王 冰，周集體，楊寶靈，鄧 月，烏云娜

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

微藻能夠高效、低耗地去除造成水體富營養(yǎng)化和其他污染的營養(yǎng)物質，可作為一種二級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，減小受納水體富營養(yǎng)化，是一項新型的污水資源化生物技術［1-5］。然而藻類污水深度處理目前仍處于實驗階段，距工廠化應用還有一段距離。光合細菌處理有機污水，是近20多年新發(fā)展起來的污水生物處理技術，具有活性污泥法和厭氧消化法不可比擬的優(yōu)點。光合細菌能夠利用有機化合物進行異養(yǎng)生長，也可光合自養(yǎng)生長，代謝途徑多樣［6］。光合細菌的光合作用一般是在厭氧光照下，以簡單有機物為供氫體，固定CO2進行光合磷酸化和光氧化還原反應。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。光合細菌主要用于工業(yè)廢水處理，如啤酒、肉聯、味精、制藥廢水，同時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、城鎮(zhèn)菜市場等地對生活垃圾的現場處理等［6-7］。

本文利用固定化光合細菌和小球藻體系，在氣升式光生物處理反應器中實現對市政污水的深度凈化。利用固定化技術解決收獲問題，獲得藻、菌生物量(藻、菌蛋白)。實驗研究光合細菌-小球藻共生體系在氣升式反應器中凈化污水的能力。研究了藻-光合細菌共固定化、固定化方式對固定化光合細菌-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，具有突出的現實意義，為污水的深度處理提供一種處理技術和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

藻種:小球藻(Chlorella)由遼寧師范大學藻類生理學實驗室提供;菌種:紫色非硫光合細菌(Rhodopseudomonas poultries)由大連理工大學環(huán)境生物工程實驗室提供。

1.2 方法

1.2.1 小球藻、光合細菌培養(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)，每天用血球計數板計數，記錄生長曲線，取靜止初期藻細胞進行實驗。

將厭氧紫色非硫細菌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℃、轉速150 r·min-1條件下培養(yǎng)?？梢姽?60 nm處測吸光度，繪制生長曲線，取對數期光合細菌進行實驗。

1.2.2 固定化

藻類固定化:藻細胞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號針頭注射器滴入預冷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)基反復洗滌，放培養(yǎng)基中恢復一夜，用于去污實驗。

光合細菌固定化: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器中為共固定化方式一，分別共固定。將藻、菌固定在同一個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質量濃度為15.5 mg·L-1P質量濃度為1.5 mg·L-1，COD質量濃度為200 mg·L-1的人工污水。

1.2.4 去污反應設計及反應條件

400個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器中去污。自研制氣升式反應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、進和出氣管組成)、光照系統(tǒng)(環(huán)形燈管)和流量計等部分組成。每個固定化藻膠球包埋藻細胞約228萬個，每個固定化菌膠球細菌干重為1.78 mg。去污溫度為(24±2)℃，冷熒光，光強為2 500～2 700 lx，光周期為12∶12。共固定化實驗，放入膠球總數為400個。一定時間取出15 mL污水用于分析氨氮、磷酸鹽和COD。

1.2.5 指標測定

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

2 結果與討論

2.1 固定化菌、藻及共固定化對氮、磷及COD去除的影響

2.1.1 固定化菌、藻及共固定化對NH+4-N去除的影響(如圖1)

圖1 固定化菌、藻及共固定化對NH+4-N去除的影響

由圖1可知，菌藻共固定化對NH+4-N的去除率明顯高于單獨固定化菌、藻，4 h后去除率達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84%。固定化菌對NH+4-N去除率最低，16 h后達50%左右。由此表明，共固定化菌藻比菌、藻單獨處理污水脫氮效率高。在共同生長過程中，各自不同的生長狀況和不同的生物代謝過程，包括物質的吸收、分泌等，很可能是光合細菌與藻類互作過程及相互作用發(fā)生的內在機制。進一步研究光合細菌與藻類生長的生理生化機制和生理生態(tài)關系十分必要。

2.1.2 固定化菌、藻及共固定化對PO3-4-P去除的影響(如圖2)

圖2 固定化菌、藻及共固定化對PO3-4-P去除的影響

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

2.1.3 固定化菌、藻及共固定化對COD去除的影響(如圖3)

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

圖3 固定化菌、藻及共固定化對COD去除的影響

由圖3可知，共固定菌藻對COD的去除與固定化菌相當，16 h分別達到52%和50%，說明光合細菌對有機物主要起降解作用。

2.2 菌藻共固定化方式對氮、磷及COD去除的影響

2.2.1 菌藻共固定化方式對NH+4-N的去除率(如圖4)

圖4 菌、藻共固定化方式對NH+4-N的去除率

由圖4可知，兩種共固定化方式對NH+4-N的去除率在同一時間內差異不顯著，二者均在8 h達到最大值，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PO3-4-P的去除率(如圖5)

圖5 不同菌藻共固定化方式對PO3-4-P的去除率

由圖5可知，兩種共固定化方式對磷的去除率在反應時間0～12 h內，前者略高于后者，在12 h時去除率分別達到96%和94%。隨后兩者對磷的去除基本相同。

2.2.3 菌藻共固定化方式對COD的去除率(如圖6)

圖6 菌藻共固定化方式對COD的去除率

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

作者在前期對小球藻去除氮、磷的研究的基礎上，結合藻和菌在去除水體中氮、磷和COD方面各自的優(yōu)勢，設計開發(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。本實驗的結果充分證明所設計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)應用前景。

3 結論

共固定化光合細菌-藻細胞在氣升式光生物反應器中能夠有效地進行脫氮除磷，并去除低濃度有機物。菌藻共固定化對NH+4-N的去除率明顯高于單獨的固定化菌、藻。共固定化處理的兩種方式對脫氮、除磷和有機物去除無顯著影響。藻菌的生長狀況和不同的生物代謝過程，很可能是光合細菌與藻類互作過程及相互作用發(fā)生的內在機制。有必要進一步研究光合細菌與藻類生長的生理生化機制和生理生態(tài)關系。

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

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