吳丹丹， 張喬丹， 黃 鑫

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)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(duì)改善水體環(huán)境至關(guān)重要。目前，國(guó)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(jié)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(yùn)用菌-藻共生系統(tǒng)處理廢水的最大優(yōu)勢(shì)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)純?cè)?、?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(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度25 ℃，光照強(qiáng)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)。活性污泥取自污水處理廠二沉池，取回后悶爆處理去除有機(jī)質(zhì)，然后用人工配置的廢水馴化處理，人工廢水成分與實(shí)驗(yàn)廢水成分相同，每?jī)商鞊Q一次水。

1.2 菌-藻系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)組設(shè)置

實(shí)驗(yàn)設(shè)置4組：純?cè)骞庹战M、菌-藻1∶1光照組、純?cè)搴诎到M、菌-藻1∶1黑暗組，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)平行樣?？偵锪?00 mg，光照組時(shí)間設(shè)定24 h，光照強(qiáng)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(shè)置為25 ℃，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速280～300 r/min，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)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(jì)算小球藻和活性污泥的生物量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)組所需的生物量計(jì)算小球藻和活性污泥的體積，經(jīng)離心機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shè)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(jī)8 000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾頭，用于測(cè)定N、P含量和COD指標(biāo)，離心后的固相用于葉綠素A的測(cè)定。采用紫外分光光度法和鉬銻抗分光光度法測(cè)定N和P含量，重鉻酸鉀法測(cè)定COD，采用80%丙酮溶液浸提法測(cè)定小球藻葉綠素A[6]，在680 nm波長(zhǎng)下用紫外分光光度測(cè)定藻類OD值[7]，使用熒光顯微鏡觀察菌-藻形態(tài)。

2 結(jié)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?cè)?、?藻光暗組對(duì)NO3--N的去除情況如圖2所示。實(shí)驗(yàn)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(dá)到99%；純?cè)骞庹战M的NO3--N一直處于下降狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)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(shì)，實(shí)驗(yàn)第5 d下降到11.6 mg/L，去除率達(dá)到70%；純?cè)搴诎到M的NO3--N在實(shí)驗(yàn)第1 d有所下降(27 mg/L)，后續(xù)基本不變，去除率只有30%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，菌-藻組在黑暗條件下去除NO3--N效果優(yōu)于純?cè)褰M，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(shí)驗(yàn)第1 d PO43--P均出現(xiàn)下降。光照條件下菌-藻1∶1實(shí)驗(yàn)組在第2 d時(shí)PO43--P從4.6 mg/L下降至0.19 mg/L，去除率達(dá)到99%；純?cè)褰M在光照條件下PO43--P的含量一直處于下降狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)第5 d去除率達(dá)到99%。相對(duì)而言，黑暗條件下菌-藻組和純?cè)褰M對(duì)PO43--P的去除不明顯，在實(shí)驗(yàn)第1 d后PO43--P含量處于平穩(wěn)狀態(tài)，后期純?cè)褰M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(duì)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(jī)物[8]。光照有利于小球藻的光合作用產(chǎn)生氧氣，促進(jìn)PO43--P的消耗，黑暗限制了小球藻的光合作用，導(dǎo)致去除不理想。 相比于純?cè)褰M，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(jìn)PO43--P的去除。

2.1.3 COD去除

COD去除情況如圖4所示。實(shí)驗(yàn)第1 d，菌-藻組無論是黑暗還是光照條件下，對(duì)COD的去除速率比純?cè)褰M快。實(shí)驗(yàn)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(dá)到88%，這與NO3--N的去除情況相對(duì)應(yīng)，表明菌-藻對(duì)碳、氮的利用是協(xié)同進(jìn)行的。光可以作為在菌-藻混合模式中相關(guān)物質(zhì)吸收的促進(jìn)劑[9]。在光照條件下的菌-藻體系中，細(xì)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(jī)物，同時(shí)其產(chǎn)生的無機(jī)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(duì)菌-藻光照組實(shí)驗(yàn)前后的菌-藻形態(tài)進(jìn)行觀察。小球藻在顯微鏡下為綠色細(xì)胞體，熒光鏡檢時(shí)能夠發(fā)出紅光，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)期形態(tài)變化圖

2.3 小球藻生物量變化

通過測(cè)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(shí)驗(yàn)OD值和葉綠素A含量變化趨勢(shì)相同。由圖7可知，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期光照條件下的純?cè)褰M和菌-藻組小球藻都有一定的生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)前兩天菌-藻組生長(zhǎng)速率更快。實(shí)驗(yàn)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?cè)骞庹战M由3.2 mg/L增至5.1 mg/L增幅為59.3%。黑暗條件對(duì)純?cè)褰M小球藻的生長(zhǎng)有較大影響，在實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致后期純?cè)搴诎到M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(shí)驗(yàn)前期有一定的上升，后期出現(xiàn)緩慢下降，黑暗條件對(duì)菌-藻組中小球藻的影響較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

在光照、黑暗條件下對(duì)比研究了純?cè)褰M和菌-藻組對(duì)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(dá)到 88%、99%、99%。光照條件更有利于菌-藻體系小球藻的生長(zhǎng)，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(duì)純?cè)褰M處理污染物效果影響較大。通過熒光顯微鏡對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)形成了良好的共生系統(tǒng)。