藻类生物膜载体的优选试验

2020-09-09张晓青成玉司晓光邱金泉曹军瑞

工业用水与废水 2020年4期

张晓青，成玉，司晓光，邱金泉，曹军瑞

（自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

藻类生物膜是指藻类在静电作用力或者胞外分泌物的粘附作用下附着在载体表面所形成的生物膜［1］。藻类生物膜技术是近年来发展的一种新型的污水处理技术，它利用藻类吸附固定到载体上形成高浓度生物量的特点，提高对污水中氮、磷等污染物的吸收和富集［2-5］。与悬浮技术相比，藻类生物膜技术具有操作简单，运行稳定，易培养收获、固定载体可重复使用等优点，具有良好的应用前景［6］。大量研究表明，利用藻类生物膜技术可以有效去除环境中的氮、磷等营养物质，缓解水体的富营养化［7-8］。还有研究表明，藻类生物膜能够适应重金属离子环境，可以有效降低水体中重金属离子的浓度，达到净化水质的目的。高斌等［9］将栅藻固定在纤维材料上处理生活污水，研究发现该藻类生物膜系统对生活二级出水具有较好的脱氮除磷效果，总磷和氨氮的质量浓度降至0.11 mg／L 和0.04 mg／L。刘翠霞等［10］研究了Zn2+对藻类生物膜生长特性的影响，结果表明藻类生物膜对Zn2+有一定的耐受性，且质量浓度为5 mg／L 的Zn2+对藻类生物膜的生长有明显的促进作用，而藻体细胞合成的胞外多糖可与金属离子发生络合反应，降低水体中Zn2+含量。此外，藻类生物膜技术还应用于印染废水［11］、黑臭水体等［12］处理。

藻类生物膜的制备是影响该技术应用的关键。研究表明，藻类生物膜脱氮除磷能力除了受藻类的种类影响外，还与生物膜载体材料的性质、表面结构、表面粗糙度等直接相关［13］。近年来，已报道的藻类生物膜研究集中在挂膜藻类的优选［14-15］、藻类生物膜的脱氮除磷效果［16］等方面，挂膜载体方面研究较少［17］。本研究选用较为常见6 种材料作为聚球藻和螺旋藻的生物载体，通过比较不同材料的挂膜产量、叶绿素含量及载体的挂膜稳定性，对挂膜材料进行优选，并对挂膜材料进行红外光谱表征，筛选出最合适的生物膜载体，为藻类生物膜技术在污水处理中的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验藻种与载体

试验藻种为聚球藻（Synechococcus sp.）和螺旋藻（Spirulina sp.）。

选用4 种生活中常见布料，包括摇粒绒（C57）、双面绒（C6）、小米通（C46）、乔其纱（C12），以及污水处理中常用的立体弹性填料DBR-50 生物绳（C2）和生物帘（C1）作为受试材料，将不同的载体材料剪成2 cm×2 cm 大小，置于烘箱中（105 ℃）烘干4 h，称重。将载体加入三角瓶中， 121 ℃灭菌20 min，备用。

1.2 培养基

聚球藻培养采用BG-11 培养基［18］，螺旋藻培养采用CFTRI 培养基［19］。培养条件：温度（25±1）℃，光强3 000 Lx，光暗比12 h ∶12 h。

1.3 试验方法

1.3.1 藻细胞挂膜固定试验

取20 mL 对数生长期的藻液加入到装有1 片灭菌处理载体的锥形瓶中，使载体材料悬浮在藻液中，置于光照培养箱中挂膜培养，培养条件：温度（25±1）℃，光强3000 Lx，光暗比12 h ∶12 h。每组试验重复1 次。 7 d 后载体取出，测定挂膜产量及叶绿素产量。

1.3.2 载体重复试验

藻细胞挂膜固定试验完成后，将载体上藻细胞刮除，清洗干净后灭菌烘干，重复挂膜试验，测定每次载体挂膜产量。

1.4 分析方法

挂膜产量测定采用重量法，将挂膜后载体取出，放入培养皿中， 70 ℃烘干至恒重，取出称重［12］。叶绿素测定采用丙酮分光光度法测定［20］。载体物化特性分析采用傅里叶-红外光谱，将6 种载体材料剪成1 cm×1 cm 放入烘箱（105 ℃）干燥48 h，将制备好的固体样品置于红外光谱仪中测定，扫描范围为4 000 ～400 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 载体的物化性质

载体材料表面化学结构内部官能团直接影响材料与藻体细胞的附着效果，导致不同的产量。载体材料的红外光谱分析如图1 所示。

图1 载体材料的红外光谱Fig. 1 FT-IR of carrier materials

从图1 可以看出，载体C6、 C57、 C46、 C12 具有相似的特征吸收峰，主要特征吸收峰在1 800 ～600 cm-1区间有较大的重合，所含官能团基本一致。在波长为1 713 cm-1处为羰基（C＝＝O）伸缩振动引起的吸收峰， 1 500 ～1 300 cm-1之间的吸收峰是基团中的亚甲基振动引起的， 1 200 ～1 000 cm-1之间的吸收峰为苯环上C—O 键的伸缩振动峰， 1 000 cm-1附近的吸收峰为C—Cl 键的伸缩振动峰， 722 cm-1附近的吸收峰归属苯环上C—H 键面外的弯曲振动［21］。载体C2 在1 455 cm-1和1 375 cm-1有特征吸收峰，为苯环和吡啶环中的C＝＝C 和C＝＝N 的伸缩振动，在3 000 ～2 800 cm-1特征吸收峰为甲基和亚甲基的C—H 伸缩振动区。

2.2 藻类生物膜载体的优选

2.2.1 挂膜前后的载体情况

在7 d 连续培养中，可以观测到随着培养时间的延长，藻类生物膜逐渐加厚变绿。对于聚球藻而言，载体C1、 C2、 C6、 C57 挂膜效果较好，藻类生物膜生长旺盛，藻类生物膜厚度分布均匀，载体表面及内部孔隙都附着大量的藻细胞； C12、 C46挂膜生长状况较差，藻类生物膜颜色为浅绿色，表明载体上附着藻类生物细胞较少。螺旋藻的C1、C2 载体挂膜效果较好，藻类生物膜呈深绿色； C57和C6 藻类生物膜也较厚，但挂膜不均匀，藻细胞聚集在一起； C12 和C46 藻细胞生长状况较差，载体材质分别为乔其纱和小米通，乔其纱不易吸水，小米通的孔隙极大，表面基本无藻类生物膜形成。

2.2.2 不同载体上藻类生物膜产量

2 种藻在不同载体上藻类生物膜产量见图2。从图2 可知，载体C2 藻类生物膜产量最高，聚球藻和螺旋藻产量分别为72.75 g／m2和57.75 g／m2，其次为C1。这可能是因为C1 和C2 为蓬松发散的特殊构造，具有较大的比表面积和良好的亲水性能，有利于增大藻细胞吸附量，使得藻细胞迅速挂膜，因此产量较高。载体C6 和C57 为毛绒材料，这种表面绒毛的材料在反应过程中吸附能力较强，因此负载效果较好。亲水性较差的C46 和C12 吸附能力弱，挂膜效果不好，产量较低。

图2 不同载体上藻类生物膜产量Fig. 2 Yield of algal biofilm on different carriers

2.2.3 叶绿素a 产量

叶绿素a 产量直接反应浮游植物生物总量。不同载体叶绿素产量见图3。

从图3 可以看出，不同载体叶绿素a 的产量顺序依次为C2 ＞C1 ＞C57 ＞C6 ＞C46 ＞C12。载体C2的附着效果最好，聚球藻和螺旋藻浓度均最高，叶绿素a 产量分别为7.25 μg／cm2和6.45 μg／cm2，这与藻类生物膜产量的结论一致。从图3 还可以看出，聚球藻的挂膜效果要优于螺旋藻，不同载体中聚球藻叶绿素a 的产量都高于螺旋藻。

2.2.4 载体重复性试验

图4 聚球藻挂膜的重复性试验结果Fig. 4 Experimental results of repeatability of biofilm formation of Synechococcus sp.

图5 螺旋藻挂膜的重复性试验结果Fig. 5 Experimental results of repeatability of biofilm formation of Spirulina sp.

为考察载体可重复利用性，降低经济成本，将挂膜效果较好的载体C6、 C57、 C1、 C2 进行3 次重复试验，对4 种载体材料挂膜重复效果进行稳定系分析，结果如图4、图5 所示。从图4 可以看出， C6 和C2 载体的3 次聚球藻产量比较稳定，C1 和C57 稳定性较差， C1 的最高产量为62.75 g／m2，而最低仅为50.25 g／m2。从图5 可以看出， C2载体的螺旋藻产量比较稳定，且产量较高，平均产量达57.66 g／m2，其他3 种载体的产量不稳定。聚球藻的藻体细胞较小，能在载体表面紧密、集中排列，而螺旋藻的藻体细胞较大，呈螺旋状结构，在载体表面分布较为分散，导致挂膜不均匀［17］。