菌藻共固定化方式對(duì)NH+4-N的去除率(如圖4)

圖4 菌、藻共固定化方式對(duì)NH+4-N的去除率

由圖4可知，兩種共固定化方式對(duì)NH+4-N的去除率在同一時(shí)間內(nèi)差異不顯著，二者均在8 h達(dá)到最大值，分別為92%和90%，之后趨于穩(wěn)定，均在90%。

2.2.2 不同菌藻共固定化方式對(duì)PO3-4-P的去除率(如圖5)

圖5 不同菌藻共固定化方式對(duì)PO3-4-P的去除率

由圖5可知，兩種共固定化方式對(duì)磷的去除率在反應(yīng)時(shí)間0～12 h內(nèi)，前者略高于后者，在12 h時(shí)去除率分別達(dá)到96%和94%。隨后兩者對(duì)磷的去除基本相同。

2.2.3 菌藻共固定化方式對(duì)COD的去除率(如圖6)

圖6 菌藻共固定化方式對(duì)COD的去除率

由圖6可知，去污2 h時(shí)，共固定化在同一膠球內(nèi)的菌藻對(duì)COD的降解已達(dá)到69%，而菌、藻分別固定化后混合在同一反應(yīng)器內(nèi)對(duì)COD的去除率為72.6%。在隨后的時(shí)間內(nèi)，二者去除率都有較大的提高，在6 h分別達(dá)到82.4%和89%，8 h接近100%。

作者在前期對(duì)小球藻去除氮、磷的研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合藻和菌在去除水體中氮、磷和COD方面各自的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套固定化藻菌污水連續(xù)化處理系統(tǒng)，同步去除污水中的氮、磷和COD。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果充分證明所設(shè)計(jì)的固定化藻菌污水處理系統(tǒng)在同步高效去除氮、磷和COD方面具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

共固定化光合細(xì)菌-藻細(xì)胞在氣升式光生物反應(yīng)器中能夠有效地進(jìn)行脫氮除磷，并去除低濃度有機(jī)物。菌藻共固定化對(duì)NH+4-N的去除率明顯高于單獨(dú)的固定化菌、藻。共固定化處理的兩種方式對(duì)脫氮、除磷和有機(jī)物去除無顯著影響。藻菌的生長(zhǎng)狀況和不同的生物代謝過程，很可能是光合細(xì)菌與藻類互作過程及相互作用發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制。有必要進(jìn)一步研究光合細(xì)菌與藻類生長(zhǎng)的生理生化機(jī)制和生理生態(tài)關(guān)系。

在未來的新型污水處理系統(tǒng)中，人們的關(guān)注點(diǎn)不應(yīng)僅局限于污染物的去除，而應(yīng)將污水處理和以污水為資源的生產(chǎn)過程相耦合，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)資源化的轉(zhuǎn)化。處理污水的同時(shí)，以污水為原料獲取“新”資源和“新”能源，為緩解當(dāng)前資源匱乏、能源緊缺提供可能的解決途徑。

［1］MARTONEZ M E，SANCHEZ S，JIMENEZ J M，et al.Nitrogen and phosphorus removal from urban wastewater by the microalga Scenedesmus obliquus［J］.Bioresource Technology，2000，73:263-272.

［2］ABE K，IMAMAKI A，HIRANO M.Removal of nitrate，nitrite，ammonium and phosphate ions from water by the aerial microalga Trentepohlia aurea.［J］.Joural of Applied Phycology，2002，14:129-134.

［3］MALLICK，N.Biotechnological potential of immobilized algae for wastewater N，P and metal removal:a review［J］.BioMetals，2002，15，377-390.

［4］AZOV Y，GOLDMAN J C.Free Ammonia Inhibition of Algal Photosynthesis in Intensive Cultures［J］.Appl.Environ.Microbiol.，1982，43(4):735-739.

［5］ARAVINDHAN R，RAGHAVA J R，NAIR B U.Application of a chemically modified green macro alga as a biosorbent for phenol removal［J］.Journal of Environmental Management，2009，90(5):1877-1883.

［6］LU H，ZHANG G，WAN T，et al.Influences of light and oxygen conditions on photosynthetic bacteria macromolecule de gradation:Different metabolic pathways［J］.Boresource Technology，2011，102(20):9503-9508.

［7］KAEWSUK J，THORASAMPAN W，THANUTTAMAVONG M，et al.Kinetic development and evaluation of membrane sequencing batch reactor(MSBR)with mixed cultures photosynthetic bacteria for dairy wastewater treatment［J］.Journal of Environmental Management，2010，91(5):1161-1168.

［8］KAYA VM，PICHARD G.The viability of Scenedesmus bicellularis cells immobilized on alginate screens following nutrient starvation in air at 100%relative humidity［J］.Biotechnol and Bioengineering，1995，46:459-464.

［9］國(guó)家環(huán)境保護(hù)局，《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.4版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［10］黃毅.微波密封消解法測(cè)定CODcr值［J］.上海環(huán)境科學(xué)，1996，15(5):32-34.