固定化藻球的强化研究

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摘要：为解决褐藻胶球在含磷污水中结构易疏松、小球藻易泄漏及胶球易破碎的问题，进行了添加质量分数为１％的活性炭和CaCl2溶液浸泡固定化藻球的加固强化的试验。结果表明，采用添加活性炭的方法可以很好地改进固定化小球的性能，其最佳的添加量为海藻酸钠凝胶的１％；加固胶球系统对氨氮（ＮＨ４＋－Ｎ）的去除率持续增加，最高可增至８０％左右；对正磷酸盐（ＰＯ４３－－Ｐ）也有较好地去除效果，去除率可达９６％以上；胶球经过加固后，胶球内藻细胞密度得到较大提高，固定化性能得到改善。

关键词：固定化藻类；活性炭；加固强化；脱氮除磷

中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）11－2204-03

Study on the Enhancement of Immobilized Chlorella Balls' Performance

ＹＡＮ Ｑｉｎｇ，ＦＥＮＧ Ｇｕｏ－ｚｈｏｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４７， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： To solve the problems that chlorella balls loose their integrity and algae cells leach easily in the wastewater with phosphate， 1% of activated carbon was added into the balls and then hardened by marinating in CaCl2 solution. The results showed that adding activated carbon could improve the performance of immobilized chlorella balls, and the optimal adding amount of activated carbon was 1 percent of alginate sodium. Hardening could enhance the ability of immobilized chlorella balls in removing NH4+-N and PO43--P from waste water and improve the density of chlorella in ball. The removal efficiency of hardened chlorella balls of NH4+-N and PO43--P were above 80% and 96% respectively.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ； ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ； ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ； ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ

采用固定化微生物技术，利用载体（海藻酸钠凝胶）通过物理或化学方法将藻细胞固定形成固定化藻类系统净化污水是近年来在污水脱氮除磷工艺研究中的一个重要研究方向，它将菌藻做包埋处理后应用于污水的生物处理［１－４］；具有生物浓度高，反应速率快，运行稳定可靠，藻细胞易于收获，Ｎ、Ｐ营养物质的去除效果较高等优势；解决了传统悬浮藻系统存在的缺陷，且提高了微生物抗冲击负荷能力。目前，国内的研究大多仍处于实验室阶段，主要由于在实际应用过程中存在以下问题：一是固定化载体易腐化，变脆易碎，还达不到实际应用中对压力、流速的要求，反复使用效果欠佳；二是相对传统活性污泥法成本较高；三是胶球内细胞浓度比较高时容易出现细胞泄漏的问题。因此，提高固定化细胞的机械强度和活性是固定化细胞技术所需解决的主要问题。

为克服高包埋藻密度渗漏及胶球破碎的问题，本研究进行了胶球内添加活性炭及采用ＣａＣｌ２溶液浸泡对褐藻胶胶球进行强化加固的试验；结果表明对固定化藻球的加固强化可减少小球藻的泄漏量，提高处理效果，使褐藻胶包埋小球藻更适合污水的实际处理；现将结果报道如下。

１材料与方法

１．１主要材料

１．１．１试剂海藻酸钠，化学纯，浙江温州助剂厂生产；其余试剂为市售分析纯或优级纯。

１．１．２试验藻种由中国科学院水生生物研究所提供，藻种为普通小球藻（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｇａｒｉｕｓ）。

１．１．３实际污水取自广州市猎德污水处理厂沉砂池，原水的水质指标为：氨氮（ＮＨ４＋－Ｎ）１５～３０ ｍｇ／Ｌ、化学需氧量（ＣＯＤ）１８０～２００ ｍｇ／Ｌ、正磷酸盐（ＰＯ４３－－Ｐ）１～３ ｍｇ／Ｌ。使用前沉淀过滤。

１．１．４仪器紫外可见分光光度计，ＵＶ ７５１ＧＤ型，上海精密科学仪器有限公司；高压灭菌锅，ＣＬ－３２Ｌ型，日本Ｔｏｋｙｏ ＡＬＰ公司；磁力加热搅拌器，７９－１型，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司。

１．２方法

１．２．１菌藻的固定化菌藻的固定化方法参照文献［４］。

１．２．２添加活性炭在海藻酸钠凝胶中分别添加质量分数为０％、０．５％、１．０％、２．０％、３．０％、４．０％的活性炭，制备固定化小球，固定化方式为先用活性炭吸附一定量的菌体后，再用海藻酸钠进行包埋固定。

１．２．３加固固定化胶球加固胶球系统在每完成一个反应循环后，将胶球重新浸泡于３％的ＣａＣｌ２护理溶液中进行１６ ｈ的胶球再硬化加固，然后用蒸馏水充分清洗胶球后置入新鲜污水中进行下一个循环。以加固前的普通胶球系统（试验连续进行，每完成一次循环后，用新鲜的污水替换处理后的污水进行新的循环）为对照。两个系统均进行4个循环。

１．２．４胶球机械强度的测定随机抽取４粒小球（各种小球的形状大小相似），在水平玻璃面上摆成正方形，在小球上放一培养皿，在培养皿上慢慢加砝码（砝码的质量由小到大），用肉眼仔细观察，直至海藻酸钠胶球出现变形，记录小球变形前所承受的最大质量。

１．２．５理化检验法［５］ＮＨ４＋－Ｎ的测定采用纳氏试剂分光光度法；ＰＯ４３－-Ｐ的测定采用钼锑抗分光光度法。

２结果与分析

２．１活性炭对胶球强度及氮磷去除效果的影响

固定化后的小球与污水以体积比为１∶１０的比例投入人工污水（在无氮、磷的Dauta培养基内添加NH4Cl和KH2PO4配制而成，污水中ＮＨ４＋－Ｎ和ＰＯ４３－－Ｐ的浓度分别为３１．１８、４．０１ ｍｇ／Ｌ）处理试验中。图１为处理污水１ ｄ后的胶球强度和对污水的脱氮除磷效果，由图１可知，活性炭添加量有一个对应的最佳脱氮除磷及机械强度值；综合考虑，１％的添加量的效果较好。图２显示了添加活性炭后的固定化藻球在倒置荧光显微镜（ＥＣＬＩＰＳＥＴＥ ２０００－Ｕ，Ｎｉｋｏｎ）下放大６００倍的显微结构，由图２可知，小球藻首先被吸附在活性炭的孔道内，然后被包埋在海藻酸钠载体中。营养物质需依次通过海藻酸钠、活性炭才被吸收利用，从而达到脱氮除磷的效果。因此，建议使用海藻酸钠同时包埋固定一定量的藻和活性炭，使污染物质仅通过海藻酸盐就能被微生物降解，从而提高降解速度及相对活性，且活性炭的存在又有利于传质过程的进行。

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２．２固定化胶球加固结果

２．２．１强化固定化小球藻的氮磷去除情况

１）氨氮去除效果。由图３可知，在第１个循环末期，普通胶球系统（由于普通胶球系统在第３个周期结束时发现有细胞泄漏，所以只进行了３个循环周期）和加固胶球系统的ＮＨ４＋－Ｎ去除率差别不大，均在４７％左右。从第２个循环开始，普通胶球系统的ＮＨ４＋－Ｎ去除率变幅不大，维持在４７％左右；而对加固胶球系统来说，由于胶球在新的循环开始前得到了加固，其最大藻细胞密度出现的时间推迟并在数量上大大增加，因此整个系统藻细胞对氨氮的吸收同化量有所增加，ＮＨ４＋－Ｎ去除率得以提高；至第４个循环周期末，去除率提高到８０％左右。

２）正磷酸盐去除效果。由图４可知，在第１个循环周期末，普通胶球系统和加固胶球系统的ＰＯ４３－－Ｐ去除率差异不大，分别为７８．８７％和８１．３９％。但之后，两个系统的ＰＯ４３－－Ｐ去除率的差异逐渐增大，普通胶球系统的ＰＯ４３－－Ｐ去除率逐渐减低，在第２、３个循环周期末分别降至５１．７６％和３４．６８％；而加固胶球系统对ＰＯ４３－－Ｐ的去除率明显提高，在第２个循环周期末增至９６．０７％，ＰＯ４３－－Ｐ几乎全部被降解，此后循环的去除率均维持在９６％以上。这可能存在两方面的原因，其一可能跟系统中藻细胞数量增加，对磷的同化吸收有所增加有关；另外，有研究表明，藻类对营养物的吸收效率能大大超出单细胞藻类的生长速率。

２．２．２胶球强化后小球藻的生长由图５可知，加固胶球系统相对于普通胶球系统有较高的藻生长速度。普通固定化胶球最大细胞量为７．５１×１０６个藻细胞／球，胶球经过加固后，在试验进行的几个循环中最大细胞量达１．０７×１０７个藻细胞／球，固定化性能得到大大改善。

３小结与讨论

１）试验结果表明，采用添加活性炭的方法可以很好地改进固定化小球的性能，其最佳添加量为海藻酸钠凝胶的１％。作为一种天然高分子物质，海藻酸钠易被水中的各种离子侵蚀，使固定化细胞的三维结构遭到破坏。由于固定化微生物的活性主要集中在凝胶表层，因此可以添加一些多孔载体，如硅藻土、活性炭等，它们在一定程度上可以改变凝胶内部结构，形成一种具有网状“通道”的凝胶结构，从而人为地增加许多条底物和产物的“通道”，改进其内部组成，改善其传质性能，提高其机械强度，提高凝胶的活性，阻止小球变形［６，７］。活性炭是一种很好的吸附载体，用活性炭吸附法制备的固定化微生物具有很高的活性，但微生物与载体的结合力弱，易被解吸而流失。

２）加固胶球系统对ＮＨ４＋－Ｎ的去除率持续增加，在第4个循环周期末可增至８０％左右；对ＰＯ４３－－Ｐ也有较好的去除效果，去除率可达９６％以上。和聚磷菌相似，藻细胞在被短暂地剥夺了氮和磷两种元素后，再重新放入培养基中，会导致细胞对两种元素的过量吸收。加固胶球系统在每个循环周期后被投入到ＣａＣｌ２溶液中加固16 h，使微藻细胞被暂时地剥夺了氮和磷两种重要元素，当重新放入含有氮磷的污水中后，会导致细胞对两种元素的过量吸收。

３）加固胶球系统中胶球内藻细胞密度得到较大提高，胶球经过加固后，固定化性能得到改善。在普通胶球系统中，由于Ｃａ２＋的浓度不断地被新一循环的污水所稀释，褐藻酸钙结合Ｃａ２＋的古洛糖醛酸部分逐渐地丧失Ｃａ２＋，从而使胶质结构变得越来越疏松，保持或结合藻细胞的能力下降。在胶质结构疏松至一定程度时，导致藻细胞的泄漏，试验最后一个循环周期也发现有细胞泄漏的问题，而经过加固的系统则由于及时地补充了因稀释而脱落掉的Ｃａ２＋，使各循环结束时的Ｃａ２＋都保持在较高的水平上，泄漏量要少得多，且延长了胶球的使用寿命。褐藻胶包埋固定小球藻可通过胶球加固的方法加强其机械强度，减少小球藻的泄漏；由于胶球内部容积的有限性，而细胞增长则是连续的，所以胶球有一个最大细胞密度，它主要取决于细胞的生长及胶球内部结构和强度。随着胶球内藻细胞的生长，一方面不断地占用胶球的有限容积；另一方面，细胞增殖会削弱聚合键桥使其丧失结合藻细胞的能力。

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