宋志偉,　王秋旭,　李立欣,　高云鵬,　趙紅利

(黑龍江科技大學 環(huán)境與化工學院, 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 環(huán)境與化工學院, 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)基對其生長條件進行優(yōu)化,并建立好氧顆粒污泥和藻類的共生體系進行模擬污水處理。結(jié)果表明:斜生柵藻的最適生長條件,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污水COD、NH3-N、TP的去除率分別為93.89%、87.64%、91.35%,優(yōu)于單獨的斜生柵藻和單獨的好氧顆粒污泥,可以提高模擬污水中有機物和氮、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

隨著我國工業(yè)化進程的加速和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,水體有機污染問題日趨嚴重。大量的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)進入水體環(huán)境,導致水體富營養(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)域的熱點和難點問題。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?；夹g(shù)因其自身的優(yōu)勢而備受關(guān)注。

污泥顆?；俏⑸锛毎陨砉潭ɑ囊环N形式,最終形成邊界清晰、外觀為球形或橢圓形的密實顆粒[1]。好氧顆粒污泥能處理含有有機物、氮、磷和有毒、有抑制性物質(zhì)的污水。但有研究表明,好氧顆粒污泥對氮、磷的去除效果不太理想[2]。

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

藻類對污水中氮、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物難以被藻類高效吸收、轉(zhuǎn)化[5]。因此,將藻類與細菌對有機物降解能力有效結(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)型微生物進行代謝活動,好氧異養(yǎng)型微生物對有機物氧化分解,代謝產(chǎn)生的二氧化碳和無機氮、磷化合物,供給藻類光合作用所需的碳源和營養(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)、光合細菌(Photosynthetic bacteria)、硝化細菌(Nitrobacteria)建立菌-藻共生體系處理含氨氮的污水。王高學等[8]以正交法建立了由柵藻(Scencdesmus obliquus)、小球藻(Chlorella vulgans)、亞硝化細菌(Nitrite bacteria)、硝化細菌(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)性實驗,選用斜生柵藻為共生藻種,探討最適合斜生柵藻生長的條件,以BBM培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基對其生長條件進行優(yōu)化,建立菌藻共生體系,并進行污水處理的實驗研究,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　實驗與測定

實驗所用的斜生柵藻為柵藻科、柵藻屬,由暨南大學水生生物研究中心提供。

實驗采用模擬污水,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)

實驗以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,加入實驗藻液,在30±1 ℃下培養(yǎng),光源為日光燈,光照強度為4 000 lx,全天光照,培養(yǎng)周期為7 d,每天搖動藻液三次,并隨機交換錐形瓶位置,使光照差異降至最低。每天在同一時間取樣測其吸光度。

表4　BBM培養(yǎng)基組成

藻生物量的測定采用濁度比色法,實驗采用752紫外可見分光光度計,在波長680 nm處測定培養(yǎng)液的吸光值(A680)[9]。實驗數(shù)據(jù)采用Origin8.0進行統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1接種量對斜生柵藻生長的影響

接種量是影響藻類生長的重要因素,以BBM為培養(yǎng)基,實驗中按體積比為5%、10%、15%、20%、25%的接種量進行接種培養(yǎng)。按照培養(yǎng)方法,每天定時取樣測其吸光值(A680),對斜生柵藻的生長情況進行測定,其生長曲線見圖1，其中,t為培養(yǎng)時間。

圖1　接種量對斜生柵藻生長的影響

如圖1所示,當接種量為5%、斜生柵藻生長緩慢、吸光度較低、接種量為25%時,斜生柵藻生長較快,當接種量為10%時,斜生柵藻的生長狀況良好,第五天的吸光度超過投加量25%的吸光度?？梢?接種量過小,藻細胞密度太小,斜生柵藻生長緩慢,但接種量大,藻細胞密度過大,初始生長速度快,后期因營養(yǎng)供給不足其生長受限。因此,接種量為10%,對斜生柵藻的生長最為有利。

2.2初始pH對斜生柵藻生長的影響

培養(yǎng)基的pH是藻類生長環(huán)境的重要理化指標,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,每天定時取樣測其吸光值(A680),對斜生柵藻的生長情況進行測定,結(jié)果如圖2所示。

圖2　初始pH對斜生柵藻生長的影響

由圖2可知,當pH在6.5～7.5時,斜生柵藻生長狀況較好,吸光度較高。當培養(yǎng)基的初始pH為6.0或8.0時,斜生柵藻的顏色由綠色變成黃色,斜生柵藻生長緩慢,吸光度較低。最適合斜生柵藻生長的培養(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碳源對斜生柵藻生長的影響

碳元素是構(gòu)成細胞的骨架元素,細胞內(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行光合自養(yǎng)生長。在外加碳源和一定光照條件下,微藻進行階段性光合自養(yǎng)和異養(yǎng)的兼養(yǎng)生長[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)方法進行對比培養(yǎng)。每天定時取樣測其吸光值(A680),測定斜生柵藻的生長情況。其生長曲線見圖3。

圖3　不同碳源對斜生柵藻生長的影響

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

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,進一步探討其最適生長濃度,接種量為10%,pH為7.5,按照培養(yǎng)方法,每天定時取樣測其吸光值(A680),測定斜生柵藻的生長情況。其生長曲線見圖4。

圖4　不同質(zhì)量濃度的C6H1206對斜生柵藻生長的影響

如圖4所示,以外加葡萄糖為碳源時,斜生柵藻可以直接利用葡萄糖進行呼吸代謝,隨著初始C6H12O6質(zhì)量濃度的增加,有利于斜生柵藻的生長,吸光度逐漸增大,但當C6H12O6質(zhì)量濃度為1 750 mg/L時,生長狀況不好。在藻液中添加高濃度的葡萄糖時,藻液的滲透壓發(fā)生了相應(yīng)的改變,過高的滲透壓導致藻細胞在營養(yǎng)代謝上要耗費更多的能量。此外,更高的滲透壓則導致細胞內(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的葡萄糖大大促進了斜生柵藻的生長,此后,再增加葡萄糖的投加量對斜生柵藻生長的促進作用無明顯提高,斜生柵藻的生長速率與碳源濃度不呈正比。因此,當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濃度。

2.4氮源對斜生柵藻生長的影響

氮是藻類生長必需的大量元素之一,氮的濃度對藻細胞的生長具有重要的作用。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,進行對比實驗。按照培養(yǎng)方法,測定其生長情況,生長曲線見圖5。

圖5　不同氮源對斜生柵藻生長的影響

如圖5所示,NaNO3長勢最好,NH4Cl次之,尿素對斜生柵藻的生長影響不大。

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對斜生柵藻生長的影響。生長曲線見圖6。

如圖6所示,斜生柵藻在初始NH4Cl質(zhì)量濃度為300 mg/L時,生長明顯好于其他初始濃度下的,培養(yǎng)至第六天吸光度達到最大值。由此可見,初始NH4Cl質(zhì)量濃度為300 mg/L時,最適合斜生柵藻生長。斜生柵藻最適生長的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對斜生柵藻生長的影響

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模擬污水的處理效果,進行單獨斜生柵藻、單獨好氧顆粒污泥與菌藻共生體系對模擬污水處理的對比實驗,培養(yǎng)時間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,進行模擬污水處理對比實驗,定期取樣測定其COD、NH3-N、TP去除率,結(jié)果見圖7。

如圖7所示,三個系統(tǒng)的同步實驗顯示,單獨斜生柵藻對模擬污水的COD、NH3-N以及TP的去除率為7.83%、14.72%、18.97%;單獨好氧顆粒污泥對模擬污水的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%。共生體系對模擬污水COD、NH3-N以及TP的去除率優(yōu)于單獨的斜生柵藻和單獨的好氧顆粒污泥。

圖7　三個體系對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,斜生柵藻在生長過程中,能夠利用光能和CO2進行光合作用,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)于單獨的斜生柵藻和單獨的好氧顆粒污泥,可提高模擬污水中有機物和氮、磷的同步去除效果。

[1]王芳, 于漢英, 張興文, 等. 進水碳源對好氧顆粒污泥特性的影響[J]. 環(huán)境科學研究, 2005, 18(2): 84-88.

[2]SCHWARZENBECK N, BORQES J M, WILDERER P A. Treatment of dairy effluents in an aerobic granular sludge sequencing batch reactor[J]. Appl Microbiol Biot, 2005, 66(6): 711-718.

[3]OGBONNA J C, YOSHIZAWA H, TANAKA H. Treatment of high strength organic wastewater by a mixed culture of photosynthetic microorganisms[J]. Journal of Applied Phycology, 2000, 12(3-5): 277-284.

[4]LAU P S, YAM N F Y, WONG Y S. Effect of algal density on nutrient removal from primary settled wastewater[J]. Environmental Pollution, 1995, 89(1): 59-66.

[5]巫小丹, 阮榕生, 王輝, 等. 菌藻共生系統(tǒng)處理廢水研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 環(huán)境工程, 2014, 32(3): 34-37.

[6]易皓, 許振成, 虢清偉, 等. 藻菌共生系統(tǒng)處理富營養(yǎng)化河水效果研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2013(12): 34-36.

[7]鄭耀通, 吳小平, 高樹芳. 固定化菌藻系統(tǒng)去除氨氮影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學學報: 自然科學版, 2003, 25(1): 99-102.

[8]王高學, 姚嘉贊, 王綏標. 復合藻-菌系統(tǒng)水質(zhì)凈化模型建立與凈化養(yǎng)殖水體水質(zhì)的研究[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報, 2006, 15(2): 22-27.

[9]季祥, 王金榮, 王新平, 等. 富油能源微藻斜生柵藻異養(yǎng)培養(yǎng)條件的優(yōu)化[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 2011， 38(5): 1-6.

[10]彭文琴. 不同碳源和光照周期對三種微藻生長及油脂積累的影響[D]. 南昌: 南昌大學, 2012.

[11]楊勝勇. 藻類生長化學調(diào)控劑的篩選及其作用機制的研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學, 2006.

[12]PRZULOCKA-JUSIAK M, DUSIOTA M, MATUSIAK K, et al. Intensive culture of chlorella vulgaris/AA as the second stage of biological purification of nitrogen industry wastewater[J]. Wat Res, 1984, 18(1): 1-7.

(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

黑龍江省自然科學基金項目(E201461);黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(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