光暗條件下菌-藻共生系統(tǒng)處理廢水污染物研究

吳丹丹， 張喬丹， 黃 鑫

(安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院， 安徽 合肥 230601)

隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，污水排放量與日劇增，廢水的有效處理對改善水體環(huán)境至關重要。目前，國內(nèi)污水處理工藝普遍存在占地面積大、處理成本較高等問題?；钚晕勰喾ㄌ幚砉に?，需要頻繁切換厭氧和好氧條件，存在后期產(chǎn)生剩余污泥處置難度較大的問題[1-2]。微藻能高效去除水體氮、磷物質(zhì)，但存在后期微藻收集難度大、不宜分離的難題[3]。研究表明微藻同活性污泥相結合形成的菌-藻共生系統(tǒng)可大幅提高污染物的去除率，且有利于菌-藻生物質(zhì)的絮凝和后期分離[4]。運用菌-藻共生系統(tǒng)處理廢水的最大優(yōu)勢是提高了廢水中污染物的資源化轉(zhuǎn)化率。菌-藻共生系統(tǒng)中的微藻在去除廢水污染物時，其自身的生物質(zhì)也得到積累，且這些生物質(zhì)可作為資源化產(chǎn)品的原料：磷元素通過系統(tǒng)作用轉(zhuǎn)化為微藻脂質(zhì)(生物柴油原料)，氮元素通過系統(tǒng)作用轉(zhuǎn)化為微藻蛋白質(zhì)(飼料添加劑)和色素(蝦青素)[5]。

微藻作為自養(yǎng)生物，光照是其生長的重要條件。本研究在生物量相同的情況下，探究光暗條件對純藻、菌-藻體系處理污染物的影響，并觀察菌-藻共生系統(tǒng)的變化。

1 材料與方法

1.1 小球藻的富集和活性污泥的馴化

選用上海光宇生物科技有限公司的小球藻，采用BG-11培養(yǎng)基進行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度25 ℃，光照強度2 000 lx左右，光暗比14∶10，配置磁力攪拌器，轉(zhuǎn)速210～230 r/min，放置在人工光照培養(yǎng)箱內(nèi)?；钚晕勰嗳∽晕鬯幚韽S二沉池，取回后悶爆處理去除有機質(zhì)，然后用人工配置的廢水馴化處理，人工廢水成分與實驗廢水成分相同，每兩天換一次水。

1.2 菌-藻系統(tǒng)構建及實驗組設置

實驗設置4組：純藻光照組、菌-藻1∶1光照組、純藻黑暗組、菌-藻1∶1黑暗組，每組實驗設置2個平行樣?？偵锪?00 mg，光照組時間設定24 h，光照強度2 300 lx左右，黑暗組用厚黑布包裹與光照組放置在相同培養(yǎng)箱內(nèi)，培養(yǎng)箱溫度設置為25 ℃，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速280～300 r/min，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

實驗前富集的小球藻液及馴化的活性污泥，真空抽濾過0.45 μm生物濾膜，在105 ℃烘箱烘4 h，利用重量差法計算小球藻和活性污泥的生物量，根據(jù)實驗組所需的生物量計算小球藻和活性污泥的體積，經(jīng)離心機8 000 r/min離心10 min，棄去上清液，用配置的人工廢水沖洗離心管并轉(zhuǎn)移至人工配置的廢水內(nèi)。實驗周期為5 d，每天取樣一次。

1.3 人工廢水配置

精確稱取葡萄糖(324 mg)、 NaNO3(242.4 mg)、 K2HPO4·3H2O(36.75 mg)、 EDTA(1 mg)、 C6H10FeNO8(6 mg)、 C6H8O7·H2O(6 mg)、 CaCl2(27 mg)、 MgSO4·7H2O(75 mg)、 H3BO3(2.86 mg)、 MnCl2·4H2O(1.81 mg)、 ZnSO4·7H2O(0.222 mg)、 CuSO4·7H2O(0.079 mg)、 CoCl2·6H2O(0.05 mg)、 Na2MoO4·2H2O(0.391 mg)于1 L去離子水中，調(diào)節(jié)pH=7.0～7.1。設置人工廢水的COD、 NO3--N、 PO43--P濃度分別為350 mg/L、40 mg/L、5 mg/L。

1.4 分析方法

培養(yǎng)液經(jīng)離心機8 000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾頭，用于測定N、P含量和COD指標，離心后的固相用于葉綠素A的測定。采用紫外分光光度法和鉬銻抗分光光度法測定N和P含量，重鉻酸鉀法測定COD，采用80%丙酮溶液浸提法測定小球藻葉綠素A[6]，在680 nm波長下用紫外分光光度測定藻類OD值[7]，使用熒光顯微鏡觀察菌-藻形態(tài)。

2 結果與討論

2.1 污染物去除

2.1.1 NO3--N去除

總生物量控制在200 mg的條件下，純藻、菌-藻光暗組對NO3--N的去除情況如圖2所示。實驗第1 d菌-藻1∶1光照組的NO3--N從39.1 mg/L下降到0.95 mg/L，去除率達到99%；純藻光照組的NO3--N一直處于下降狀態(tài)，實驗第5 d下降至19.8 mg/L，去除率49%；菌-藻1∶1黑暗組的NO3--N在第1 d后仍有明顯的下降趨勢，實驗第5 d下降到11.6 mg/L，去除率達到70%；純藻黑暗組的NO3--N在實驗第1 d有所下降(27 mg/L)，后續(xù)基本不變，去除率只有30%。實驗結果說明，菌-藻組在黑暗條件下去除NO3--N效果優(yōu)于純藻組，光照條件下菌-藻組處理效果最佳。

圖2 NO3--N去除情況 圖3 PO43--P去除情況

2.1.2 PO43--P去除

PO43--P去除情況如圖3所示。各組實驗第1 d PO43--P均出現(xiàn)下降。光照條件下菌-藻1∶1實驗組在第2 d時PO43--P從4.6 mg/L下降至0.19 mg/L，去除率達到99%；純藻組在光照條件下PO43--P的含量一直處于下降狀態(tài)，實驗第5 d去除率達到99%。相對而言，黑暗條件下菌-藻組和純藻組對PO43--P的去除不明顯，在實驗第1 d后PO43--P含量處于平穩(wěn)狀態(tài)，后期純藻組第3 d后出現(xiàn)了PO43--P的釋放現(xiàn)象。主要原因在于微藻對PO43--P的去除主要依靠有氧環(huán)境下的吸收，經(jīng)過多階段磷酸化轉(zhuǎn)化為磷脂和ATP等體內(nèi)有機物[8]。光照有利于小球藻的光合作用產(chǎn)生氧氣，促進PO43--P的消耗，黑暗限制了小球藻的光合作用，導致去除不理想。 相比于純藻組，菌-藻組在光照條件下快速去除水體磷元素，表明菌-藻系統(tǒng)能夠協(xié)同促進PO43--P的去除。

2.1.3 COD去除

COD去除情況如圖4所示。實驗第1 d，菌-藻組無論是黑暗還是光照條件下，對COD的去除速率比純藻組快。實驗第5 d菌-藻光照組的COD由最初的311 mg/L下降至37 mg/L，去除率達到88%，這與NO3--N的去除情況相對應，表明菌-藻對碳、氮的利用是協(xié)同進行的。光可以作為在菌-藻混合模式中相關物質(zhì)吸收的促進劑[9]。在光照條件下的菌-藻體系中，細菌作為分解者，能夠利用小球藻光合作用產(chǎn)生的氧氣分解有機物，同時其產(chǎn)生的無機物可被小球藻利用，菌與藻的協(xié)同加速了COD的去除。

圖4 COD去除情況

2.2 光照組菌-藻形態(tài)變化

采用40倍熒光顯微鏡對菌-藻光照組實驗前后的菌-藻形態(tài)進行觀察。小球藻在顯微鏡下為綠色細胞體，熒光鏡檢時能夠發(fā)出紅光，如圖5所示。實驗開始時，菌-藻光照組中的菌與小球藻處于分散狀態(tài)如圖5(a)和圖5(c)所示。實驗第5 d，小球藻和活性污泥已處于聚集狀態(tài)如圖5(b)和圖5(d)所示，表明形成了良好的菌-藻共生系統(tǒng)。

圖5 菌-藻光照組不同時期形態(tài)變化圖

2.3 小球藻生物量變化

通過測定小球藻葉綠素A含量和OD值表征小球藻生物量變化如圖6和圖7所示。各組實驗OD值和葉綠素A含量變化趨勢相同。由圖7可知，整個實驗周期光照條件下的純藻組和菌-藻組小球藻都有一定的生長，實驗前兩天菌-藻組生長速率更快。實驗第5 d，菌-藻光照組葉綠素A從原來的1.57 mg/L增至3.83 mg/L，增幅為145%，純藻光照組由3.2 mg/L增至5.1 mg/L增幅為59.3%。黑暗條件對純藻組小球藻的生長有較大影響，在實驗第3 d后OD值和葉綠素A迅速下降，說明了藻類出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，這是導致后期純藻黑暗組出現(xiàn)磷釋放的原因；黑暗條件下的菌-藻組，OD值和葉綠素A在實驗前期有一定的上升，后期出現(xiàn)緩慢下降，黑暗條件對菌-藻組中小球藻的影響較小。

3 結 語

在光照、黑暗條件下對比研究了純藻組和菌-藻組對污染物的去除效果。光照條件下菌-藻1∶1組處理效果最好，COD、NO3--N 、PO43--P去除率分別達到 88%、99%、99%。光照條件更有利于菌-藻體系小球藻的生長，協(xié)同加速去除廢水污染物。菌-藻光照組葉綠素A從原來的1.57 mg/L增至3.83 mg/L，增幅為145%。黑暗條件對純藻組處理污染物效果影響較大。通過熒光顯微鏡對菌-藻光照組生物形態(tài)變化的觀察可知，小球藻與活性污泥在實驗結束時形成了良好的共生系統(tǒng)。