光合細菌-藻類共固定深度凈化污水的研究

王 冰，周集體，楊寶靈，鄧 月，烏云娜

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

微藻能夠高效、低耗地去除造成水體富營養化和其他污染的營養物質，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點。光合細菌能夠利用有機化合物進行異養生長，也可光合自養生長，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酵獲得能量。光合細菌主要用于工業廢水處理，如啤酒、肉聯、味精、制藥廢水，同時得到的菌體還可開發，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

將小球藻無菌接種于含150 mL Dauta［8］培養基的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，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液體培養基的250 mL錐形瓶中，溫度30℃、轉速150 r·min-1條件下培養。可見光660 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、磷培養基反復洗滌，放培養基中恢復一夜，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(由電磁式空氣壓縮機、進和出氣管組成)、光照系統(環形燈管)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方面各自的優勢，設計開發了一套固定化藻菌污水連續化處理系統，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在同步高效去除氮、磷和COD方面具有較好的工業應用前景。

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關系。

在未來的新型污水處理系統中，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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