蛋白核小球藻藻类生物膜去除镉的实验研究

廖运生，魏群，朱宇轩，曹欣

(广西大学 资源环境与材料学院， 广西 南宁 530004)

0 引言

藻类生物膜污水处理技术是一种依赖藻类生物膜自身的代谢以及相应的物理、化学过程去除污水中有机物、氮、磷等营养元素及其他污染物的新方法[1-2]。藻类细胞群凭借静电吸附作用力以及藻类代谢分泌物的黏附作用，附着生长固定到载体表面而逐渐形成藻类生物膜[3]。该技术可以有效降低污水中营养物质含量、减少出水中藻类生物量，增加溶解氧浓度，从而优化水质[4]。同时，有研究者利用藻类生物膜构建膜生物反应器，在光合自养条件下对城市污水进行深度处理，通过调节相关工艺条件有效降低了污水中的总氮与总磷[5-6]。

目前，藻类生物膜处理重金属的研究还处于少数。已有的研究发现，菌藻共生生物膜对低浓度重金属镉(Gd)具有较好的处理效果，可达91.08 %[7]。也有学者利用藻类生物膜对Co的去除进行了研究，结果表明每克藻细胞可吸附1 473.9 μmol Co[8]；利用藻类生物膜吸附Zn的研究显示每克藻细胞可吸附15～19 mg Zn，且吸附量随生物量增加而增加[9]。虽然许多学者利用藻类生物膜处理了各种重金属且达到了较好的效果，但是对于Cd的吸附去除过程的研究还鲜有报道。Cd是一种典型的有毒重金属物质，易于在水体、土壤等环境中富集，其危害随食物链的传递逐渐影响人类身体健康，并且一旦进入人体，便难以通过正常的代谢排出体外[10]。因此，如何环保高效地处理含Cd污水，防止Cd污染影响人类的正常生活逐渐成为亟待解决的问题之一。藻类生物膜技术利用生物量增长迅速的藻类为吸附吸收材料处理重金属Cd，具有操作简便、无二次污染、藻水易分离等优点，其有效的利用将为Cd污水治理提供新的方法。

本文主要利用藻类生物膜处理含Cd污水，通过考察其在去除重金属Cd过程中，不同影响因素(pH值，Cd初始浓度，光照周期)对Cd去除效果的影响规律。同时，在单因素实验的基础上，以Cd去除率为响应值采用三因素三水平响应面分析方法优化主要影响因素，提升去除效果。并通过拟合响应面模型确定各因素间的交互作用对Cd去除率的响应情况，同时，利用伪一阶、伪二阶动力学模型描述蛋白核小球藻藻类生物膜对Cd的富集过程并进行分析与评价。

1 材料与方法

1.1 实验材料

以蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)为实验藻种，该藻种取自中国科学院淡水藻种库。因其藻细胞内含有丰富的叶绿素，光合作用较强，能够产生较多胞外聚合物，增强其在载体上的黏附性，故有利于藻类生物膜的制备以及对污染物质的去除。藻种的培养与保存选用BG11培养[11]。

课题组前期经过大量实验研究，筛选出具有比表面积大、亲水性好等特点的立体弹性填料作为藻类生物膜载体，其主要成分为聚烯烃类和聚酰胺等。由于实际污水中存在微生物以及其他未知因子的干扰，故本实验以培养基BG11为基础，添加不同浓度Cd以制备实验模拟污水。

1.2 藻类生物膜的培养

本实验选用开放式培养法培养藻类生物膜。将立体弹性载体、实验所用反应器(1 000 mL烧杯)及其他玻璃仪器均进行为期24 h的酸浸(盐酸10 %)，以去除表面微量元素以及杂质，待清洗、烘干后备用；配制适量的BG11培养基，并将800 mL培养基分装到实验反应器中；将分装好培养基的烧杯以双层牛皮纸封紧，置于高压蒸汽灭菌锅内于121 ℃下灭菌30 min。

高压灭菌处理后的培养基冷却后，将其与藻种接种所需用具(酒精灯，酒精喷雾，量筒)一并放入已预热的超净工作台中紫外灭菌30 min。灭菌完毕后，将定量载体放置于反应器后，将200 mL蛋白核小球藻藻液接种于内并摇匀，在3 500 lx连续光照、温度(25±2) ℃条件下培养12 d。载体表面明显出现大量气泡，并附着有绿色的藻体，藻类生物膜挂膜完成。

1.3 实验设计

以添加不同剂量CdCl2作为Cd源，以1 mol/L的NaOH及HCl溶液调节污水初始pH，通过调节遮光时间控制光照周期进行单因素实验。在温度为(25±2) ℃、3 500 lx 连续光照条件下进行为期6 d的实验，测定Cd剩余含量以确定Cd去除率。pH值及Cd含量分别采用多参数测定仪(S400-K)及原子吸收光谱仪(AA-7000)测定。整体按照单因素实验设计规则进行，每组实验设置两个平行，实验过程均使用去离子水。

遵循Box-Behnken响应面法设计原理[12]，以 -1、0、1对选定的3种影响因素pH(X1)、光照周期(X2)和Cd初始浓度(X3)分别进行编码，具体因素水平及取值如表1所示。

表1 响应面实验设计表Tab.1 Response surface experiment design table

1.4 藻类生物膜富集Cd的动力学

采用伪一阶、伪二阶动力学模型拟合和描述藻类生物膜富集Cd特征[13]：

伪一阶动力学方程：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t。

(1)

伪二阶动力学方程：

(2)

式中，k1为伪一级吸附速率常数,min-1；k2为伪二级吸附速率常数,L/(mg·min)；qt和qe分别为某时刻t和达到吸附平衡态时Cd的吸附量,mg/L。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 不同Cd初始浓度对藻类生物膜去除Cd的影响

利用藻类生物膜处理不同初始浓度Cd，Cd去除率变化趋势如图1所示。当Cd初始浓度小于15 mg/L时，随着初始Cd浓度增大，Cd去除率逐渐增大，最高可达86.3 %，但是当Cd初始浓度大于15 mg/L时，随Cd初始浓度继续增加，Cd去除率降低，该现象说明Cd初始浓度过高将会抑制藻类生物膜的去除Cd的能力，降低Cd的处理效果。选择合适的Cd初始浓度将有利于藻类生物膜吸附环境中的Cd。此外，虽然Cd去除率存在一定的起伏波动，但一直保持在75 %以上，显示出藻类生物膜优秀的Cd处理能力。

图1 Cd初始浓度对Cd去除率的影响Fig.1 Effects of different initial concentration of cadmium on the removal rate of Cadmium

2.1.2 光照周期对藻类生物膜去除Cd的影响

光照周期是光照时间与暗处理时间的比值，代表着藻类生物膜的光合作用与呼吸作用，对藻类生物膜的生长极为重要。Cd初始浓度为15 mg/L时，Cd去除率随光照周期的变化情况如图2所示。整体呈现先上升后下降的趋势，在L∶D= 12∶12时达到最大值93.3 %，具有较好的去除效果。但是当L∶D=16∶8时，Cd去除率降到最低值74.6 %，比最大值低近20个百分点，说明光照周期的改变在较大程度上影响着藻类生物膜对Cd去除。文献[14]的研究表明光照周期影响藻类生物量增长，这也就在一定程度上影响了藻类生物对Cd的吸附吸收。

图2 光照周期对Cd去除率的影响Fig.2 Effects of photo period on the removal rate of Cadmium

2.1.3 初始pH值对藻类生物膜去除Cd的影响

如图3所示，当Cd初始浓度为15 mg/L时，Cd去除率随pH值的变化呈现先上升后整体保持平稳的趋势。当pH值由7上升至7.5时，Cd去除率由67.5 %上升至94.2 %，急剧上升表示出碱性环境相对于中性环境更有利于藻类生物膜对Cd的去除。在实际应用以及后期实验室研究过程中，初始pH值的调节将成为提高Cd去除率的重要措施之一。此外，有研究表明，在藻类生物膜的培养与应用中，溶液pH值一般会随着培养时间的增长而提高[15]，这也将有利于提高Cd的去除效率。当pH值大于7.5小于9时，Cd去除率有部分波动但整体保持较为平稳，表示在这个范围内，pH值的改变对藻类生物膜的影响相对较小。

图3 初始pH对Cd去除率的影响Fig.3 Effects of initial pH on the removal rate of Cadmium

2.2 响应面实验

2.2.1 响应面模型建立及回归分析

单因素的实验结果显示，不同因素的改变对Cd去除率影响很大，合适的环境条件可较高效率地提高藻类生物膜对重金属Cd的去除效果。响应面实验设计不仅可有效确定较佳的环境条件，还能模拟各影响因素之间的交互作用，整体提高具体应用时的可行性。

响应面试验方案和结果见表2。在各种因素的相互作用下，Cd去除率呈现不同的变化情况。根据表2数据，使用Design Expert 8.0.6软件多元回归拟合3种影响因素对Cd的去除过程，可得二次多项式回归方程如下：

表2 响应面实验方案及结果Tab.2 Response surface experiment plan and results

Y=-581.283 75+118.437 78X1+13.802 85X2+33.439 72X3+0.536 23X1X2+

0.445 00X1X3-0.036 232X2X3-7.721 00X12-8.277 67X22-1.618 19X32。

(3)

由方程的结构状况可以初步看出，所选3种因素对藻类生物膜除Cd效率的影响具有一定的交互作用。同时，该方程的决定系数R2= 0.996 7，此系数是反映方程拟合程度的重要指标，表明仅存在不到0.5 %去除率的变异，而99.67 %响应值的变化可由该方程解释，回归方程整体拟合程度良好。

如表3所示，进一步进行模型方差分析可知，该模型的P值小于0.000 1，失拟项(lack of fit)P值为0.122 1，大于0.1。表明该模型的拟合程度极显著，模型与实验的差异不显著。此外，P值的大小表示各因素对响应值的影响程度，P值越小对响应值的影响越明显。对比各因素的P值可知，Cd去除率影响因素的主次作用排序为：Cd初始浓度>pH值> 光照周期。而各因素交互作用的中，Cd去除率的响应值受pH值与Cd初始浓度的影响最大。

表3 响应面二次方程的方差分析Tab.3 Analysis of variance of RSM quadratic equation

图4为残差正态概率分布图，图4中的数据点均比较靠近直线，并且各数据点在直线上的分布呈现出中间密集两边稀疏且整体对称的状态，符合正态分布的规律，说明方程拟合效果越好。图5表示的是残差与方程预测值的对应关系。所有数据点的分布处于分散状态，且残差在±3.00之间，表明数据点的残差和预测值不存在直接关系，方程的残差较小，可以准确预测各影响因素的取值。

图4 残差正态概率分布图

图5 残差与预测值的关系Fig.5 Relationship between residual and predicted value

2.2.2 藻类生物膜去除Cd的条件优化

依据上文所示方程拟合可得，pH为8.0，光照周期为13∶10，Cd初始浓度为11.68 mg/L时，藻类生物膜对Cd的去除率最佳。在此最优条件下进行3次平行实验对响应面预测模型的准确性进行验证，取平均值得到Cd的去除率为91.79 %。同时，方程预测值为92.89 %，两者偏差小于5 %，故该方程模型准确有效，可反映所选三种因素对藻类生物膜去除Cd的影响过程。

2.3 动力学实验

在响应面实验中得到的最佳实验条件下进行Cd的动力学实验，结果如图6所示。经过72 h连续取样测定环境中Cd含量，Cd浓度在短时间内急剧下降，随后趋于平稳。实验开始前40 min，藻类生物膜去除了污水中将近90 %的Cd并达到吸附平衡，随后基本稳定在90 %左右，说明该阶段并无Cd的明显释放。

(a) 72 h连续取样

利用伪一阶、伪二阶动力学模型描述蛋白核小球藻藻类生物膜对Cd的前40 min富集过程。将该时间段的实验组数据代入式(1)、(2)，可得拟合结果如表4所示。伪二阶动力学方程的拟合值更高，平衡态时的吸附量qe为11.28 mg/L，更接近真实实验结果，因此更适用于描述藻类生物膜去除镉的动力学过程。由此可知，藻类生物膜对Cd的富集主要受化学吸附机理的控制，这种化学吸附涉及到藻类生物膜与Cd两者之间的相互作用影响，不是受单一的某一方面所控制，且藻类生物膜对Cd的生物吸收作用在前期较小。

表4 Cd的动力学模型拟合参数Tab.4 Fitting parameters of kinetic model for biological enrichment of Cd

3 结论

① 3种影响因素(Cd初始浓度，pH值，光照周期)的改变对藻类生物膜Cd去除率均有较大的影响。根据响应面实验结果，各影响因素对Cd去除率的影响显著性大小为：Cd初始浓度> pH值> 光照周期；各因素交互作用的中，pH值与Cd初始浓度的交互作用对Cd去除率的响应值影响最大。

② 采用BBD设计，以Cd初始浓度、pH值、光照周期为影响因素，Cd去除率为响应值，得到响应面二次方程模型极显著，失拟项不显著，决定系数R2= 0.996 7，说明模型准确可靠。

③ 根据二次回归方程得出Cd去除效率的最佳条件为：pH为8.0，光照周期为13∶11，Cd初始浓度为11.68 mg/L。该条件下Cd去除率可达91.79 %，且实验值与预测值偏差小于5 %。

④ 伪二阶动力学方程模拟结果相关性更高，表明藻类生物膜对Cd的富集主要受化学吸附机理的控制。