氣升式光生物反應(yīng)器中固定化小球藻深度處理污水能力的研究

文/謝承錫

氣升式光生物反應(yīng)器中固定化小球藻深度處理污水能力的研究

文/謝承錫

將小球藻包埋于海藻酸鈉膠球中用于去除市政污水中的氮磷和COD。實驗研究了不同密度的藻細胞對污水中氮磷和COD去除效率的影響。1000萬個藻細胞/膠球有較高的處理污水中的氨氮和磷的能力，9小時內(nèi)去除效率分別為91.39%和94.74%。利用此密度的藻細胞處理市政污水，對COD、氨氮和磷在9小時內(nèi)的處理效果分別是78.60%、72.53%和71.49%。選定最優(yōu)外加碳源，對800萬個藻細胞/膠球和1000萬個藻細胞/膠球進行小球藻對污水處理可循環(huán)利用性研究，進行三周期的污水處理，第二周期處理效果明顯，磷和COD為第二周期1000萬個藻細胞/膠球去除效果最好，去除率分別為96%和87.4%。氨氮為第二周期800萬個藻細胞/膠球去除效果較佳，去除率為95.58%。在污水處理后，柵藻膠珠細胞密度均有所增加，說明藻細胞在污水處理過程中保持了良好的活力。結(jié)果表明利用固定化藻類進行污水的深度凈化處理是可行的。

1 項目背景

通過資料了解到，污水處理二級出水中或不達標排放的污（廢）水仍含有一定量的氮、磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)，會造成受納水體的富營養(yǎng)化。所以從廢水中去除氮磷元素，減少和避免富營養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實意義。

藻類和其他高等植物一樣，能利用CO2和H2O借助葉綠素吸收光能合成糖類釋放氧氣：

Oswald提出藻細胞脫氮除磷概念，從此利用藻細胞培養(yǎng)技術(shù)處理污水得到了快速發(fā)展。氮是藻類生物量的重要元素，一般約占藻細胞干重的10%，藻類可利用的氮源包括無機氮和有機氮，而藻類利用不同形態(tài)氮的順序為：氨氮>硝酸鹽氮>簡單有機氮（如尿素等）。無機氮同化作用包括三個步驟：首先，由一種特定的通透酶介導(dǎo)并吸收硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨；其次，依賴ATP將硝酸鹽還原為銨；最后，將銨并入碳骨架。磷主要用于能量傳遞和核酸合成細胞過程中，主要以無機的形式被吸收。細胞內(nèi)的磷被用作合成有機或無機物質(zhì)。藻類用底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化3種不同的過程將其轉(zhuǎn)化為高能有機化合物：

前兩個過程的能量來自呼吸底物的氧化或線粒體的電子轉(zhuǎn)運系統(tǒng)；第3個系統(tǒng)中光能被轉(zhuǎn)化結(jié)合進ATP。自20世紀70年代以來，國內(nèi)外就有利用沼氣池出水，城市污水，繅絲、釀造、制糖廢水及畜禽污水等養(yǎng)殖螺旋藻等微藻生產(chǎn)單細胞蛋白飼料，并使污水得以凈化的研究報道。近年來，化石燃料短缺，微藻類作為原料制成生物燃料更有前景。研究表明，響藻類脫氮除磷的因素有很多，但主要可分為藻種本身的內(nèi)在因素和對藻類生長起作用的環(huán)境和營養(yǎng)及固定化條件等的外在因素。藻類也能將水體中有機化合物作為碳源、氮源吸收，能降解如農(nóng)藥、偶氮染料、碳氫化合物、多環(huán)芳烴、金屬有機物等多種化合物。利用藻細胞固定化技術(shù)處理污水是近二十多年新發(fā)展起來的一種污水生物處理技術(shù)，具有節(jié)約處理費用、可操作性強，對廢水中氮、磷、重金屬、有機物等去除效果好的特點。近年來，褐藻膠包埋技術(shù)是使用最廣泛的包埋固定化技術(shù)。主要應(yīng)用于生物反應(yīng)器中活細胞的固定，植物原生質(zhì)體包埋應(yīng)用于微繁殖，雜種瘤細胞固定化應(yīng)用于生產(chǎn)克隆抗體，污水處理等。

2 研究的目的與意義

本文首次利用固定化小球藻體系，在自制的氣升式光生物處理反應(yīng)器中實現(xiàn)對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）。實驗研究小球藻在氣升式反應(yīng)器中凈化污水能力。研究了細胞密度、循環(huán)使用后固定化小球藻體系脫氮、除磷及COD去除的影響。該體系既達到了脫氮、除磷、去除COD，又有利于回收藻體，作為動物飼料和生物柴油制備的原料。從生態(tài)角度具有突出的現(xiàn)實意義，為污水的深度處理提供一種處理技術(shù)和參考。

3 實驗過程

3.1 實驗材料

3.1.1 藻種

小球藻（Chlorella sp.）由遼寧師范大學(xué)藻類生理學(xué)實驗室提供。

3.1.2 試劑

海藻酸鈉，氯化鈣，氯化銨，抗壞血酸，鉬酸銨，酒石酸銻氧鉀，蛋白胨，重鉻酸鉀（優(yōu)級純）等，其余均為分析純。

3.1.3 主要儀器

電子天平，北京賽多利斯天平有限公司；超凈工作臺，無錫一凈凈化設(shè)備有限公司；高壓滅菌鍋，廣州泰思科學(xué)儀器有限公司；722分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；高速離心機，廣州飛迪生物科技有限公司。

3.2 實驗方法

3.2.1 小球藻培養(yǎng)

將小球藻無菌接種于含150mL Dauta培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中，在溫度（24±2）℃，光強2200-2700lx（冷熒光），光周期12：12（光：暗）下培養(yǎng)，每天用血球計數(shù)板計數(shù)，取靜止初期藻細胞進行實驗。

3.2.2 固定化

固定化藻：藻細胞3500rp/min 15min離心收獲，用無氮、磷Dauta培養(yǎng)基再懸浮，與滅菌的5%海藻酸鈉溶液等體積混合，注射器用8號針頭滴入預(yù)冷0.1mol/L CaCl2溶液，放置0.5h，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，用于去污實驗。

3.2.3 污水的配制

以無N、P的Dauta培養(yǎng)基為本底，加NH4Cl、K2HPO4以及葡萄糖使?jié)舛葹?5.5mg/L，濃度為1.5mg/ L。N/P比實驗時污水配方如下：

表1 氮：磷為10：1的人工污水

4 結(jié)果與討論

4.1 外加碳源對小球藻生長的影響

圖1 碳源葡萄糖對小球藻生長的影響

圖2 碳源乙酸鈉對小球藻生長的影響

圖3 碳源碳酸鈉對小球藻生長的影響

由圖1-3，前3天三種外加碳源對小球藻生長速度的影響基本一致，比較平緩，對于葡萄糖來說，第8天小球藻生長達到靜止期，其中0.25g/L葡萄糖的小球藻生長速率最大；對于乙酸鈉來說，整體增長速度較緩，第8天藻細胞生長達到穩(wěn)定期，不同濃度乙酸鈉藻細胞數(shù)相差較大，5天后藻細胞生長低于對照；碳酸鈉作為外加碳源藻細胞生長速度較快，第7天達到靜止期，隨后藻細胞減少。實驗時選葡萄糖作為小球藻培養(yǎng)基的外加碳源，葡萄糖濃度為0.25g/L。

4.2 細胞密度對氮、磷去除影響

圖4 細胞密度對氨氮去除率影響

從圖4可以清楚的看到600萬個藻細胞/膠球、800萬個藻細胞/膠球、1000萬個藻細胞/膠球和1200萬個藻細胞/膠球在9小時對氨氮去除效率分別為85.95%、86.80%、91.39%和71.13%，對磷的去除效率分別為89.74%、92.30%、94.74%和81.41%。說明固定化藻細胞對污水的凈化效率高效。在去除氨氮方面當藻細胞密度分別600萬個藻細胞/膠球、800萬個藻細胞/膠球、1000萬個藻細胞/膠球時，藻細胞密度越大的，凈化效率越高，當藻細胞密度增大到1200萬個藻細胞/膠球時，效率開始降低。說明在凈化氨氮方面，凈化效率開始是隨著藻細胞密度增大而增大，但當藻細胞增大到某一值，凈化效率開始下降。在除磷方面前三者之間凈化效率相近，特別是800萬個藻細胞/膠球和1000萬個藻細胞/膠球，兩者凈化效率都達到90%以上，凈化效果非常明顯。當藻細胞密度為1200萬個藻細胞/膠球時，凈化效率明顯沒有前三者凈化效率高，說明當藻細胞密度增大到某一值時，對磷的凈化效率反而下降。由以上實驗得出，氨氮和磷的最佳凈化細胞密度是1000萬個藻細胞/膠球。

5 結(jié)論

固定化小球藻在氣升式光生物反應(yīng)器中能夠有效的進行脫氮除磷，并去除低濃度有機物。細胞密度、循環(huán)處理對脫氮除磷效率和低濃度有機物的去除有影響。饑餓處理后，氨氮、磷、COD去除明顯。利用氣升式生物反應(yīng)器，固定化小球藻可實現(xiàn)污水的深度凈化并提供可以利用的藻體生物資源。

6 創(chuàng)新點

第一，本研究首次進行固定化小球藻在改造具有流化床特點的氣升式光生物反應(yīng)器中進行污水深度處理能力研究；

第二，本研究首次研究細胞密度對小球藻體系污水深度處理影響；

第三，本研究首次研究小球藻體系循環(huán)處理污水研究；

7 下階段研究設(shè)想

藻類固定化技術(shù)在廢水深度處理領(lǐng)域中具有獨特的優(yōu)越和潛力。該技術(shù)要達到工業(yè)化應(yīng)用還需解決以下問題：

7.1 繼續(xù)尋找高效、低耗、抗毒性強的多種生物共生固定化體系；

7.2 進一步開發(fā)性能穩(wěn)定、價格低廉、傳質(zhì)阻力小的固定化載體和反應(yīng)器；

7.3 篩選產(chǎn)油高、凈化力強的多種藻類實現(xiàn)水處理和生物柴油制備的耦合。

通過不斷研究，藻類為基礎(chǔ)的固定化體系在廢水處理中會成為一項高效而實用的廢水生物處理資源化技術(shù)，獲得廣泛應(yīng)用。

8 收獲與體會

通過階段性研究，我在創(chuàng)新能力培養(yǎng)、動手操作能力、解決實際問題方面以及專業(yè)知識等方面都有不同程度的收獲和提高。

通過選題給我提供了一個思考、解決問題的機會。對一項藻類污水生物處理技術(shù)的研究，需要嘗試，更需要創(chuàng)新和提升并能夠把新的思路、方法轉(zhuǎn)化成具體的實驗操作。最后，通過嘗試、改進，尋找解決途徑和方法。

9 致謝

本項目得到了遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張恩棟老師悉心指導(dǎo)，提供實驗設(shè)備和技術(shù)幫助。感謝學(xué)校的老師、父母、朋友、同學(xué)的幫助，使我克服困難、完成實驗。

（作者單位：大連理工大學(xué)附屬高中）