光合细菌-藻类共固定深度净化污水的研究

王 冰，周集体，杨宝灵，邓 月，乌云娜

(1.大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连116605;2.大连理工大学环境学院，辽宁大连116024)

微藻能够高效、低耗地去除造成水体富营养化和其他污染的营养物质，可作为一种二级处理或深度处理污水的替代方法，即收获藻类用于饲料，又可净化水体，减小受纳水体富营养化，是一项新型的污水资源化生物技术［1-5］。然而藻类污水深度处理目前仍处于实验阶段，距工厂化应用还有一段距离。光合细菌处理有机污水，是近20多年新发展起来的污水生物处理技术，具有活性污泥法和厌氧消化法不可比拟的优点。光合细菌能够利用有机化合物进行异养生长，也可光合自养生长，代谢途径多样［6］。光合细菌的光合作用一般是在厌氧光照下，以简单有机物为供氢体，固定CO2进行光合磷酸化和光氧化还原反应。在好氧黑暗条件下，光合色素的合成受到抑制，通过氧化磷酸化获取能量，另外还可通过脱氮或发酵获得能量。光合细菌主要用于工业废水处理，如啤酒、肉联、味精、制药废水，同时得到的菌体还可开发，如作为家畜、禽的高档饲料添加剂;人粪尿、家畜粪尿的集中处理和综合利用;大型垃圾场、城镇菜市场等地对生活垃圾的现场处理等［6-7］。

本文利用固定化光合细菌和小球藻体系，在气升式光生物处理反应器中实现对市政污水的深度净化。利用固定化技术解决收获问题，获得藻、菌生物量(藻、菌蛋白)。实验研究光合细菌-小球藻共生体系在气升式反应器中净化污水的能力。研究了藻-光合细菌共固定化、固定化方式对固定化光合细菌-小球藻体系脱氮、除磷及COD去除的影响。该体系既达到了脱氮、除磷、去除COD的目的，又有利于回收藻体和菌体，从生态角度来看，具有突出的现实意义，为污水的深度处理提供一种处理技术和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

藻种:小球藻(Chlorella)由辽宁师范大学藻类生理学实验室提供;菌种:紫色非硫光合细菌(Rhodopseudomonas poultries)由大连理工大学环境生物工程实验室提供。

1.2 方法

1.2.1 小球藻、光合细菌培养

将小球藻无菌接种于含150 mL Dauta［8］培养基的250 mL锥形瓶中，在温度(24±2)℃、光强2 200～2 700 lx(冷荧光)、光周期12∶12(光∶暗)下培养，每天用血球计数板计数，记录生长曲线，取静止初期藻细胞进行实验。

将厌氧紫色非硫细菌15 mL接种于150 mL好氧LB液体培养基的250 mL锥形瓶中，温度30℃、转速150 r·min-1条件下培养。可见光660 nm处测吸光度，绘制生长曲线，取对数期光合细菌进行实验。

1.2.2 固定化

藻类固定化:藻细胞3 500 r·min-1、离心15 min收获，用无氮、磷Dauta培养基再悬浮，与灭菌的4%海藻酸钠溶液等体积混合，用6号针头注射器滴入预冷0.1 mol·L-1CaCl2溶液，放置0.5 h，即得固定化胶球。无氮、磷培养基反复洗涤，放培养基中恢复一夜，用于去污实验。

光合细菌固定化:固定化方法同藻类。

共固定化藻、菌:将藻、菌胶球置于同一生物反应器中为共固定化方式一，分别共固定。将藻、菌固定在同一个胶球中为共固定化的方式二，共固定。

1.2.3 污水的配制

以无氮、磷的Dauta培养基为本底，加NH4Cl、K2HPO4以及葡萄糖，配制NH4+-N质量浓度为15.5 mg·L-1P质量浓度为1.5 mg·L-1，COD质量浓度为200 mg·L-1的人工污水。

1.2.4 去污反应设计及反应条件

400个藻胶球和菌胶球放入盛有400 mL人工污水的自制气升式光生物反应器中去污。自研制气升式反应器主体由层析柱改装，配以曝气系统(由电磁式空气压缩机、进和出气管组成)、光照系统(环形灯管)和流量计等部分组成。每个固定化藻胶球包埋藻细胞约228万个，每个固定化菌胶球细菌干重为1.78 mg。去污温度为(24±2)℃，冷荧光，光强为2 500～2 700 lx，光周期为12∶12。共固定化实验，放入胶球总数为400个。一定时间取出15 mL污水用于分析氨氮、磷酸盐和COD。

1.2.5 指标测定

NH4+-N测定:采用纳氏试剂分光光度法测定［9］。PO34--P含量测定:采用钼锑抗分光光度法［9］。COD 测定:采用微波快速消解法［10］。生物量测定:采用血球计数板直接计数和干重的方法。

2 结果与讨论

2.1 固定化菌、藻及共固定化对氮、磷及COD去除的影响

2.1.1 固定化菌、藻及共固定化对NH+4-N去除的影响(如图1)

图1 固定化菌、藻及共固定化对NH+4-N去除的影响

由图1可知，菌藻共固定化对NH+4-N的去除率明显高于单独固定化菌、藻，4 h后去除率达80%，随后趋于稳定。其次为固定化藻，NH+4-N去除率低于共固定化方式，但16 h后去除率达84%。固定化菌对NH+4-N去除率最低，16 h后达50%左右。由此表明，共固定化菌藻比菌、藻单独处理污水脱氮效率高。在共同生长过程中，各自不同的生长状况和不同的生物代谢过程，包括物质的吸收、分泌等，很可能是光合细菌与藻类互作过程及相互作用发生的内在机制。进一步研究光合细菌与藻类生长的生理生化机制和生理生态关系十分必要。

2.1.2 固定化菌、藻及共固定化对PO3-4-P去除的影响(如图2)

图2 固定化菌、藻及共固定化对PO3-4-P去除的影响

由图2可知，16 h内菌藻共固定化对PO3-4-P的去除率明显高于固定化菌、藻单独处理，达到85%。4 h内藻的除磷高于菌。4～16 h内，二者去除率均有增加，菌略高于藻10%左右，16 h去除率分别达到40%和31%。在对磷的去除上藻、菌体现了协同作用。

2.1.3 固定化菌、藻及共固定化对COD去除的影响(如图3)

氮、磷是藻类生长必需的营养素，很多研究者对利用藻细胞去除污水中的氮、磷进行了一系列研究，也取得了较好的效果。单纯利用藻类来处理污水，虽然藻细胞能高效利用污水中的氮、磷以供自身生长，但藻类对水体中碳源污染物的去除能力普遍较低，这样就容易导致出水的COD超标。

图3 固定化菌、藻及共固定化对COD去除的影响

由图3可知，共固定菌藻对COD的去除与固定化菌相当，16 h分别达到52%和50%，说明光合细菌对有机物主要起降解作用。

2.2 菌藻共固定化方式对氮、磷及COD去除的影响

2.2.1 菌藻共固定化方式对NH+4-N的去除率(如图4)

图4 菌、藻共固定化方式对NH+4-N的去除率

由图4可知，两种共固定化方式对NH+4-N的去除率在同一时间内差异不显著，二者均在8 h达到最大值，分别为92%和90%，之后趋于稳定，均在90%。

2.2.2 不同菌藻共固定化方式对PO3-4-P的去除率(如图5)

图5 不同菌藻共固定化方式对PO3-4-P的去除率

由图5可知，两种共固定化方式对磷的去除率在反应时间0～12 h内，前者略高于后者，在12 h时去除率分别达到96%和94%。随后两者对磷的去除基本相同。

2.2.3 菌藻共固定化方式对COD的去除率(如图6)

图6 菌藻共固定化方式对COD的去除率

由图6可知，去污2 h时，共固定化在同一胶球内的菌藻对COD的降解已达到69%，而菌、藻分别固定化后混合在同一反应器内对COD的去除率为72.6%。在随后的时间内，二者去除率都有较大的提高，在6 h分别达到82.4%和89%，8 h接近100%。

作者在前期对小球藻去除氮、磷的研究的基础上，结合藻和菌在去除水体中氮、磷和COD方面各自的优势，设计开发了一套固定化藻菌污水连续化处理系统，同步去除污水中的氮、磷和COD。本实验的结果充分证明所设计的固定化藻菌污水处理系统在同步高效去除氮、磷和COD方面具有较好的工业应用前景。

3 结论

共固定化光合细菌-藻细胞在气升式光生物反应器中能够有效地进行脱氮除磷，并去除低浓度有机物。菌藻共固定化对NH+4-N的去除率明显高于单独的固定化菌、藻。共固定化处理的两种方式对脱氮、除磷和有机物去除无显著影响。藻菌的生长状况和不同的生物代谢过程，很可能是光合细菌与藻类互作过程及相互作用发生的内在机制。有必要进一步研究光合细菌与藻类生长的生理生化机制和生理生态关系。

在未来的新型污水处理系统中，人们的关注点不应仅局限于污染物的去除，而应将污水处理和以污水为资源的生产过程相耦合，实现污水处理系统资源化的转化。处理污水的同时，以污水为原料获取“新”资源和“新”能源，为缓解当前资源匮乏、能源紧缺提供可能的解决途径。

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