宋志偉,　王秋旭,　李立欣,　高云鵬,　趙紅利

(黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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斜生柵藻培養(yǎng)基優(yōu)化及菌藻共生體系處理污水

宋志偉,王秋旭,李立欣,高云鵬,趙紅利

(黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為建立適用于模擬污水處理的菌藻共生體系,通過模擬污水的適應(yīng)性分析,選定斜生柵藻為共生藻種,以BBM為基礎(chǔ)培養(yǎng)基對(duì)其生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化,并建立好氧顆粒污泥和藻類的共生體系進(jìn)行模擬污水處理。結(jié)果表明:斜生柵藻的最適生長(zhǎng)條件,接種量為10%,培養(yǎng)基的初始pH為7.5,C6H12O6和NH4Cl的質(zhì)量濃度分別為1 500和300 mg/L。好氧顆粒污泥和斜生柵藻的共生體系對(duì)污水COD、NH3-N、TP的去除率分別為93.89%、87.64%、91.35%,優(yōu)于單獨(dú)的斜生柵藻和單獨(dú)的好氧顆粒污泥,可以提高模擬污水中有機(jī)物和氮、磷的同步去除效果。

斜生柵藻; 培養(yǎng)基優(yōu)化; 菌藻共生; 模擬污水

0　引　言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,水體有機(jī)污染問題日趨嚴(yán)重。大量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體環(huán)境,導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化污染現(xiàn)象日益突出,污水的脫氮除磷技術(shù)成為污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。生物處理技術(shù)作為有效、最具環(huán)境效益的污水處理方法,得到廣泛應(yīng)用。能滿足特定的污水處理要求的新工藝也不斷被提出,其中,污泥顆粒化技術(shù)因其自身的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。

污泥顆?；俏⑸锛?xì)胞自身固定化的一種形式,最終形成邊界清晰、外觀為球形或橢圓形的密實(shí)顆粒[1]。好氧顆粒污泥能處理含有有機(jī)物、氮、磷和有毒、有抑制性物質(zhì)的污水。但有研究表明,好氧顆粒污泥對(duì)氮、磷的去除效果不太理想[2]。

藻類可以利用太陽(yáng)能和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過光合作用合成細(xì)胞物質(zhì),藻類對(duì)氮、磷的去除能力較好。藻類去除污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的機(jī)理分為兩種:一種為直接作用,利用生物學(xué)原理,藻類為了自身的生長(zhǎng)和繁殖而主動(dòng)去吸收污水中氮、磷轉(zhuǎn)化為自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]。另外一種是間接方式,利用物理化學(xué)作用,當(dāng)藻類在污水中生長(zhǎng)繁殖速度較快時(shí),會(huì)使污水中的pH增高,改變周圍環(huán)境的物化特性,促進(jìn)NH3的揮發(fā)及磷酸鹽沉淀,從而達(dá)到脫氮除磷的效果[4]。

藻類對(duì)污水中氮、磷有一定的去除效果,但藻類處理污水面臨的問題是污水中部分有機(jī)物難以被藻類高效吸收、轉(zhuǎn)化[5]。因此,將藻類與細(xì)菌對(duì)有機(jī)物降解能力有效結(jié)合,形成菌藻共生系統(tǒng)。藻類通過光合作用釋放氧氣,供給好氧異養(yǎng)型微生物進(jìn)行代謝活動(dòng),好氧異養(yǎng)型微生物對(duì)有機(jī)物氧化分解,代謝產(chǎn)生的二氧化碳和無機(jī)氮、磷化合物,供給藻類光合作用所需的碳源和營(yíng)養(yǎng),如此循環(huán),形成菌藻之間互生的關(guān)系,稱之為“菌藻共生”[6]。從而提高污水中氮、磷和有機(jī)物的去除率。

鄭耀通等[7]利用建立的小球藻(Chlorella)與螺旋藻(Spirulina)、光合細(xì)菌(Photosynthetic bacteria)、硝化細(xì)菌(Nitrobacteria)建立菌-藻共生體系處理含氨氮的污水。王高學(xué)等[8]以正交法建立了由柵藻(Scencdesmus obliquus)、小球藻(Chlorella vulgans)、亞硝化細(xì)菌(Nitrite bacteria)、硝化細(xì)菌(Nitrate bacteria)組成的藻-菌共生系統(tǒng),利用最佳配比去除氨氮和亞硝酸氮,去除率高于單藻和單菌。但現(xiàn)有的研究多采用的是單一菌種和普通活性污泥,好氧顆粒污泥和藻類形成的菌藻共生體系報(bào)道鮮見。

為建立好氧顆粒污泥和藻類的共生體系,筆者通過污水的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn),選用斜生柵藻為共生藻種,探討最適合斜生柵藻生長(zhǎng)的條件,以BBM培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基對(duì)其生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化,建立菌藻共生體系,并進(jìn)行污水處理的實(shí)驗(yàn)研究,以期為在污水中建立好氧顆粒污泥和藻類的共生系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)與測(cè)定

實(shí)驗(yàn)所用的斜生柵藻為柵藻科、柵藻屬,由暨南大學(xué)水生生物研究中心提供。

實(shí)驗(yàn)采用模擬污水,其組成見表1,其中微量元素組成見表2。模擬污水水質(zhì)指標(biāo)見表3。

表1模擬污水成分

Table 1　Constitutes of simulate wastewater　mg/L

表2　微量元素組成

表3　模擬污水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)以BBM為培養(yǎng)基, 其組成見表4。

培養(yǎng)方法是在帶有封口膜的250 mL錐形瓶中,加入100 mL培養(yǎng)基,高溫高壓滅菌后,加入實(shí)驗(yàn)藻液,在30±1 ℃下培養(yǎng),光源為日光燈,光照強(qiáng)度為4 000 lx,全天光照,培養(yǎng)周期為7 d,每天搖動(dòng)藻液三次,并隨機(jī)交換錐形瓶位置,使光照差異降至最低。每天在同一時(shí)間取樣測(cè)其吸光度。

表4　BBM培養(yǎng)基組成

藻生物量的測(cè)定采用濁度比色法,實(shí)驗(yàn)采用752紫外可見分光光度計(jì),在波長(zhǎng)680 nm處測(cè)定培養(yǎng)液的吸光值(A680)[9]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1接種量對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

接種量是影響藻類生長(zhǎng)的重要因素,以BBM為培養(yǎng)基,實(shí)驗(yàn)中按體積比為5%、10%、15%、20%、25%的接種量進(jìn)行接種培養(yǎng)。按照培養(yǎng)方法,每天定時(shí)取樣測(cè)其吸光值(A680),對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)情況進(jìn)行測(cè)定,其生長(zhǎng)曲線見圖1，其中,t為培養(yǎng)時(shí)間。

圖1　接種量對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

如圖1所示,當(dāng)接種量為5%、斜生柵藻生長(zhǎng)緩慢、吸光度較低、接種量為25%時(shí),斜生柵藻生長(zhǎng)較快,當(dāng)接種量為10%時(shí),斜生柵藻的生長(zhǎng)狀況良好,第五天的吸光度超過投加量25%的吸光度。可見,接種量過小,藻細(xì)胞密度太小,斜生柵藻生長(zhǎng)緩慢,但接種量大,藻細(xì)胞密度過大,初始生長(zhǎng)速度快,后期因營(yíng)養(yǎng)供給不足其生長(zhǎng)受限。因此,接種量為10%,對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)最為有利。

2.2初始pH對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

培養(yǎng)基的pH是藻類生長(zhǎng)環(huán)境的重要理化指標(biāo),以BBM為培養(yǎng)基,接種量為10%,用0.1 mol/L的NaOH和0.1 mol/L的HCl溶液將培養(yǎng)基的初始pH調(diào)至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0,按照培養(yǎng)方法,每天定時(shí)取樣測(cè)其吸光值(A680),對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)情況進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖2所示。

圖2　初始pH對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

由圖2可知,當(dāng)pH在6.5～7.5時(shí),斜生柵藻生長(zhǎng)狀況較好,吸光度較高。當(dāng)培養(yǎng)基的初始pH為6.0或8.0時(shí),斜生柵藻的顏色由綠色變成黃色,斜生柵藻生長(zhǎng)緩慢,吸光度較低。最適合斜生柵藻生長(zhǎng)的培養(yǎng)基初始pH為7.5。該pH與模擬污水處理所需的pH相符。

2.3碳源對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

碳元素是構(gòu)成細(xì)胞的骨架元素,細(xì)胞內(nèi)任何物質(zhì)的合成都離不開碳元素的參與。在不添加外加碳源的情況下,微藻主要利用光照進(jìn)行光合自養(yǎng)生長(zhǎng)。在外加碳源和一定光照條件下,微藻進(jìn)行階段性光合自養(yǎng)和異養(yǎng)的兼養(yǎng)生長(zhǎng)[10]。BBM培養(yǎng)基中沒有碳源,因此,在BBM培養(yǎng)基中外加碳源,分別選用C6H12O6、C12H22O11、CH3COONa、NaHCO3、Na2CO3,質(zhì)量濃度為1 000 mg/L,接種量為10%,pH為7.5,按照培養(yǎng)方法進(jìn)行對(duì)比培養(yǎng)。每天定時(shí)取樣測(cè)其吸光值(A680),測(cè)定斜生柵藻的生長(zhǎng)情況。其生長(zhǎng)曲線見圖3。

圖3　不同碳源對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

如圖3所示,在相同質(zhì)量濃度碳源情況下,C6H12O6的長(zhǎng)勢(shì)好于其他的碳源,C12H22O11和CH3COONa、NaHCO3和Na2CO3長(zhǎng)勢(shì)差別不大,故選擇C6H12O6為斜生柵藻生長(zhǎng)的最佳碳源。

以BBM為培養(yǎng)基,C6H12O6為外加碳源,分別選取質(zhì)量濃度750、1 000、1 250、1 500、1 750 mg/L,進(jìn)一步探討其最適生長(zhǎng)濃度,接種量為10%,pH為7.5,按照培養(yǎng)方法,每天定時(shí)取樣測(cè)其吸光值(A680),測(cè)定斜生柵藻的生長(zhǎng)情況。其生長(zhǎng)曲線見圖4。

圖4　不同質(zhì)量濃度的C6H1206對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

如圖4所示,以外加葡萄糖為碳源時(shí),斜生柵藻可以直接利用葡萄糖進(jìn)行呼吸代謝,隨著初始C6H12O6質(zhì)量濃度的增加,有利于斜生柵藻的生長(zhǎng),吸光度逐漸增大,但當(dāng)C6H12O6質(zhì)量濃度為1 750 mg/L時(shí),生長(zhǎng)狀況不好。在藻液中添加高濃度的葡萄糖時(shí),藻液的滲透壓發(fā)生了相應(yīng)的改變,過高的滲透壓導(dǎo)致藻細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)代謝上要耗費(fèi)更多的能量。此外,更高的滲透壓則導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的差別使藻類脫水死亡[11]。這說明添加1 500 mg/L的葡萄糖大大促進(jìn)了斜生柵藻的生長(zhǎng),此后,再增加葡萄糖的投加量對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用無明顯提高,斜生柵藻的生長(zhǎng)速率與碳源濃度不呈正比。因此,當(dāng)C6H12O6為碳源,初始質(zhì)量濃度為1 500 mg/L,為斜生柵藻最適合生長(zhǎng)濃度。

2.4氮源對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

氮是藻類生長(zhǎng)必需的大量元素之一,氮的濃度對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)具有重要的作用。將BBM培養(yǎng)基中的氮源換成CO(NH2)2、NH4Cl以及NaNO3,質(zhì)量濃度為250 mg/L,接種量為10%,pH為7.5,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。按照培養(yǎng)方法,測(cè)定其生長(zhǎng)情況,生長(zhǎng)曲線見圖5。

圖5　不同氮源對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

如圖5所示,NaNO3長(zhǎng)勢(shì)最好,NH4Cl次之,尿素對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)影響不大。

以優(yōu)化后的BBM為培養(yǎng)基,接種量為10%,pH為7.5,研究不同質(zhì)量濃度的NH4Cl對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響。生長(zhǎng)曲線見圖6。

如圖6所示,斜生柵藻在初始NH4Cl質(zhì)量濃度為300 mg/L時(shí),生長(zhǎng)明顯好于其他初始濃度下的,培養(yǎng)至第六天吸光度達(dá)到最大值。由此可見,初始NH4Cl質(zhì)量濃度為300 mg/L時(shí),最適合斜生柵藻生長(zhǎng)。斜生柵藻最適生長(zhǎng)的NH4Cl質(zhì)量濃度,與模擬污水中NH4Cl的質(zhì)量濃度相近。因此,NH4Cl質(zhì)量濃度300 mg/L為斜生柵藻的最適合氮源。

圖6　不同濃度的NH4Cl對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)的影響

3　共生體系處理模擬污水

為建立好氧顆粒污泥和斜生柵藻的共生體系,將在搖床中馴化后的粒徑大于1 mm、質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的好氧顆粒污泥泥水混合物，與在模擬污水中馴化后的1 000 mg/L的斜生柵藻,按體積比為2∶1直接混合,組成150 mL的共生體系,加入250 mL的錐形瓶中,放入搖床中進(jìn)行培養(yǎng)。搖床轉(zhuǎn)速150 r/min,溫度30 ℃,循環(huán)周期48 h。在240 h之后,通過X射線熒光光譜分析表明,共生體系各元素相對(duì)于斜生柵藻和好氧顆粒污泥本身都發(fā)生了相應(yīng)的變化,共生體系已形成。

為探討菌藻共生體系對(duì)模擬污水的處理效果,進(jìn)行單獨(dú)斜生柵藻、單獨(dú)好氧顆粒污泥與菌藻共生體系對(duì)模擬污水處理的對(duì)比實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)時(shí)間48 h。第一組:斜生柵藻系,由50 mL在污水中馴化的質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的斜生柵藻和100 mL模擬污水組成;第二組:好氧顆粒污泥系,由粒徑大于1 mm、質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的好氧顆粒污泥泥水混合物100 mL，50 mL模擬污水組成;第三組:按好氧顆粒污泥與斜生柵藻的體積比為2∶1組成150 mL模擬污水,進(jìn)行模擬污水處理對(duì)比實(shí)驗(yàn),定期取樣測(cè)定其COD、NH3-N、TP去除率,結(jié)果見圖7。

如圖7所示,三個(gè)系統(tǒng)的同步實(shí)驗(yàn)顯示,單獨(dú)斜生柵藻對(duì)模擬污水的COD、NH3-N以及TP的去除率為7.83%、14.72%、18.97%;單獨(dú)好氧顆粒污泥對(duì)模擬污水的COD、NH3-N以及TP的去除率為84.74%、78.31%、70.63%;好氧顆粒污泥和斜生柵藻的共生體系對(duì)模擬污水的COD、NH3-N以及TP的去除率為93.89%、87.64%、91.35%。共生體系對(duì)模擬污水COD、NH3-N以及TP的去除率優(yōu)于單獨(dú)的斜生柵藻和單獨(dú)的好氧顆粒污泥。

圖7　三個(gè)體系對(duì)COD、NH3-N、TP的去除率

在好氧顆粒污泥和斜生柵藻共生體系中,斜生柵藻在生長(zhǎng)過程中,能夠利用光能和CO2進(jìn)行光合作用,產(chǎn)生的O2被好氧顆粒污泥所利用,好氧顆粒污泥新陳代謝產(chǎn)生的CO2提供給斜生柵藻,因此提高了好氧顆粒污泥和斜生柵藻的活性。好氧顆粒污泥與斜生柵藻同時(shí)吸收同化模擬污水中的氮、磷,起到良好的脫氮除磷的效果。

4　結(jié)　論

(1)以BBM為基礎(chǔ)培養(yǎng)基,通過對(duì)接種量、初始pH,以及培養(yǎng)基中碳、氮單因子的研究,優(yōu)化了斜生柵藻的培養(yǎng)基。

(2)最適合斜生柵藻的生長(zhǎng)條件為:接種量10%,培養(yǎng)基的初始pH 7.5,C6H12O6和NH4Cl的質(zhì)量濃度分別為1 500 和300 mg/L。斜生柵藻的最適于C6H12O6和NH4Cl的質(zhì)量濃度與模擬污水的質(zhì)量濃度相近。

(3)好氧顆粒污泥和斜生柵藻的共生體系對(duì)模擬污水的COD、NH3-N以及TP的去除率分別穩(wěn)定在93.89%、87.64%、91.35%,優(yōu)于單獨(dú)的斜生柵藻和單獨(dú)的好氧顆粒污泥,可提高模擬污水中有機(jī)物和氮、磷的同步去除效果。

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(編輯徐巖)

Optimization of scenedesmus obliquus culture medium and application of algal-bacterial symbiotic system for sewage treatment

SONGZhiwei,WANGQiuxu,LILixin,GAOYunpeng,ZHAOHongli

(School of Environmental & Chemical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper arises from the need to develop algal-bacterial symbiotic system tailored for wastewater treatment. The development is possible with the selection of scenedesmus obliquus for symbiotic algae through sewage adaptive analysis; the optimization of its growth conditions based on BBM medium(Bold’s Basal Medium); and the consequent production of aerobic granular sludge and scenedesmus obliquus symbiotic system for sewage treatment. The results show that the optimum growth conditions for scenedesmus obliquus is inoculum of 10%, initial pH value of 7.5, C6H12O6concentration of 1 500 mg/L, NH4Cl concentration of 300 mg/L. When applied to treat sewage, symbiotic system of scenedesmus obliquus and aerobic granular sludge ensures the COD, NH3-N and TP removal rate of 93.89%,87.64%,91.35%， respectively, providing a significant advantage over single oblique scenedesmus and separate aerobic granular sludge and thus enabling the improvement in the synchronization removal effect of organics, nitrogen and phosphorus in sewage.

scenedesmus obliquus; culture medium optimization; algal-bacterial symbiotic; simulate sewage

2015-01-16

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201461);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541701)

宋志偉(1968-),女,黑龍江省哈爾濱人,教授,博士,研究方向:污水治理技術(shù)及工藝,E-mail:szwcyp@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.010

X703

2095-7262(2015)03-0274-06

A