隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 諸多環(huán)境問題日漸突出.其中, 水污染問題不僅制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 而且嚴(yán)重威脅人類健康.當(dāng)前, 以活性污泥為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)工藝雖能有效去除COD、N和P等污染物, 但其以曝氣強(qiáng)化供氧方式促進(jìn)微生物氧化COD, 并通過能量和物質(zhì)密集投入的方式實(shí)現(xiàn)脫氮除磷, 這種“以能耗能”和忽略物質(zhì)循環(huán)的處理方式與未來污水處理可持續(xù)發(fā)展理念相矛盾.因此, 開發(fā)低能耗、高效率和低成本的污水處理新技術(shù)成為新時(shí)期的迫切需求.

　　如今, 在可持續(xù)發(fā)展的大背景下, 國(guó)際上對(duì)污水概念的認(rèn)識(shí)已經(jīng)發(fā)生本質(zhì)性的革新, 一致認(rèn)為污水不再是廢物而是一種資源和能源的載體.因此, 新概念引領(lǐng)下的未來污水處理模式必將發(fā)生方向性變革, 應(yīng)實(shí)現(xiàn)從污水中去除污染物的灰色處理模式向從污水中回收資源的綠色再生模式轉(zhuǎn)變. 20世紀(jì)50年代, Oswald等提出了微藻污水處理的概念, 開啟了污水資源化和能源化處理的新模式.微藻作為自然界中一種分布廣、種類多且數(shù)量大的古老低等植物, 可在光合作用的同時(shí)吸收營(yíng)養(yǎng)元素合成生物質(zhì).其中, 油脂可提煉生物柴油, 碳水化合物可厭氧產(chǎn)能, 蛋白質(zhì)可制作動(dòng)物飼料, 還可從藻粉中提取一些具有高附加值的產(chǎn)品(如：EPA和DHA).污水處理耦合微藻培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)污水處理從“處理工藝”向“生產(chǎn)工藝”轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵“橋梁”, 可為緩解當(dāng)前全球資源短缺和能源匱乏的嚴(yán)峻形勢(shì)提供新途徑.

　　與傳統(tǒng)污水處理工藝相比, 微藻具有營(yíng)養(yǎng)鹽去除效率高、運(yùn)行能耗低、同步固碳等諸多優(yōu)點(diǎn).王秀錦等利用污水異養(yǎng)培養(yǎng)蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa-15, 發(fā)現(xiàn)該藻對(duì)COD去除率達(dá)到80.9%, TN去除率達(dá)到69%, 且具有較好的產(chǎn)油效率.然而, 從最初的藻類塘到后來的跑道池再到如今的光生物反應(yīng)器, 微藻分離與采收困難的問題一直限制著該技術(shù)的推廣應(yīng)用.隨著細(xì)胞固定化技術(shù)的發(fā)展, 微藻固定化技術(shù)隨之誕生, 為微藻污水處理技術(shù)開辟了新方向.微藻固定化不僅能有效防止藻細(xì)胞流失, 維持系統(tǒng)穩(wěn)定性, 還可增強(qiáng)細(xì)胞耐受性, 解決藻水分離困難的問題.目前, 固定化載體材料多為聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(SA), 它們具有機(jī)械強(qiáng)度大、傳質(zhì)性能好和耐生物分解等特性, 其中, SA因具有較好的滲透性、無毒性及高透明性, 已成為應(yīng)用最廣泛的固定化材料. Liu等采用SA固定Chlorella sorokiniana GXNN 01去除污水中的N和P, 發(fā)現(xiàn)在自養(yǎng)和異養(yǎng)培養(yǎng)條件下, 固定藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除能力顯著高于自由藻, 尤其對(duì)P的去除能力更為突出.然而, 何種固定化參數(shù)條件才能制備性能優(yōu)良的藻球, 及功能發(fā)揮的環(huán)境條件與潛力, 則是該技術(shù)工程應(yīng)用前的關(guān)鍵科學(xué)問題.

　　本研究立足于固定化技術(shù), 以微藻固定化參數(shù)條件優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn), 以制備性能優(yōu)良的固定化藻球?yàn)槟繕?biāo), 分析藻球污水NH4+-N高效去除的關(guān)鍵影響因子, 探索其在不同培養(yǎng)模式下污水NH4+-N的去除潛力, 以期為污水綠色可持續(xù)處理技術(shù)研發(fā)及其推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).

　　1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)

　　本實(shí)驗(yàn)藻種為斜生柵藻(Scenedesmus obliquus, FACHB-12), 購自于中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫.斜生柵藻屬于綠藻門, 適應(yīng)污水培養(yǎng)且對(duì)氨氮具有較高的去除能力, 是生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)勢(shì)藻種.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先將藻種在無菌條件下接種到含BG11培養(yǎng)基的錐形瓶中, 置于光照培養(yǎng)箱(寧波賽福, ZDX-350)中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng), 反復(fù)接種, 使之處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期.培養(yǎng)條件：溫度(25±1)℃, 光照強(qiáng)度86.4 μmol·(m2·s)-1, 光暗比12 h:12 h, 每天應(yīng)變換錐形瓶的位置以保證光照均勻, 并定時(shí)輕輕搖動(dòng)錐形瓶3次.實(shí)驗(yàn)中使用的所有玻璃器皿及培養(yǎng)基都應(yīng)經(jīng)過121℃、20 min高壓滅菌(Auto Clave SN 310C, 日本).

　　1.2 實(shí)驗(yàn)污水

　　本實(shí)驗(yàn)污水采用人工配水, 1 L污水的具體配方如下：NaAc 385 mg(300 mg COD); NH4Cl 115 mg (30 mg NH4+-N); KH2PO4 13 mg; FeSO4·7H2O 0.55 mg; CaCl2 6 mg; MgSO4·7H2O 66 mg; A5 1 mL[CuSO4·5H2O 0.08 g·L-1, MnCl2·4H2O 1.86 g·L-1, ZnSO4·7H2O 0.22 g·L-1, Na2MoO4·2H2O 0.39 g·L-1, Co(NO3)2·6H2O 0.05 g·L-1, H3BO3 2.86 g·L-1].配置好的污水用1 mol·L-1的NaOH或1 mol·L-1的HCl調(diào)節(jié)初始pH至7.0左右, 隨后置于高壓滅菌鍋中滅菌后冷卻使用.

　　1.3 微藻固定化方法

　　本實(shí)驗(yàn)微藻固定化方法為包埋固定法, 固定化操作全程應(yīng)在無菌環(huán)境下完成.首先, 將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻液于高速冷凍離心機(jī)(himac CR22N, 日本)上4℃、3 500 r·min-1下離心10 min, 棄去上清液, 用15 mg·L-1的NaHCO3溶液沖洗藻體并離心兩次, 以去除藻細(xì)胞表面吸附的營(yíng)養(yǎng)鹽, 然后用無菌水沖洗、離心兩次, 再將其轉(zhuǎn)移至無N培養(yǎng)基中培養(yǎng)3 d以耗盡藻細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽, 最后離心獲取藻細(xì)胞, 用無菌水沖洗3次后并用無菌水懸浮, 通過測(cè)定光密度(D)明確藻密度后用于固定化處理.

　　取一定體積的藻細(xì)胞濃縮液與預(yù)先滅菌的SA溶液(固定劑, 5%即5 g SA溶解于100 mL水中)1:1(體積比)混合并攪拌均勻形成混合液, 將其注入60 mL的注射器中, 在距離預(yù)冷的CaCl2溶液(交聯(lián)劑, 2%即2 g CaCl2溶解于100 mL水中)液面20 cm處, 滴入混合液即形成直徑4 mm的藻球, 于4℃冰箱中靜置固定一定時(shí)間后, 用無菌水反復(fù)沖洗多次后冰箱保存?zhèn)溆?制備好的固定化藻球如圖 1所示.

　　圖 1

圖 1 固定化藻球示意 

　　1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　首先, 制備不同包埋密度的固定化藻球, 分別置于盛有140 mL污水(COD：300 mg·L-1、NH4+-N：50 mg·L-1)的250 mL錐形瓶中, 每個(gè)錐形瓶中投放400粒藻球, 確保每個(gè)錐形瓶中最終藻生物量分別為1×104、1×105、1×106和1×107 cells·mL-1, 混合培養(yǎng)5 d, 并每天取樣測(cè)定污水中NH4+-N濃度, 每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次, 確定最佳包埋藻密度.其次, 將最佳包埋藻密度下制備的藻球應(yīng)用于污水COD濃度分別為100、200和300 mg·L-1, NH4+-N濃度為50 mg·L-1的污水中, 同等條件下培養(yǎng)5 d, 確定微藻NH4+-N去除的適宜COD濃度.最后, 根據(jù)上述條件, 分別將自由藻和固定藻分別置于NH4+-N濃度分別為30、50和70 mg·L-1的污水中進(jìn)行混合培養(yǎng), 且確保不同系統(tǒng)內(nèi)起始藻密度一致, 分析固定藻對(duì)NH4+-N去除潛力, 并與自由藻進(jìn)行對(duì)比, 明確固定藻NH4+-N去除的優(yōu)勢(shì)濃度; 同時(shí), 測(cè)定各錐形瓶中微藻生長(zhǎng)情況與pH變化, 每組實(shí)驗(yàn)平行3次; 此外, 同等條件下將所有處理組用錫箔紙包裹黑暗處理, 進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng), 并與混合培養(yǎng)模式對(duì)比, 分析不同生長(zhǎng)模式下NH4+-N去除潛力差異.

　　1.5 實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

1.5.1 藻細(xì)胞計(jì)數(shù)

　　取混合均勻的藻液1 mL, 稀釋10倍后, 用滴管取適量藻液沿血球計(jì)數(shù)板(25×16)平臺(tái)兩側(cè)的凹槽下邊緣注入一小滴, 讓藻液充滿整個(gè)計(jì)數(shù)區(qū), 勿產(chǎn)生氣泡, 吸去流出的多余懸液.靜置片刻, 使細(xì)胞沉降到計(jì)數(shù)板上, 在顯微鏡(OLYMPUS CX41RF, 日本)下計(jì)數(shù)3次, 若3次計(jì)數(shù)誤差在10%以內(nèi), 則以3次平均值計(jì)為藻細(xì)胞密度(cells·mL-1), 否則重復(fù)計(jì)數(shù)直至符合誤差要求.

　　1.5.2 微藻標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)曲線繪制

　　取一定體積的微藻濃縮液于玻璃比色皿中, 利用紫外可見分光光度計(jì)(哈希, DR 6000)進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描, 確定最佳吸收峰, 并將最佳吸收峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(nm)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)定波長(zhǎng).然后, 將已知藻密度的微藻濃縮液按照10倍梯度逐級(jí)稀釋7個(gè)樣品(每個(gè)樣品的藻密度可計(jì)算獲取), 在選定的波長(zhǎng)下測(cè)定D值, 以D值為橫坐標(biāo), 藻密度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)曲線.

　　1.5.3 污水參數(shù)測(cè)定及藻球性能測(cè)試

　　污水COD使用COD測(cè)定儀(哈希DR1010)進(jìn)行測(cè)定, 污水NH4+-N采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)進(jìn)行測(cè)定; 藻球的機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定是將凝膠載體放置于天平上, 用蓋玻片按壓小球, 同時(shí)觀察其形狀變化和天平讀數(shù), 當(dāng)其不能恢復(fù)原來形狀時(shí), 記為藻球的最大承受力, 分別測(cè)定3次, 用平均機(jī)械強(qiáng)度作為藻球的機(jī)械強(qiáng)度(g); 藻球的傳質(zhì)能力測(cè)定是取一定數(shù)量藻球置于燒杯中, 向其中加入一定體積及濃度的亞甲基藍(lán)溶液, 在不同時(shí)間段取溶液于406 nm下, 蒸餾水調(diào)零, 10 mm比色皿測(cè)定吸光度, 根據(jù)測(cè)得的吸光度大小計(jì)算濃度, 間接計(jì)算藻球的傳質(zhì)速率(mg·h-1); 藻球的生長(zhǎng)速率測(cè)定是取不同培養(yǎng)時(shí)間下的藻球, 將其放入加有10 mL、1.5%的檸檬酸鈉溶液的離心管中, 解固2 h后搖動(dòng), 測(cè)定D值, 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)曲線計(jì)算其藻密度, 進(jìn)而計(jì)算其生長(zhǎng)速率(d-1).

　　1.6 響應(yīng)曲面分析

　　響應(yīng)面法(RSM)是利用合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并通過實(shí)驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù), 采用多元二次回歸方程來擬合變量與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系, 通過對(duì)回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù), 是解決多變量問題的一種統(tǒng)計(jì)方法.本實(shí)驗(yàn)采用Design-Expert(V.8.0.6)軟件, 以Box-Behnken Design(BBD)方法設(shè)計(jì)了3因素3水平實(shí)驗(yàn), 在因素水平相同的情況下, Box-Behnken方法常用于因素的非線性影響進(jìn)行設(shè)計(jì), 具體見表 1.考察了固定劑濃度、交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)藻球的機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率的影響.應(yīng)用RSM法獲得二次回歸模型, 并得到響應(yīng)值的擬合方程.

　　表 1 響應(yīng)曲面分析因素及水平

　　2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)曲面優(yōu)化及結(jié)果分析

　　按照BBD設(shè)計(jì)了17組藻球性能測(cè)試實(shí)驗(yàn), 通過RSM建立回歸模型, 并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn).結(jié)果顯示, 機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率回歸模型的F值分別為14.47、13.97和21.24, P-value(Prob>F)分別為0.001 0、0.001 1和0.000 3, 均小于0.01, 表明BBD優(yōu)化法可靠, 變量對(duì)響應(yīng)值的影響極為顯著, 模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.其次, 3個(gè)模型的擬合系數(shù)(R2)分別為0.949 0、0.947 3和0.964 7, 進(jìn)一步說明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合度高; 校正決定系數(shù)(Adj R2)分別為0.883 4、0.879 4和0.919 2, 均可解釋數(shù)據(jù)變異性的85%以上; 精密度(Adeq Precisior)均大于4.0, 回歸模型可準(zhǔn)確用于結(jié)果分析.

　　為了綜合考慮固定劑濃度、交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間3個(gè)因素及其交互作用對(duì)固定化藻球機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率的影響, 采用Design-Expert(V.8.0.6)軟件輔助分析, 3D響應(yīng)曲面圖和等高線如圖 2~4所示.在等高線圖中, 曲線離中心越近, 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值越大; 等高線形狀若呈圓形, 表明兩個(gè)自變量間的交互效應(yīng)較弱, 等高線形狀若呈橢圓形, 表明兩個(gè)自變量間存在顯著的交互作用. 圖 2展示了固定劑濃度和交聯(lián)劑濃度對(duì)藻球性能的交互作用, 其中圖 2(b)顯示隨著固定劑濃度的增加, 藻球的機(jī)械強(qiáng)度顯著增大, 但傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率均顯著變小; 隨著交聯(lián)劑濃度的增加, 藻球機(jī)械強(qiáng)度顯著增大, 傳質(zhì)速率反之, 但對(duì)生長(zhǎng)速率的影響不明顯.方差分析表明, 單因子固定劑濃度對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率的影響都達(dá)到了極顯著水平(P < 0.01), 其與交聯(lián)劑濃度的交互作用存在但并不顯著, 顯著性水平分別為0.628 7、0.648 0和0.278 7, 均大于0.05.

　　圖 2

(a)3D響應(yīng)曲面與(b)等高線圖 2 固定劑濃度和交聯(lián)劑濃度對(duì)固定化微藻顆粒機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率交互影響的3D響應(yīng)曲面與等高線

　　圖 3

(a)3D響應(yīng)曲面與(b)等高線圖 3 固定劑濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)固定化微藻顆粒機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率交互影響的3D響應(yīng)曲面與等高線

　　圖 4

(a)3D響應(yīng)曲面與(b)等高線圖 4 交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)固定化微藻顆粒機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率交互影響的3D響應(yīng)曲面與等高線 

　　圖 3展示了固定劑濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)藻球性能的交互作用, 其中圖 3(b)顯示隨著固定劑濃度的增加, 藻球的傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率均顯著變小; 隨著交聯(lián)時(shí)間的增加, 藻球的傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率仍隨之變小, 但對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的影響不明顯.方差分析表明, 單因子交聯(lián)時(shí)間對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率的影響均未達(dá)到顯著水平(P>0.05), 其與固定劑濃度的交互作用存在, 尤其對(duì)生長(zhǎng)速率的交互作用達(dá)到顯著水平, 顯著性水平為0.024 6, 但對(duì)機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)速率交互作用并不顯著, 顯著性水平分別為0.082 9和0.127 5, 均大于0.05.

　　圖 4展示了交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)藻球性能的交互作用, 其中圖 4(b)顯示隨著交聯(lián)劑濃度的增加, 藻球的機(jī)械強(qiáng)度顯著增大, 但對(duì)傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率的影響均呈現(xiàn)先大后小的變化趨勢(shì); 隨著交聯(lián)時(shí)間的增加, 藻球的生長(zhǎng)速率逐漸減小, 但對(duì)機(jī)械強(qiáng)度和生長(zhǎng)速率的影響不明顯.方差分析表明, 單因子交聯(lián)劑濃度對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率的影響均達(dá)到極顯著水平(P < 0.01), 其與交聯(lián)時(shí)間的交互作用存在但并不顯著, 顯著性水平分別為0.405 7、0.463 7和0.236 8, 均大于0.05.

　　從圖 2~4可以看出, 微藻固定化顆粒制備的性能影響中, 對(duì)機(jī)械強(qiáng)度影響的顯著程度為：固定劑濃度>交聯(lián)劑濃度>交聯(lián)時(shí)間; 對(duì)傳質(zhì)速率影響的顯著程度為：交聯(lián)劑濃度>固定劑濃度>交聯(lián)時(shí)間; 對(duì)生長(zhǎng)速率影響的顯著程度為：固定劑濃度>交聯(lián)劑濃度>交聯(lián)時(shí)間.此時(shí), BBD模型分析得出的最優(yōu)條件為固定劑濃度5.08%、交聯(lián)劑濃度1.88%和交聯(lián)時(shí)間14.48 h, 預(yù)測(cè)值機(jī)械強(qiáng)度為29.50, 傳質(zhì)速率為0.013, 生長(zhǎng)速率為0.190.為了回歸分析預(yù)測(cè)的參數(shù)在實(shí)際操作中易于操作, 對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行取整處理, 最終固定化最優(yōu)參數(shù)條件為固定劑濃度5%、交聯(lián)劑濃度2%和交聯(lián)時(shí)間16 h.具體聯(lián)系污水寶或參見http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.2 最佳包埋生物量與有機(jī)物適應(yīng)能力

　　從圖 5(a)中可以看出, 當(dāng)污水初始NH4+-N濃度為50 mg·L-1時(shí), 固定化藻球?qū)�NH4+-N的去除能力與包埋生物密度呈正相關(guān)關(guān)系, 但當(dāng)系統(tǒng)藻密度為1×107 cells·mL-1時(shí), 初期表現(xiàn)較高的NH4+-N去除率, 培養(yǎng)2 d后的去除率為78.79%, 隨后去除率呈現(xiàn)微弱的降低; 而當(dāng)系統(tǒng)藻密度為1×106 cells·mL-1時(shí), 培養(yǎng)5 d后, 呈現(xiàn)最優(yōu)的NH4+-N去除效率, 高達(dá)96.57%;對(duì)于系統(tǒng)藻密度為1×104和1×105 cells·mL-1, NH4+-N去除率無明顯差異, 最終去除率為40%左右; 由此可以看出, 固定藻的最佳系統(tǒng)藻密度為1×106 cells·mL-1.

　　圖 5

圖 5 不同包埋密度和不同COD濃度條件下固定化微藻混合培養(yǎng)對(duì)NH4+-N去除潛力的差異

　　從圖 5(b)中可以看出, 污水初始COD濃度對(duì)固定化微藻氨氮去除率存在顯著影響.當(dāng)COD為100 mg·L-1時(shí), NH4+-N平均去除率在培養(yǎng)第3 d為33.92%, 隨后降低至23.30%;當(dāng)COD為200 mg·L-1時(shí), NH4+-N去除率逐步提高, 培養(yǎng)至第5 d, NH4+-N平均去除率為48.20%;當(dāng)COD為300 mg·L-1時(shí), 藻球呈現(xiàn)處最理想的NH4+-N去除能力, 在培養(yǎng)第5 d后, NH4+-N平均去除率高達(dá)96.57%.由此看來, COD濃度也是微藻污水異養(yǎng)NH4+-N的關(guān)鍵因子.

　　2.3 混合/異養(yǎng)模式下微藻氨氮去除潛力

　　經(jīng)過5 d的污水微藻培養(yǎng)處理, 自由生長(zhǎng)與固定化模式在不同生長(zhǎng)條件下對(duì)氨氮的去除能力如圖 6所示.整體看來, 微藻混合培養(yǎng)條件下的NH4+-N去除潛力要顯著優(yōu)于異養(yǎng)條件, 其次, 固定化微藻對(duì)NH4+-N的去除能力整體也強(qiáng)于自由藻.混合培養(yǎng)條件下[圖 6(a)], 在NH4+-N初始濃度為30 mg·L-1的條件下, 自由藻在培養(yǎng)第2 d后對(duì)NH4+-N的去除率則顯著高于固定化微藻, 去除率為(63.7±2.6)%, 到第3 d后, 自由藻對(duì)NH4+-N的去除率高達(dá)(97.8±0.6)%, 且隨后維持穩(wěn)定的去除率; 在初始濃度分別為50和70 mg·L-1的條件, 固定化微藻對(duì)NH4+-N的去除能力均顯著高于自由藻, 5 d后的去除率分別為(96.6±0.1)%和(65.2±4.5)%.異養(yǎng)培養(yǎng)條件下[圖 6(b)], 無論是自由藻還是固定藻對(duì)NH4+-N的去除率均隨其濃度增加而降低, 其中固定藻在3種濃度梯度下的NH4+-N的去除率分別為(49.0±3.1)%、(34.9±1.6)%和(29.4±1.3)%.

　　圖 6

 

圖 6 混合和異養(yǎng)培養(yǎng)模式下自由藻和固定藻對(duì)不同濃度NH4+-N去除潛力的對(duì)比分析 

　　自由藻與固定藻污水處理系統(tǒng)在不同培養(yǎng)模式下藻密度和pH的變化如圖 7所示.整體看來, 微藻混合培養(yǎng)更適合微藻生物量的富集, 其次, 微藻固定化處理后藻生物量富集效應(yīng)低于自由藻.混合培養(yǎng)條件下[圖 7(a)], 自由藻和固定藻生物密度隨污水NH4+-N濃度變大而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì), 當(dāng)NH4+-N初始濃度為30 mg·L-1時(shí), 5d培養(yǎng)后, 自由藻和固定藻生物密度分別為(126.0±8.4)cells·mL-1和(90.8±4.8)cells·mL-1, 而當(dāng)NH4+-N初始濃度為70 mg·L-1時(shí), 自由藻生長(zhǎng)則呈現(xiàn)抑制效應(yīng); 培養(yǎng)期間pH的變化趨勢(shì)可以看出, NH4+-N初始濃度為50 mg·L-1時(shí), 光合作用最為活躍.異養(yǎng)培養(yǎng)條件下[圖 7(b)], 藻密度隨NH4+-N濃度變化趨勢(shì)并不明顯, 尤其固定藻生物密度隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)變化平緩, 在70 mg·L-1條件下, 最后還呈現(xiàn)生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象.

　　圖 7

 圖 7 混合和異養(yǎng)培養(yǎng)模式下自由藻和固定藻處理系統(tǒng)內(nèi)藻密度和pH變化

　　3 討論

　　微藻培養(yǎng)耦合污水處理, 實(shí)現(xiàn)了污水凈化和生物質(zhì)回收雙重效應(yīng), 改變了污水處理的傳統(tǒng)理念, 是污水可持續(xù)與資源化處理的典范.微藻固定化處理是解決藻水分離困難的最佳手段, 然而, 固定化藻球的性能發(fā)揮與其制備條件和賦存環(huán)境密切相關(guān).本研究主要從固定劑濃度、交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間這3個(gè)因子出發(fā), 既要保證制備的藻球具有一定機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能, 同時(shí)也不能影響微藻包埋體中的生長(zhǎng)速率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 3個(gè)因子存在交互作用, 共同決定著藻球的性能.其中, 固定劑濃度是影響藻球機(jī)械強(qiáng)度和生長(zhǎng)速率最關(guān)鍵的因子, 固定劑濃度越大, 機(jī)械強(qiáng)度越大, 而生長(zhǎng)速率越低.主要原因是隨著SA濃度的增大, 它與CaCl2溶液形成的凝膠網(wǎng)格就越緊密, 機(jī)械強(qiáng)度就會(huì)隨之增大, 但也會(huì)縮小物質(zhì)傳輸通道, 阻礙包埋藻細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝物的排放, 隨著時(shí)間的延續(xù), 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷耗盡和代謝產(chǎn)物不斷增加, 導(dǎo)致藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率逐漸降低.韓麗君等研究分析了SA與不同濃度Ca2+的結(jié)合情況, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)SA與Ca2+的結(jié)合速度與SA濃度無明顯相關(guān)性, 但SA濃度與海藻酸鈣凝膠的強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系.該結(jié)論與本研究一致, 但本研究也發(fā)現(xiàn)SA濃度過高, 造粒時(shí)容易形成拖尾現(xiàn)象, 成球效果差, 且固化耗時(shí)長(zhǎng), 這可能是由于隨著SA濃度增大, 藻球機(jī)械強(qiáng)度增大, 可塑性變差引起.然而, 對(duì)于藻球傳質(zhì)性能影響最大的因子則是交聯(lián)劑濃度, 據(jù)報(bào)道, 當(dāng)CaCl2溶液濃度較低時(shí), Ca2+與Na+的交換速度緩慢致使凝膠凝固能力弱且皮層薄, 傳質(zhì)能力相對(duì)較高; 但隨著CaCl2溶液的增加, 交聯(lián)程度則會(huì)隨之增大, 凝膠表面會(huì)迅速形成致密的交聯(lián)結(jié)構(gòu), 因而藻球的傳質(zhì)能力也會(huì)隨之降低.雖然, 交聯(lián)時(shí)間不是影響最顯著的因子, 但其長(zhǎng)短仍會(huì)對(duì)藻球性能產(chǎn)生影響.交聯(lián)時(shí)間越長(zhǎng), 固定化凝膠的強(qiáng)度越高, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊密, 不僅不利于傳質(zhì), 也會(huì)使包埋細(xì)胞活性降低.蔣宇紅等研究了不同交聯(lián)時(shí)間下SA包埋微生物細(xì)胞后的性能, 指出18 h為最適宜時(shí)間, 該研究與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近.

　　海藻膠是具有多孔性結(jié)構(gòu)的螯合物, 為包埋細(xì)胞提供了良好的生存環(huán)境, 保證了細(xì)胞的安全.而初始包埋藻密度是固定化系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因子, 本研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定藻處理系統(tǒng)中藻密度達(dá)到1×107 cells·mL-1時(shí), 藻球僅在培養(yǎng)初期表現(xiàn)一定的NH4+-N去除效果, 隨后則出現(xiàn)下降趨勢(shì), 表明藻球的NH4+-N回收性能與包埋藻密度并不呈線性關(guān)系.引起這種變化的主要原因是在有限的空間中隨著藻細(xì)胞密度的增加, 藻球中空隙被最大限度填充, 傳質(zhì)阻力增加, O2擴(kuò)散速率降低, 微環(huán)境中CO2/O2比率失衡, 降低了藻細(xì)胞的活力; 其次, 隨著藻類趨光生長(zhǎng)的特性, 越來越多的藻細(xì)胞集中于藻球表面, 細(xì)胞堆疊形成相互遮掩, 導(dǎo)致透光性降低, 光合作用減弱, 進(jìn)而影響藻球?qū)�NH4+-N的去除效率; 再者, 藻細(xì)胞極大地占據(jù)藻球有限的空間, 會(huì)使N素進(jìn)入藻球的路線變長(zhǎng), 這將會(huì)降低藻球性能, 同時(shí)也會(huì)隨著細(xì)胞增殖削弱聚合鍵力使其喪失結(jié)合藻細(xì)胞的能力, 從而導(dǎo)致細(xì)胞泄漏.因此, 選擇合適的包埋藻密度是藻球性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素.

　　微藻混合培養(yǎng)是一個(gè)較為復(fù)雜的生化過程, 涉及光能的吸收轉(zhuǎn)化以及有機(jī)物的同化利用等.而微藻能否利用胞外光有機(jī)碳取決于其是否具備完善的有機(jī)物代謝機(jī)制.本研究結(jié)果顯示, 斜生柵藻是具備利用有機(jī)物的機(jī)制, 且在一定范圍內(nèi)隨著有機(jī)物濃度的增加, 微藻生長(zhǎng)速度提高, 與米-門氏方程的描述相符.也有研究報(bào)道, C/N是決定微藻油脂富集的關(guān)鍵因子, 認(rèn)為C/N較低, N源含量過高時(shí)不利于油脂的積累, 間接表明有機(jī)碳源濃度是限制藻生物量的影響因子.因此, 選擇合適的COD濃度也是實(shí)現(xiàn)微藻NH4+-N去除的關(guān)鍵.

　　微藻對(duì)無機(jī)N的消耗主要是光合作用電子傳遞引起, 固定化藻球?qū)�NH4+-N的去除主要依靠藻球的吸附和藻細(xì)胞的同化作用.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 固定化藻球的顏色由投入初期的淺綠色變?yōu)樯罹G色, 表明微藻吸收N元素完成細(xì)胞增殖, 并合成細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸和葉綠素等活性物質(zhì).本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 固定藻對(duì)NH4+-N的去除潛力整體要高于自由藻, 但在低濃度下, 自由藻的優(yōu)勢(shì)則更為明顯.主要原因是固定藻的傳質(zhì)效率要低于自由藻, 但隨著NH4+-N濃度的增加, 自由藻生長(zhǎng)受到抑制, 而固定藻由于受到凝膠的保護(hù)作用, 其耐受濃度增大; 其次, 由于固定化技術(shù)可以使藻細(xì)胞濃縮于膠球內(nèi), 從而大大提高了單位體積內(nèi)藻細(xì)胞的密度, 這可能也是固定藻性能優(yōu)于自由藻的重要原因.谷氨酸胺合成酶途徑是微藻同化NH4+-N的重要途徑, 而過量吸收NH4+-N會(huì)抑制葉綠體光合作用從而對(duì)微藻生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響.當(dāng)自由藻在70 mg·L-1 NH4+-N下培養(yǎng)就呈現(xiàn)生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象, 而固定藻由于受到固定化載體的保護(hù), 其生長(zhǎng)速率略低于自由藻, 混合培養(yǎng)下并未出現(xiàn)生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象, 且生長(zhǎng)周期大大延長(zhǎng).而對(duì)比異養(yǎng)條件下微藻生長(zhǎng)情況可以發(fā)現(xiàn), 光照是影響其生長(zhǎng)和NH4+-N回收的重要因素, 已有研究表明光照不僅能影響光合固碳速率, 也能影響藻細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度和能荷水平, 藻細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢, 對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽需求降低.而體系中pH變化不僅是光合作用強(qiáng)弱的反映, 也是影響微藻NH4+-N回收的關(guān)鍵環(huán)境因子, pH過高或過低都將會(huì)抑制微藻的生長(zhǎng).其影響機(jī)制主要是通過影響微藻細(xì)胞內(nèi)外的酸堿環(huán)境、離子平衡和膜結(jié)構(gòu)滲透性, 進(jìn)而影響傳質(zhì)和代謝過程.此外, pH過高也會(huì)使NH4+-N揮發(fā), 導(dǎo)致微藻不能高效吸收而導(dǎo)致生物量增長(zhǎng)緩慢, 影響生物質(zhì)富集.然而, 藻球使用壽命以及工程化應(yīng)用依舊是下一步工作的重點(diǎn).

　　4 結(jié)論

　　(1) 藻球性能與固定劑濃度、交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間密切相關(guān).通過RSM法耦合BBD設(shè)計(jì), 固定劑濃度對(duì)藻球性能的影響最大, 且當(dāng)固定劑濃度、交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間分別為5%、2%和16 h時(shí), 藻球性能最優(yōu), 兼?zhèn)淞己玫臋C(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)速率和生長(zhǎng)速率.

　　(2) 藻球中包埋藻密度及其環(huán)境COD濃度也是其發(fā)揮高效NH4+-N去除能力的關(guān)鍵因子.高包埋密度雖能在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)較大的NH4+-N去除能力, 但壽命較短且易造成藻球破裂; 而COD濃度與微藻混合培養(yǎng)條件下NH4+-N去除能力正相關(guān).本研究指出包埋密度為1×106 cells·mL-1, COD為300 mg·L-1時(shí), 藻球NH4+-N去除能力最強(qiáng), 5 d后NH4+-N幾乎可完全去除.

　　(3) 固定藻對(duì)高濃度NH4+-N的去除潛力顯著優(yōu)于自由藻, 且混合培養(yǎng)條件下的去除潛力要強(qiáng)于異養(yǎng)培養(yǎng).當(dāng)污水NH4+-N初始濃度約為50和70 mg·L-1時(shí), 固定化微藻混合培養(yǎng)5 d后NH4+-N去除率分別為(96.6±0.1)%和(65.2±4.5)%, 而異養(yǎng)條件下僅為(34.9±1.6)%和(29.4±1.3)%; 當(dāng)污水NH4+-N初始濃度約為30 mg·L-1時(shí), 自由藻混合培養(yǎng)第3 d后對(duì)NH4+-N的去除率高達(dá)(97.8±0.6)%, 并維持穩(wěn)定潛力.(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：劉祥)