藻菌共生體系對(duì)鎮(zhèn)江市金山湖湖水的異位修復(fù)模擬研究

劉學(xué)卿，鄭 佩，陳芳艷，盛建國(guó)，成小鋒，唐玉斌

(1.鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇鎮(zhèn)江212004)(2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054)(3.江蘇科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212018)(4.鎮(zhèn)江市水利投資公司，江蘇鎮(zhèn)江212013)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是指大量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖泊水體，致使水體中藻類及其他水生生物異常繁殖、水體透明度降低、溶解氧含量下降、自凈能力減弱、水質(zhì)惡化的現(xiàn)象［1］.富營(yíng)養(yǎng)化帶來的直接環(huán)境影響是湖泊生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞使得水質(zhì)惡化，而水質(zhì)惡化會(huì)對(duì)人類健康造成潛在威脅并帶來直接或間接經(jīng)濟(jì)損失［2］.

目前，我國(guó)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊面積達(dá)5000km2，據(jù)《20l1年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》公布，輕度和中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫(kù))占53.8%，重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖庫(kù)占46.2%［7］.根據(jù)目前湖泊水體污染速度，預(yù)計(jì)到2015年，我國(guó)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊面積將達(dá) 6700km2［3］.

金山湖位于江蘇省鎮(zhèn)江市西北部，緊鄰金山寺，是集防洪、休憩、旅游及水環(huán)境改善等功能于一體的城市湖泊，水面面積約為1.08 km2.隨著2009年控源截污工程以及內(nèi)江清淤工程的完工，湖水水質(zhì)一度得到改善，被列為鎮(zhèn)江市應(yīng)急水源地.但受各種面源、點(diǎn)源污染的影響，金山湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，已接近重度富營(yíng)養(yǎng)化水平.如何有效地去除金山湖水體中的氮、磷和有機(jī)質(zhì)，降低富營(yíng)養(yǎng)化程度，已成為鎮(zhèn)江市人民急需解決的任務(wù)［4］.

治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化就是要解決水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量過高的問題，通常采取外源污染控制和內(nèi)源污染控制相結(jié)合的方法解決.消除內(nèi)源污染的措施主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，其中生物方法具有成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)，已日益受到重視［5］.在生物方法中，人們更傾向于采用藻菌共生系統(tǒng)去除湖水中的氮和磷.在光照條件下，藻類通過光合作用利用CO2和N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，合成自身細(xì)胞物質(zhì)并放出O2，同時(shí)減少曝氣量，節(jié)省能源［6］.好氧細(xì)菌則利用 O2對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生CO2和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以維持藻類的生長(zhǎng)繁殖，減輕溫室氣體的排放［7，8］，如此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)湖水的生物凈化.

文中采用菌藻共生系統(tǒng)對(duì)鎮(zhèn)江市金山湖湖水進(jìn)行異位修復(fù)模擬研究，旨在為金山湖富營(yíng)養(yǎng)化湖水的生物修復(fù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 主要材料

1.1.1 試劑

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn).

1.1.2 實(shí)驗(yàn)藻種與活性污泥

由于活性污泥中含有多種脫氮除磷細(xì)菌群，因此試驗(yàn)所用細(xì)菌用活性污泥代替.活性污泥取自鎮(zhèn)江市京口區(qū)污水處理廠曝氣池，置離心管中靜置30 min，在3000r/m下離心10min后，棄去上清液，再用無菌水沖洗沉淀，離心兩次，濃縮備用.

實(shí)驗(yàn)用普通小球藻、柵藻、銅綠微囊藻、聚球藻均購(gòu)自中科院武漢水生生物研究所藻種庫(kù)，藻種經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期備用.

1.1.3 培養(yǎng)溶液

用蒸餾水配制培養(yǎng)基.配方如下:檸檬酸，0.006 g/L;檸 檬 酸 鐵 銨，0.006 g/L;NaNO3，1.5g/L;K2HPO4·3H2O，0.04 g/L;MgSO4·7H2O，0.075 g/L;CaCl2·2H2O，0.036g/L;EDTA，0.001g/L;Na2CO3，0.02 g/L;H3BO3，2.86 mg/L;MnCl2·H2O，1.81 mg/L;ZnSO4·7H2O，0.222 mg/L;CuSO4·5H2O，0.079 mg/L;Na2MoO4·2H2O，0.390 mg/L;Co(NO3)2·6H2O，0.049mg/L.1.1.4 模擬湖水

為避免實(shí)際湖水中眾多不確定因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，本實(shí)驗(yàn)在不含氮磷的BG11培養(yǎng)基基礎(chǔ)上，另加NH4Cl，K2HPO4和葡萄糖配制與實(shí)際湖水指標(biāo)相近的模擬湖水進(jìn)行實(shí)驗(yàn).其主要指標(biāo)為COD 35 mg/L，TN 2.35 mg/L，TP 0.35 mg/L 及其他微量元素，pH值控制在7.5左右.文中如未特殊說明，實(shí)驗(yàn)用水均為模擬湖水.

1.1.5 主要儀器

紫外/可見分光光度計(jì)，UV754N型(上海精密科學(xué)儀器有限公司);立式壓力蒸汽滅菌器(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);HBA-100標(biāo)準(zhǔn)COD消解器(江蘇江環(huán)分析儀器有限公司);光照培養(yǎng)箱(上海一恒科技有限公司);25mm×16 mm規(guī)格血球計(jì)數(shù)板;光學(xué)顯微鏡.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 藻類的培養(yǎng)

所有器皿均經(jīng)高壓蒸汽滅菌后使用，實(shí)驗(yàn)操作均在超凈工作臺(tái)上進(jìn)行.用移液槍將一定量的藻種接種于含100mL無菌培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值至7.0左右，搖晃均勻，在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為白天25℃，晚間23℃，光照強(qiáng)度約為3000lx，光暗比為12h∶12h.

1.2.2 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法

文中主要測(cè)定TN，TP，COD和藻密度等指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)值按每次3組平行樣測(cè)定，將藻液離心10min(4000r/min，4 ℃)，用0.45μm 濾膜過濾上清液，測(cè)定方法如下:

總氮的測(cè)定，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法GB11894-89;

總磷的測(cè)定，鉬銻抗分光光度法(GB11893-87);

COD的測(cè)定:采用重鉻酸鉀法(GB11914-87);

藻密度的測(cè)定:采用血球板計(jì)數(shù)法，顯微鏡倍數(shù)為×400;

藻類生長(zhǎng)曲線的測(cè)定:將藻種接種到液體培養(yǎng)基中，每隔24 h取樣，計(jì)算藻的數(shù)量，以藻的數(shù)量為縱坐標(biāo)，以生長(zhǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，得生長(zhǎng)曲線.

1.2.3 初始藻密度對(duì)小球藻去除氮磷和有機(jī)物效果的影響

設(shè)定優(yōu)勢(shì)藻種的初始密度分別為105，106，5×106和107個(gè)/mL，取250 mL錐形瓶12只，分別加入100 mL模擬湖水，將經(jīng)離心后的不同藻密度的優(yōu)勢(shì)藻種投入水中，每組3個(gè)平行樣，每隔一段時(shí)間將模擬湖水離心10 min(4000 r/min，4℃)后，用0.45 μm濾膜過濾上清液后測(cè)定TN，TP和COD.1.2.4 最佳藻菌體積比的確定

將藻種和活性污泥分別按體積比2∶1，1∶1，2∶3，1∶2 和2∶5 離心濃縮 (3000 r/min，10 min)，經(jīng)無菌蒸餾水洗滌，離心2次，去除吸附在藻細(xì)胞以及活性污泥表面的氮和磷.取250 mL錐形瓶15只，分別加入100 mL模擬湖水，將經(jīng)過離心后的藻種和活性污泥投入水中，每組3個(gè)平行樣，72h后將模擬湖水離心10min(4000r/min，4℃)后，用0.45μm濾膜過濾上清液后測(cè)定TN，TP和COD.

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)勢(shì)藻種的篩選

圖1為初始密度相近的4種藻在模擬湖水中的生長(zhǎng)曲線.

圖1 4種藻在模擬湖水中的生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curves of the four kinds of algae in simulated lake water

從圖1可見，歷經(jīng)3 d，小球藻、柵藻、銅綠微囊藻和聚球藻的藻密度均有一定程度的增長(zhǎng)，生長(zhǎng)趨勢(shì)與在實(shí)驗(yàn)中觀察到的藻液顏色由淺變深的現(xiàn)象一致.柵藻、銅綠微囊藻和聚球藻在湖水中相繼出現(xiàn)不同程度的死亡現(xiàn)象，有淡黃色死亡藻體沉于瓶底，柵藻的死亡最為嚴(yán)重，聚球藻次之.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，小球藻、柵藻和銅綠微囊藻的藻密度分別增長(zhǎng)320萬個(gè)/mL，173萬個(gè)/mL和51萬個(gè)/mL，聚球藻的藻密度則減少了24萬個(gè)/mL.其中小球藻的生長(zhǎng)曲線最符合Logistic生長(zhǎng)曲線［9］，2 d內(nèi)即能適應(yīng)模擬湖水環(huán)境，隨后進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期.由此可見小球藻對(duì)模擬湖水的適應(yīng)能力最好，其他3種藻的適應(yīng)能力較差.

圖2為4種藻類對(duì)模擬湖水中TN，TP和COD的去除效果，圖中Q為TN、TP、COD的含量.

圖2 4種藻對(duì)模擬湖水中氮，磷和COD的去除效果Fig.2 Removal rate of TN，TP and COD in simulated lake water by the four kinds of algae

從圖2a)可見，4種藻均可不同程度地去除模擬湖水中的氮，其中小球藻和柵藻對(duì)TN的去除效果相當(dāng)，分別達(dá)到58.3%和63.2%，明顯高于其他兩種藻.從圖2b)可以看出，歷時(shí)3 d，小球藻和柵藻對(duì)TP的去除率分別達(dá)到98%和100%，也明顯高出另外兩種藻的除磷效率.由此可見，不同藻類對(duì)氮、磷的去除能力不同，其中小球藻和柵藻效果相當(dāng)，銅綠微囊藻次之，聚球藻較差.

從圖2c)可見，4種藻均可不同程度降低湖水中的COD，歷時(shí)6d，小球藻、柵藻、綠微囊藻和聚球藻對(duì)模擬湖水中COD的去除率分別達(dá)到77.8%，64.0%，66.0% 和 92.1%.其去除能力大小順序?yàn)?聚球藻＞小球藻＞銅綠微囊藻＞柵藻，這一順序與氮磷的去除效果不同，說明藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收利用具有選擇性.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，柵藻、銅綠微囊藻和聚球藻所在實(shí)驗(yàn)組的COD均有上升趨勢(shì)，其原因可能在于這3種藻均有死亡現(xiàn)象，死亡的藻體又作為天然有機(jī)物進(jìn)入模擬水體，增加了COD濃度［9］.

綜上所述，小球藻、柵藻對(duì)TP的去除效果最好，3 d內(nèi)分別達(dá)到98%和100%，對(duì)TN的去除效果相當(dāng).但由圖1可知，柵藻對(duì)湖水的適應(yīng)能力不如小球藻，生長(zhǎng)曲線與小球藻不同步，3 d之后進(jìn)入衰亡期，在模擬湖水中的使用周期較短，大量死亡的柵藻細(xì)胞會(huì)增大模擬湖水中氮、磷和有機(jī)物的負(fù)荷，因此必須及時(shí)分離出來以免造成二次污染;且柵藻細(xì)胞體積比小球藻大得多，小球藻更易通過提高密度的方法強(qiáng)化氮磷去除效果［6］.銅綠微囊藻和聚球藻對(duì)TN、TP和COD的去除效果均不如小球藻.綜合考慮4種藻對(duì)TN、TP和COD的去除效果以及對(duì)模擬湖水的適應(yīng)能力，文中選擇小球藻作為優(yōu)勢(shì)藻種進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).

2.2 初始藻密度對(duì)氮、磷和COD去除效果的影響

圖3是不同初始密度下小球藻對(duì)模擬湖水中TP，TN和COD的去除效果，圖中Q為TP、TN、TQ的含量.

由圖3a)可見，初始密度為105個(gè)/mL的小球藻對(duì)TP的去除速率和去除效率最小，初始密度為106個(gè)/mL的次之，其他兩種不同初始密度的小球藻對(duì)TP的去除速率和去除效率大致相當(dāng).不同初始密度的小球藻對(duì)TN和COD的去除也呈現(xiàn)與TP的去除相同的規(guī)律(圖3b)和圖3c)).總體來說，小球藻對(duì)TP，TN和COD的去除率隨著初始密度的增加而增大.初始密度的大小影響小球藻的生長(zhǎng)和對(duì)TN，TP以及COD的去除效果.初始密度過小，生長(zhǎng)緩慢，去除效果差，較大的初始密度有利于小球藻生長(zhǎng)，去除效果好，但初始密度過高會(huì)使藻類生長(zhǎng)過快，從而導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)匱乏，部分藻細(xì)胞死亡，成為天然的有機(jī)污染物，使COD濃度增大;而且藻密度過大，藻細(xì)胞之間會(huì)相互遮光，降低光合作用效率［9］.

圖3 不同初始密度下小球藻對(duì)湖水中氮磷和COD的去除Fig.3 Removal of TN，TP and COD in simulated lake water by chlorella with different initial cell densities

表1為不同初始密度小球藻培養(yǎng)3d后對(duì)TN，TP和COD的去除效果.綜合圖3及表1可知，初始密度為5×106個(gè)/mL和1×107個(gè)/mL的小球藻對(duì)TN，TP和COD的去除率基本相當(dāng)，且明顯優(yōu)于其他兩組低密度的小球藻.從單個(gè)藻體的去除效率來看，初始密度為5×106個(gè)/mL的小球藻比1×107個(gè)/mL的小球藻更優(yōu)，且減少了實(shí)驗(yàn)成本，降低了對(duì)環(huán)境的二次污染.故文中選取的初始密度為5×106個(gè)/mL.

表1 不同初始密度小球藻培養(yǎng)3d后對(duì)TN，TP和COD的去除效果Table 1 Removal of TN，TP and COD after cultured 3d by chlorella with different initial cell densities

2.3 最佳藻菌體積比的確定

藻菌共生系統(tǒng)中藻和菌的數(shù)量配比不可忽視，應(yīng)與生物群落組成一樣看成是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的重要組成部分［10］.不同的藻菌按任一比例混合培養(yǎng)，在特定環(huán)境條件下，都可能隨著時(shí)間的推移達(dá)到一個(gè)生態(tài)平衡，但其中必定有一種比例是最優(yōu)化的，它能使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮出最佳作用［11］.

文中按照表2所示藻菌體積比進(jìn)行試驗(yàn).將小球藻和活性污泥分別離心濃縮(3 000 r/min，10 min)，經(jīng)無菌蒸餾水洗滌，離心2次，以去除吸附在藻細(xì)胞以及活性污泥表面的氮和磷，投入模擬湖水中，每組3個(gè)平行樣，72h后TN，TP和COD的去除效果見圖4，去除率用R表示.由圖4a)和圖4b)可知，72 h內(nèi)5組實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬湖水的脫氮效果為4＞2＞3＞1＞5，除磷效果為4＞3＞2＞5＞1.

72 h內(nèi)4對(duì)氮磷的去除率分別達(dá)到62.4%和97.2%.與相同密度單一藻類脫氮除磷效果相比提高了7.4%和1%.由圖4c)可以看出4，5對(duì)模擬湖水的 COD去除率較高，分別達(dá)到 96.5%和96.2%，明顯優(yōu)于其他3組，比單一小球藻COD去除率高約40%，因此選擇4的藻菌體積比1∶2作為最佳藻菌體積比.

表2 實(shí)驗(yàn)號(hào)與藻菌體積比Table 2 Experimental number and ratio of algae to sludge

圖4 72 h后菌藻共生體系對(duì)TN，TP和COD的去除效果Fig.4 Removal of TN，TP and COD in simulated lake water by algae-bacteria symbiotic system after 72 hours

3 結(jié)論

1)小球藻、柵藻、銅綠微囊藻和聚球藻對(duì)模擬湖水中TN、TP和COD均有不同程度的去除效果，其中小球藻對(duì)模擬湖水的適應(yīng)能力最強(qiáng)，為優(yōu)勢(shì)藻種.接種小球藻的最佳初始密度為5×106個(gè)/mL，在該條件下，小球藻對(duì)模擬湖水中TN、TP和COD去除率相對(duì)較高，分別可達(dá)56.2%，96.0%和55.0%.

2)藻菌共生系統(tǒng)中最佳藻菌體積比為1∶2，在此條件下，歷時(shí)72 h，模擬湖水中TN，TP和COD的去除率分別達(dá)到62.4%，97.2%和96.2%，表明藻菌共生體系在對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水的異位修復(fù)方面具有較大的應(yīng)用潛力.

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