斜生栅藻培养基优化及菌藻共生体系处理污水

宋志伟,　王秋旭,　李立欣,　高云鹏,　赵红利

(黑龙江科技大学 环境与化工学院, 哈尔滨 150022)



斜生栅藻培养基优化及菌藻共生体系处理污水

宋志伟,王秋旭,李立欣,高云鹏,赵红利

(黑龙江科技大学 环境与化工学院, 哈尔滨 150022)

为建立适用于模拟污水处理的菌藻共生体系,通过模拟污水的适应性分析,选定斜生栅藻为共生藻种,以BBM为基础培养基对其生长条件进行优化,并建立好氧颗粒污泥和藻类的共生体系进行模拟污水处理。结果表明:斜生栅藻的最适生长条件,接种量为10%,培养基的初始pH为7.5,C6H12O6和NH4Cl的质量浓度分别为1 500和300 mg/L。好氧颗粒污泥和斜生栅藻的共生体系对污水COD、NH3-N、TP的去除率分别为93.89%、87.64%、91.35%,优于单独的斜生栅藻和单独的好氧颗粒污泥,可以提高模拟污水中有机物和氮、磷的同步去除效果。

斜生栅藻; 培养基优化; 菌藻共生; 模拟污水

0　引　言

随着我国工业化进程的加速和经济的持续发展,水体有机污染问题日趋严重。大量的氮、磷营养物质进入水体环境,导致水体富营养化污染现象日益突出,污水的脱氮除磷技术成为污水处理领域的热点和难点问题。生物处理技术作为有效、最具环境效益的污水处理方法,得到广泛应用。能满足特定的污水处理要求的新工艺也不断被提出,其中,污泥颗粒化技术因其自身的优势而备受关注。

污泥颗粒化是微生物细胞自身固定化的一种形式,最终形成边界清晰、外观为球形或椭圆形的密实颗粒[1]。好氧颗粒污泥能处理含有有机物、氮、磷和有毒、有抑制性物质的污水。但有研究表明,好氧颗粒污泥对氮、磷的去除效果不太理想[2]。

藻类可以利用太阳能和氮、磷等营养物质通过光合作用合成细胞物质,藻类对氮、磷的去除能力较好。藻类去除污水中的氮、磷等营养元素的机理分为两种:一种为直接作用,利用生物学原理,藻类为了自身的生长和繁殖而主动去吸收污水中氮、磷转化为自身生长的营养物质[3]。另外一种是间接方式,利用物理化学作用,当藻类在污水中生长繁殖速度较快时,会使污水中的pH增高,改变周围环境的物化特性,促进NH3的挥发及磷酸盐沉淀,从而达到脱氮除磷的效果[4]。

藻类对污水中氮、磷有一定的去除效果,但藻类处理污水面临的问题是污水中部分有机物难以被藻类高效吸收、转化[5]。因此,将藻类与细菌对有机物降解能力有效结合,形成菌藻共生系统。藻类通过光合作用释放氧气,供给好氧异养型微生物进行代谢活动,好氧异养型微生物对有机物氧化分解,代谢产生的二氧化碳和无机氮、磷化合物,供给藻类光合作用所需的碳源和营养,如此循环,形成菌藻之间互生的关系,称之为“菌藻共生”[6]。从而提高污水中氮、磷和有机物的去除率。

郑耀通等[7]利用建立的小球藻(Chlorella)与螺旋藻(Spirulina)、光合细菌(Photosynthetic bacteria)、硝化细菌(Nitrobacteria)建立菌-藻共生体系处理含氨氮的污水。王高学等[8]以正交法建立了由栅藻(Scencdesmus obliquus)、小球藻(Chlorella vulgans)、亚硝化细菌(Nitrite bacteria)、硝化细菌(Nitrate bacteria)组成的藻-菌共生系统,利用最佳配比去除氨氮和亚硝酸氮,去除率高于单藻和单菌。但现有的研究多采用的是单一菌种和普通活性污泥,好氧颗粒污泥和藻类形成的菌藻共生体系报道鲜见。

为建立好氧颗粒污泥和藻类的共生体系,笔者通过污水的适应性实验,选用斜生栅藻为共生藻种,探讨最适合斜生栅藻生长的条件,以BBM培养基为基础培养基对其生长条件进行优化,建立菌藻共生体系,并进行污水处理的实验研究,以期为在污水中建立好氧颗粒污泥和藻类的共生系统奠定基础。

1　实验与测定

实验所用的斜生栅藻为栅藻科、栅藻属,由暨南大学水生生物研究中心提供。

实验采用模拟污水,其组成见表1,其中微量元素组成见表2。模拟污水水质指标见表3。

表1模拟污水成分

Table 1　Constitutes of simulate wastewater　mg/L

表2　微量元素组成

表3　模拟污水水质

实验以BBM为培养基, 其组成见表4。

培养方法是在带有封口膜的250 mL锥形瓶中,加入100 mL培养基,高温高压灭菌后,加入实验藻液,在30±1 ℃下培养,光源为日光灯,光照强度为4 000 lx,全天光照,培养周期为7 d,每天摇动藻液三次,并随机交换锥形瓶位置,使光照差异降至最低。每天在同一时间取样测其吸光度。

表4　BBM培养基组成

藻生物量的测定采用浊度比色法,实验采用752紫外可见分光光度计,在波长680 nm处测定培养液的吸光值(A680)[9]。实验数据采用Origin8.0进行统计分析。

2　结果与分析

2.1接种量对斜生栅藻生长的影响

接种量是影响藻类生长的重要因素,以BBM为培养基,实验中按体积比为5%、10%、15%、20%、25%的接种量进行接种培养。按照培养方法,每天定时取样测其吸光值(A680),对斜生栅藻的生长情况进行测定,其生长曲线见图1，其中,t为培养时间。

图1　接种量对斜生栅藻生长的影响

如图1所示,当接种量为5%、斜生栅藻生长缓慢、吸光度较低、接种量为25%时,斜生栅藻生长较快,当接种量为10%时,斜生栅藻的生长状况良好,第五天的吸光度超过投加量25%的吸光度。可见,接种量过小,藻细胞密度太小,斜生栅藻生长缓慢,但接种量大,藻细胞密度过大,初始生长速度快,后期因营养供给不足其生长受限。因此,接种量为10%,对斜生栅藻的生长最为有利。

2.2初始pH对斜生栅藻生长的影响

培养基的pH是藻类生长环境的重要理化指标,以BBM为培养基,接种量为10%,用0.1 mol/L的NaOH和0.1 mol/L的HCl溶液将培养基的初始pH调至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0,按照培养方法,每天定时取样测其吸光值(A680),对斜生栅藻的生长情况进行测定,结果如图2所示。

图2　初始pH对斜生栅藻生长的影响

由图2可知,当pH在6.5～7.5时,斜生栅藻生长状况较好,吸光度较高。当培养基的初始pH为6.0或8.0时,斜生栅藻的颜色由绿色变成黄色,斜生栅藻生长缓慢,吸光度较低。最适合斜生栅藻生长的培养基初始pH为7.5。该pH与模拟污水处理所需的pH相符。

2.3碳源对斜生栅藻生长的影响

碳元素是构成细胞的骨架元素,细胞内任何物质的合成都离不开碳元素的参与。在不添加外加碳源的情况下,微藻主要利用光照进行光合自养生长。在外加碳源和一定光照条件下,微藻进行阶段性光合自养和异养的兼养生长[10]。BBM培养基中没有碳源,因此,在BBM培养基中外加碳源,分别选用C6H12O6、C12H22O11、CH3COONa、NaHCO3、Na2CO3,质量浓度为1 000 mg/L,接种量为10%,pH为7.5,按照培养方法进行对比培养。每天定时取样测其吸光值(A680),测定斜生栅藻的生长情况。其生长曲线见图3。

图3　不同碳源对斜生栅藻生长的影响

如图3所示,在相同质量浓度碳源情况下,C6H12O6的长势好于其他的碳源,C12H22O11和CH3COONa、NaHCO3和Na2CO3长势差别不大,故选择C6H12O6为斜生栅藻生长的最佳碳源。

以BBM为培养基,C6H12O6为外加碳源,分别选取质量浓度750、1 000、1 250、1 500、1 750 mg/L,进一步探讨其最适生长浓度,接种量为10%,pH为7.5,按照培养方法,每天定时取样测其吸光值(A680),测定斜生栅藻的生长情况。其生长曲线见图4。

图4　不同质量浓度的C6H1206对斜生栅藻生长的影响

如图4所示,以外加葡萄糖为碳源时,斜生栅藻可以直接利用葡萄糖进行呼吸代谢,随着初始C6H12O6质量浓度的增加,有利于斜生栅藻的生长,吸光度逐渐增大,但当C6H12O6质量浓度为1 750 mg/L时,生长状况不好。在藻液中添加高浓度的葡萄糖时,藻液的渗透压发生了相应的改变,过高的渗透压导致藻细胞在营养代谢上要耗费更多的能量。此外,更高的渗透压则导致细胞内外渗透压的差别使藻类脱水死亡[11]。这说明添加1 500 mg/L的葡萄糖大大促进了斜生栅藻的生长,此后,再增加葡萄糖的投加量对斜生栅藻生长的促进作用无明显提高,斜生栅藻的生长速率与碳源浓度不呈正比。因此,当C6H12O6为碳源,初始质量浓度为1 500 mg/L,为斜生栅藻最适合生长浓度。

2.4氮源对斜生栅藻生长的影响

氮是藻类生长必需的大量元素之一,氮的浓度对藻细胞的生长具有重要的作用。将BBM培养基中的氮源换成CO(NH2)2、NH4Cl以及NaNO3,质量浓度为250 mg/L,接种量为10%,pH为7.5,进行对比实验。按照培养方法,测定其生长情况,生长曲线见图5。

图5　不同氮源对斜生栅藻生长的影响

如图5所示,NaNO3长势最好,NH4Cl次之,尿素对斜生栅藻的生长影响不大。

以优化后的BBM为培养基,接种量为10%,pH为7.5,研究不同质量浓度的NH4Cl对斜生栅藻生长的影响。生长曲线见图6。

如图6所示,斜生栅藻在初始NH4Cl质量浓度为300 mg/L时,生长明显好于其他初始浓度下的,培养至第六天吸光度达到最大值。由此可见,初始NH4Cl质量浓度为300 mg/L时,最适合斜生栅藻生长。斜生栅藻最适生长的NH4Cl质量浓度,与模拟污水中NH4Cl的质量浓度相近。因此,NH4Cl质量浓度300 mg/L为斜生栅藻的最适合氮源。

图6　不同浓度的NH4Cl对斜生栅藻生长的影响

3　共生体系处理模拟污水

为建立好氧颗粒污泥和斜生栅藻的共生体系,将在摇床中驯化后的粒径大于1 mm、质量浓度为5 000 mg/L的好氧颗粒污泥泥水混合物，与在模拟污水中驯化后的1 000 mg/L的斜生栅藻,按体积比为2∶1直接混合,组成150 mL的共生体系,加入250 mL的锥形瓶中,放入摇床中进行培养。摇床转速150 r/min,温度30 ℃,循环周期48 h。在240 h之后,通过X射线荧光光谱分析表明,共生体系各元素相对于斜生栅藻和好氧颗粒污泥本身都发生了相应的变化,共生体系已形成。

为探讨菌藻共生体系对模拟污水的处理效果,进行单独斜生栅藻、单独好氧颗粒污泥与菌藻共生体系对模拟污水处理的对比实验,培养时间48 h。第一组:斜生栅藻系,由50 mL在污水中驯化的质量浓度为1 000 mg/L的斜生栅藻和100 mL模拟污水组成;第二组:好氧颗粒污泥系,由粒径大于1 mm、质量浓度为5 000 mg/L的好氧颗粒污泥泥水混合物100 mL，50 mL模拟污水组成;第三组:按好氧颗粒污泥与斜生栅藻的体积比为2∶1组成150 mL模拟污水,进行模拟污水处理对比实验,定期取样测定其COD、NH3-N、TP去除率,结果见图7。

如图7所示,三个系统的同步实验显示,单独斜生栅藻对模拟污水的COD、NH3-N以及TP的去除率为7.83%、14.72%、18.97%;单独好氧颗粒污泥对模拟污水的COD、NH3-N以及TP的去除率为84.74%、78.31%、70.63%;好氧颗粒污泥和斜生栅藻的共生体系对模拟污水的COD、NH3-N以及TP的去除率为93.89%、87.64%、91.35%。共生体系对模拟污水COD、NH3-N以及TP的去除率优于单独的斜生栅藻和单独的好氧颗粒污泥。

图7　三个体系对COD、NH3-N、TP的去除率

在好氧颗粒污泥和斜生栅藻共生体系中,斜生栅藻在生长过程中,能够利用光能和CO2进行光合作用,产生的O2被好氧颗粒污泥所利用,好氧颗粒污泥新陈代谢产生的CO2提供给斜生栅藻,因此提高了好氧颗粒污泥和斜生栅藻的活性。好氧颗粒污泥与斜生栅藻同时吸收同化模拟污水中的氮、磷,起到良好的脱氮除磷的效果。

4　结　论

(1)以BBM为基础培养基,通过对接种量、初始pH,以及培养基中碳、氮单因子的研究,优化了斜生栅藻的培养基。

(2)最适合斜生栅藻的生长条件为:接种量10%,培养基的初始pH 7.5,C6H12O6和NH4Cl的质量浓度分别为1 500 和300 mg/L。斜生栅藻的最适于C6H12O6和NH4Cl的质量浓度与模拟污水的质量浓度相近。

(3)好氧颗粒污泥和斜生栅藻的共生体系对模拟污水的COD、NH3-N以及TP的去除率分别稳定在93.89%、87.64%、91.35%,优于单独的斜生栅藻和单独的好氧颗粒污泥,可提高模拟污水中有机物和氮、磷的同步去除效果。

[1]王芳, 于汉英, 张兴文, 等. 进水碳源对好氧颗粒污泥特性的影响[J]. 环境科学研究, 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, 王辉, 等. 菌藻共生系统处理废水研究现状及发展前景[J]. 环境工程, 2014, 32(3): 34-37.

[6]易皓, 许振成, 虢清伟, 等. 藻菌共生系统处理富营养化河水效果研究[J]. 中国农村水利水电, 2013(12): 34-36.

[7]郑耀通, 吴小平, 高树芳. 固定化菌藻系统去除氨氮影响[J]. 江西农业大学学报: 自然科学版, 2003, 25(1): 99-102.

[8]王高学, 姚嘉赞, 王绥标. 复合藻-菌系统水质净化模型建立与净化养殖水体水质的研究[J]. 西北农业学报, 2006, 15(2): 22-27.

[9]季祥, 王金荣, 王新平, 等. 富油能源微藻斜生栅藻异养培养条件的优化[J]. 渔业现代化, 2011， 38(5): 1-6.

[10]彭文琴. 不同碳源和光照周期对三种微藻生长及油脂积累的影响[D]. 南昌: 南昌大学, 2012.

[11]杨胜勇. 藻类生长化学调控剂的筛选及其作用机制的研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 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.

(编辑徐岩)

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

黑龙江省自然科学基金项目(E201461);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541701)

宋志伟(1968-),女,黑龙江省哈尔滨人,教授,博士,研究方向:污水治理技术及工艺,E-mail:szwcyp@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.010

X703

2095-7262(2015)03-0274-06

A