固定化藻球的強(qiáng)化研究

摘要：為解決褐藻膠球在含磷污水中結(jié)構(gòu)易疏松、小球藻易泄漏及膠球易破碎的問題，進(jìn)行了添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１％的活性炭和CaCl2溶液浸泡固定化藻球的加固強(qiáng)化的試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用添加活性炭的方法可以很好地改進(jìn)固定化小球的性能，其最佳的添加量為海藻酸鈉凝膠的１％；加固膠球系統(tǒng)對(duì)氨氮（ＮＨ４＋－Ｎ）的去除率持續(xù)增加，最高可增至８０％左右；對(duì)正磷酸鹽（ＰＯ４３－－Ｐ）也有較好地去除效果，去除率可達(dá)９６％以上；膠球經(jīng)過加固后，膠球內(nèi)藻細(xì)胞密度得到較大提高，固定化性能得到改善。

關(guān)鍵詞：固定化藻類；活性炭；加固強(qiáng)化；脫氮除磷

中圖分類號(hào)：Ｘ７０３．１ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０11）11－2204-03

Study on the Enhancement of Immobilized Chlorella Balls' Performance

ＹＡＮ Ｑｉｎｇ，ＦＥＮＧ Ｇｕｏ－ｚｈｏｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４７， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： To solve the problems that chlorella balls loose their integrity and algae cells leach easily in the wastewater with phosphate， 1% of activated carbon was added into the balls and then hardened by marinating in CaCl2 solution. The results showed that adding activated carbon could improve the performance of immobilized chlorella balls， and the optimal adding amount of activated carbon was 1 percent of alginate sodium. Hardening could enhance the ability of immobilized chlorella balls in removing NH4+-N and PO43--P from waste water and improve the density of chlorella in ball. The removal efficiency of hardened chlorella balls of NH4+-N and PO43--P were above 80% and 96% respectively.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ； ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ； ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ； ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ

采用固定化微生物技術(shù)，利用載體（海藻酸鈉凝膠）通過物理或化學(xué)方法將藻細(xì)胞固定形成固定化藻類系統(tǒng)凈化污水是近年來在污水脫氮除磷工藝研究中的一個(gè)重要研究方向，它將菌藻做包埋處理后應(yīng)用于污水的生物處理［１－４］；具有生物濃度高，反應(yīng)速率快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，藻細(xì)胞易于收獲，Ｎ、Ｐ營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果較高等優(yōu)勢(shì)；解決了傳統(tǒng)懸浮藻系統(tǒng)存在的缺陷，且提高了微生物抗沖擊負(fù)荷能力。目前，國(guó)內(nèi)的研究大多仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，主要由于在實(shí)際應(yīng)用過程中存在以下問題：一是固定化載體易腐化，變脆易碎，還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用中對(duì)壓力、流速的要求，反復(fù)使用效果欠佳；二是相對(duì)傳統(tǒng)活性污泥法成本較高；三是膠球內(nèi)細(xì)胞濃度比較高時(shí)容易出現(xiàn)細(xì)胞泄漏的問題。因此，提高固定化細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度和活性是固定化細(xì)胞技術(shù)所需解決的主要問題。

為克服高包埋藻密度滲漏及膠球破碎的問題，本研究進(jìn)行了膠球內(nèi)添加活性炭及采用ＣａＣｌ２溶液浸泡對(duì)褐藻膠膠球進(jìn)行強(qiáng)化加固的試驗(yàn)；結(jié)果表明對(duì)固定化藻球的加固強(qiáng)化可減少小球藻的泄漏量，提高處理效果，使褐藻膠包埋小球藻更適合污水的實(shí)際處理；現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

１材料與方法

１．１主要材料

１．１．１試劑海藻酸鈉，化學(xué)純，浙江溫州助劑廠生產(chǎn)；其余試劑為市售分析純或優(yōu)級(jí)純。

１．１．２試驗(yàn)藻種由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所提供，藻種為普通小球藻（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｇａｒｉｕｓ）。

１．１．３實(shí)際污水取自廣州市獵德污水處理廠沉砂池，原水的水質(zhì)指標(biāo)為：氨氮（ＮＨ４＋－Ｎ）１５～３０ ｍｇ／Ｌ、化學(xué)需氧量（ＣＯＤ）１８０～２００ ｍｇ／Ｌ、正磷酸鹽（ＰＯ４３－－Ｐ）１～３ ｍｇ／Ｌ。使用前沉淀過濾。

１．１．４儀器紫外可見分光光度計(jì)，ＵＶ ７５１ＧＤ型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；高壓滅菌鍋，ＣＬ－３２Ｌ型，日本Ｔｏｋｙｏ ＡＬＰ公司；磁力加熱攪拌器，７９－１型，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司。

１．２方法

１．２．１菌藻的固定化菌藻的固定化方法參照文獻(xiàn)［４］。

１．２．２添加活性炭在海藻酸鈉凝膠中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０％、０．５％、１．０％、２．０％、３．０％、４．０％的活性炭，制備固定化小球，固定化方式為先用活性炭吸附一定量的菌體后，再用海藻酸鈉進(jìn)行包埋固定。

１．２．３加固固定化膠球加固膠球系統(tǒng)在每完成一個(gè)反應(yīng)循環(huán)后，將膠球重新浸泡于３％的ＣａＣｌ２護(hù)理溶液中進(jìn)行１６ ｈ的膠球再硬化加固，然后用蒸餾水充分清洗膠球后置入新鮮污水中進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。以加固前的普通膠球系統(tǒng)（試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，每完成一次循環(huán)后，用新鮮的污水替換處理后的污水進(jìn)行新的循環(huán)）為對(duì)照。兩個(gè)系統(tǒng)均進(jìn)行4個(gè)循環(huán)。

１．２．４膠球機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定隨機(jī)抽?。戳Ｐ∏颍ǜ鞣N小球的形狀大小相似），在水平玻璃面上擺成正方形，在小球上放一培養(yǎng)皿，在培養(yǎng)皿上慢慢加砝碼（砝碼的質(zhì)量由小到大），用肉眼仔細(xì)觀察，直至海藻酸鈉膠球出現(xiàn)變形，記錄小球變形前所承受的最大質(zhì)量。

１．２．５理化檢驗(yàn)法［５］ＮＨ４＋－Ｎ的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法；ＰＯ４３－-Ｐ的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。

２結(jié)果與分析

２．１活性炭對(duì)膠球強(qiáng)度及氮磷去除效果的影響

固定化后的小球與污水以體積比為１∶１０的比例投入人工污水（在無氮、磷的Dauta培養(yǎng)基內(nèi)添加NH4Cl和KH2PO4配制而成，污水中ＮＨ４＋－Ｎ和ＰＯ４３－－Ｐ的濃度分別為３１．１８、４．０１ ｍｇ／Ｌ）處理試驗(yàn)中。圖１為處理污水１ ｄ后的膠球強(qiáng)度和對(duì)污水的脫氮除磷效果，由圖１可知，活性炭添加量有一個(gè)對(duì)應(yīng)的最佳脫氮除磷及機(jī)械強(qiáng)度值；綜合考慮，１％的添加量的效果較好。圖２顯示了添加活性炭后的固定化藻球在倒置熒光顯微鏡（ＥＣＬＩＰＳＥＴＥ ２０００－Ｕ，Ｎｉｋｏｎ）下放大６００倍的顯微結(jié)構(gòu)，由圖２可知，小球藻首先被吸附在活性炭的孔道內(nèi)，然后被包埋在海藻酸鈉載體中。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需依次通過海藻酸鈉、活性炭才被吸收利用，從而達(dá)到脫氮除磷的效果。因此，建議使用海藻酸鈉同時(shí)包埋固定一定量的藻和活性炭，使污染物質(zhì)僅通過海藻酸鹽就能被微生物降解，從而提高降解速度及相對(duì)活性，且活性炭的存在又有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。

２．２固定化膠球加固結(jié)果

２．２．１強(qiáng)化固定化小球藻的氮磷去除情況

１）氨氮去除效果。由圖３可知，在第１個(gè)循環(huán)末期，普通膠球系統(tǒng)（由于普通膠球系統(tǒng)在第３個(gè)周期結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)有細(xì)胞泄漏，所以只進(jìn)行了３個(gè)循環(huán)周期）和加固膠球系統(tǒng)的ＮＨ４＋－Ｎ去除率差別不大，均在４７％左右。從第２個(gè)循環(huán)開始，普通膠球系統(tǒng)的ＮＨ４＋－Ｎ去除率變幅不大，維持在４７％左右；而對(duì)加固膠球系統(tǒng)來說，由于膠球在新的循環(huán)開始前得到了加固，其最大藻細(xì)胞密度出現(xiàn)的時(shí)間推遲并在數(shù)量上大大增加，因此整個(gè)系統(tǒng)藻細(xì)胞對(duì)氨氮的吸收同化量有所增加，ＮＨ４＋－Ｎ去除率得以提高；至第４個(gè)循環(huán)周期末，去除率提高到８０％左右。

２）正磷酸鹽去除效果。由圖４可知，在第１個(gè)循環(huán)周期末，普通膠球系統(tǒng)和加固膠球系統(tǒng)的ＰＯ４３－－Ｐ去除率差異不大，分別為７８．８７％和８１．３９％。但之后，兩個(gè)系統(tǒng)的ＰＯ４３－－Ｐ去除率的差異逐漸增大，普通膠球系統(tǒng)的ＰＯ４３－－Ｐ去除率逐漸減低，在第２、３個(gè)循環(huán)周期末分別降至５１．７６％和３４．６８％；而加固膠球系統(tǒng)對(duì)ＰＯ４３－－Ｐ的去除率明顯提高，在第２個(gè)循環(huán)周期末增至９６．０７％，ＰＯ４３－－Ｐ幾乎全部被降解，此后循環(huán)的去除率均維持在９６％以上。這可能存在兩方面的原因，其一可能跟系統(tǒng)中藻細(xì)胞數(shù)量增加，對(duì)磷的同化吸收有所增加有關(guān)；另外，有研究表明，藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收效率能大大超出單細(xì)胞藻類的生長(zhǎng)速率。

２．２．２膠球強(qiáng)化后小球藻的生長(zhǎng)由圖５可知，加固膠球系統(tǒng)相對(duì)于普通膠球系統(tǒng)有較高的藻生長(zhǎng)速度。普通固定化膠球最大細(xì)胞量為７．５１×１０６個(gè)藻細(xì)胞／球，膠球經(jīng)過加固后，在試驗(yàn)進(jìn)行的幾個(gè)循環(huán)中最大細(xì)胞量達(dá)１．０７×１０７個(gè)藻細(xì)胞／球，固定化性能得到大大改善。

３小結(jié)與討論

１）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用添加活性炭的方法可以很好地改進(jìn)固定化小球的性能，其最佳添加量為海藻酸鈉凝膠的１％。作為一種天然高分子物質(zhì)，海藻酸鈉易被水中的各種離子侵蝕，使固定化細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)遭到破壞。由于固定化微生物的活性主要集中在凝膠表層，因此可以添加一些多孔載體，如硅藻土、活性炭等，它們?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢愿淖兡z內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成一種具有網(wǎng)狀“通道”的凝膠結(jié)構(gòu)，從而人為地增加許多條底物和產(chǎn)物的“通道”，改進(jìn)其內(nèi)部組成，改善其傳質(zhì)性能，提高其機(jī)械強(qiáng)度，提高凝膠的活性，阻止小球變形［６，７］?；钚蕴渴且环N很好的吸附載體，用活性炭吸附法制備的固定化微生物具有很高的活性，但微生物與載體的結(jié)合力弱，易被解吸而流失。

２）加固膠球系統(tǒng)對(duì)ＮＨ４＋－Ｎ的去除率持續(xù)增加，在第4個(gè)循環(huán)周期末可增至８０％左右；對(duì)ＰＯ４３－－Ｐ也有較好的去除效果，去除率可達(dá)９６％以上。和聚磷菌相似，藻細(xì)胞在被短暫地剝奪了氮和磷兩種元素后，再重新放入培養(yǎng)基中，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)兩種元素的過量吸收。加固膠球系統(tǒng)在每個(gè)循環(huán)周期后被投入到ＣａＣｌ２溶液中加固16 h，使微藻細(xì)胞被暫時(shí)地剝奪了氮和磷兩種重要元素，當(dāng)重新放入含有氮磷的污水中后，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)兩種元素的過量吸收。

３）加固膠球系統(tǒng)中膠球內(nèi)藻細(xì)胞密度得到較大提高，膠球經(jīng)過加固后，固定化性能得到改善。在普通膠球系統(tǒng)中，由于Ｃａ２＋的濃度不斷地被新一循環(huán)的污水所稀釋，褐藻酸鈣結(jié)合Ｃａ２＋的古洛糖醛酸部分逐漸地喪失Ｃａ２＋，從而使膠質(zhì)結(jié)構(gòu)變得越來越疏松，保持或結(jié)合藻細(xì)胞的能力下降。在膠質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松至一定程度時(shí)，導(dǎo)致藻細(xì)胞的泄漏，試驗(yàn)最后一個(gè)循環(huán)周期也發(fā)現(xiàn)有細(xì)胞泄漏的問題，而經(jīng)過加固的系統(tǒng)則由于及時(shí)地補(bǔ)充了因稀釋而脫落掉的Ｃａ２＋，使各循環(huán)結(jié)束時(shí)的Ｃａ２＋都保持在較高的水平上，泄漏量要少得多，且延長(zhǎng)了膠球的使用壽命。褐藻膠包埋固定小球藻可通過膠球加固的方法加強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度，減少小球藻的泄漏；由于膠球內(nèi)部容積的有限性，而細(xì)胞增長(zhǎng)則是連續(xù)的，所以膠球有一個(gè)最大細(xì)胞密度，它主要取決于細(xì)胞的生長(zhǎng)及膠球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。隨著膠球內(nèi)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，一方面不斷地占用膠球的有限容積；另一方面，細(xì)胞增殖會(huì)削弱聚合鍵橋使其喪失結(jié)合藻細(xì)胞的能力。

參考文獻(xiàn)：

［１］ ＩＤＲＩＳ Ａ， ＳＵＺＡＮＡ Ｗ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ ａｌｇｉｎａｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ， ｂｅａｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ， ｉｎｉｔｉａｌ ｐＨ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｌａｃｔｉｃ ａｃｉｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｐｉｎｅａｐｐｌｅ ｗａｓｔｅ ｕｓｉｎｇ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｄｅｌｂｒｕｅｃｋｉｉ［Ｊ］． Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００６，４１（５）：１１１７－１１２３．

［２］ 唐艷葵，童張法，張寒冰，等． 固定化反硝化聚磷菌同步除磷脫氮實(shí)驗(yàn)研究［Ｊ］． 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，２００８，３１（１２）：５６－５８，１４９．

［３］ ＤＥ－ＢＡＳＨＡＮ Ｌ Ｅ， ＡＮＴＯＵＮ Ｈ， ＢＡＳＨＡＮ Ｙ． Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｚｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｕｐｔａｋｅ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ ｗｈｅｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏａｌｇｅａ ｇｒｏｗｔｈ－ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｂａｃｔｅｒｉｕｍ Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｂｒａｓｉｌｅｎｓｅ［Ｊ］． ＦＥＭＳ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ Ｅｃｏｌｏｇｙ， ２００５，５４（２）： １９７－２０３．

［４］ 嚴(yán)清，孫連鵬． 固定化菌藻系統(tǒng)及對(duì)污水中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化效果［Ｊ］． 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，２００９，１８（６）：２０８６－２０９０．

［５］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局． 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［Ｍ］． 第四版． 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，２００２．

［６］ 趙亞乾，楊鐳，李康敏，等． 海藻酸鈉包埋活性炭與活性污泥的固定化技術(shù)［Ｊ］． 上海環(huán)境科學(xué)，１９９７，１６（９）：２８－３０．

［７］ 馬子駿，陳志號(hào)． 固定化細(xì)胞技術(shù)及其應(yīng)用［Ｍ］． 銀川：寧夏人民出版社，１９９０．１－２．

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文