CN103992996A

CN103992996A - 一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN103992996A
Application number: CN201410176109.0A
Authority: CN
Inventors: 毛欣欣; 蒋霞敏; 张泽凌
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-08-20

Abstract

本发明公开了一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法及其应用，特点是将N饥饿处理1d的原绿球藻液于8000r/min，10℃离心浓缩15min后，将沉淀用无菌蒸馏水冲洗，再离心2次后，将沉淀加入少量COA改良培养液配成悬浮液，然后取一定体积的悬浮液与预先灭菌的5wt%的褐藻酸钠溶液混合均匀，用注射器吸取褐藻酸钠和微藻的混合液，套上针头，在距离质量浓度为2%的CaCI₂溶液液面20cm处，慢慢滴入褐藻酸钠和微藻的混合液形成直径约2mm的藻球，静置2h后形成固定化藻球，藻球中原绿球藻的密度控制为700×10⁴cells/ball，优点是藻细胞密度高、反应速度快、去除效率高、可循环利用。

Description

一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种污水处理方法，尤其是涉及一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法及其应用。

背景技术

目前的污水处理方法主要有物理化学法和生物法。物理化学法处理费用较高，且易产生二次污染，越来越多的学者关注生物处理法。藻类是自养型生物，生长对废水中营养要求较低，以光能作为能源，利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质。因此，藻类可降低水体中的氮、磷含量。另外，藻类细胞具有富集金属的能力，对一些金属离子如Zn、Hg、Cd、Cu、U、Pb等金属离子的富集可达几千倍，并且由于其生长速度快，代谢迅速，吸附作用快而净化效率高。因此，利用藻类净化污水正成为污水处理中的重要研究方向。但是，利用悬浮藻虽然去污效果明显，但藻群难以控制，或衰败或爆发，不易收集，常常引起二次污染。若把微藻固定在基质内，使其具有较高浓度，这不仅为藻细胞提供了温和的环境，不易受敌害影响，而且藻群容易控制，可反复使用，提高利用率。

现有的藻类的固定化技术主要有包埋法和吸附法。吸附法主要适于纤丝状藻类，但吸附法可固定细胞量有限，固定的细胞易脱落。包埋法的原理是将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物的网络空间中，通过聚合作用或通过离子网络形成，或通过沉淀作用，或改变溶剂、温度、pH值使细胞截留。该法操作简单，从理论上说细胞和载体间没有束缚，对微生物活性影响小，颗粒强度高，适合大多数藻类的固定化。因此包埋法成为目前应用最广泛的藻类固定方法。

原绿球藻(Prochlorococcus)是八十年代末Chisholm等人(1988)发现的存在于热带和亚热带海洋整个真光层中、迄今发现的一种极特殊的海洋超微型放氧光合自养原核生物，细胞极小，只有0.5-1μm，而且具有特殊的色素组成——二乙烯基叶绿素，喜欢吸收氨氮和活性磷，属广温广盐型，对治理污水有一定的效果。但是，目前国内外还没有公开任何关于利用原绿球藻固定化培养去除NH4⁺-N的相关效果报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种藻细胞密度高、反应速度快、去除效率高、可循环利用的用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法及其应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法，包括以下步骤：

将N饥饿处理1d的原绿球藻液于8000r/min，10℃离心浓缩15min后，将沉淀收集藻泥用无菌蒸馏水冲洗，再离心2次后，将沉淀藻加入少量COA改良培养液配成悬浮液，然后取一定体积的悬浮液与预先灭菌的5％的褐藻酸钠溶液混合均匀，用50mm注射器吸取褐藻酸钠和微藻的混合液，套上针头，在距离质量浓度为2％的CaCI₂溶液液面20cm处，慢慢滴入褐藻酸钠和微藻的混合液，形成直径约2mm的藻球，静置2h后形成固定化藻球，所述的藻球中原绿球藻的密度控制为700×10⁴cells/ball。

所述的COA改良培养液配方如下：NH₄Cl 39mg·L^-1，KH₂PO₃ 10mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 2.5mg·L^-1，MnSO₄·H₂O 0.25mg·L^-1，EDTA-Na₂ 10mg·L^-1，VB₁ 6×10^-3mg·L^-1，VB₁₂ 5×10^-5mg·L^-1。

所述的N饥饿处理的具体过程为：将原绿球藻采用缺N的COA改良培养液自然光照培养，所述的缺N的COA改良培养液配方如下：KH₂PO₃ 10mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 2.5mg·L^-1，MnSO₄·H₂O 0.25mg·L^-1，EDTA-Na₂ 10mg·L^-1，VB₁ 6×10^-3mg·L^-1，VB₁₂ 5×10^-5mg·L^-1。

上述用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的应用，上述固定化原绿球藻藻球按体积比1∶1加入到待处理污水中，置于光照培养箱中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L∶D 12∶12，光照强度20μmol/m²s，处理3d后，有机污水中氨氮去除率达100％。

将使用后的固定化原绿球藻藻球用质量浓度为2％的CaCl₂溶液浸泡1d加固后，用蒸馏水充分清洗藻球后即可置入新鲜天然污水中进行下一轮循环使用，可重复循环利用三次。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法及其应用，以原绿球藻为藻种，采用褐藻胶包埋技术，进行了固定化条件优化，自然状态下悬浮藻或易被浮游动物等摄食，引起生物量减少，藻群衰败，影响去NH₄-N的效果；或藻爆发，藻细胞密度难以人为控制，引起二次污染，而固定化藻由于可以使藻细胞浓缩于胶球内，大大提高了藻细胞的浓度，也阻止了浮游动物的摄食和有害毒物的影响；同时藻细胞密度可以人为控制，且易于固液分离，剩余污泥量少，大大显示出固定化藻处理污水的优越性。影响固定化藻去除NH₄ ⁺-N效果的因素很多，主要有藻密度、藻球用量及环境营养条件等，固定化藻球藻细胞密度越高，去除NH₄ ⁺-N的效果越好，但综合单位藻细胞去除率，包埋密度以700×10⁴cells/ball为宜。经N饥饿处理的藻细胞去除 NH₄ ⁺-N效果显著优于未饥饿组。固定化藻球用量大，去除NH₄ ⁺-N越快，V_水/V_藻球为1∶1培养3d后去除率可达100％。固定化藻球定期加固，有利于延长其使用寿命，增加对NH₄ ⁺-N的吸收量。

综上所述，采用固定化藻类细胞处理污水具有藻细胞密度高、反应速度快、去除效率高、藻细胞易于收获、净化后的水可再利用等优点，是一项重要的生物工程技术，在污水处理中有广阔的应用前景。

附图说明

图1褐藻胶包埋技术固定藻细胞示意图；

图2为不同藻细胞密度去除NH₄ ⁺-N效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例一

1、实验材料

藻种：原绿球藻来自宁波大学海洋学院藻种室。培养用水均经脱脂棉过滤、煮沸消毒，所用容器经高温120℃消毒，培养液采用COA改良培养液，培养体积1000ml。培养条件：水温20±1℃，盐度34，自然光照，不充气。其中COA改良培养液配方如下：NH₄Cl 39mg·L^-1KH₂PO₃ 10mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 2.5mg·L^-1，MnSO₄·H₂O 0.25mg·L^-1，EDTA-Na₂10mg·L^-1，VB₁ 6×10^-3mg·L^-1，VB₁₂ 5×10^-5mg·L^-1。

包埋固定液：5％的褐藻酸钠溶液和预冷的2％CaCl₂水溶液。

人工污水：在COA改良培养液的基础上添加NH₄Cl，NH₄Cl浓度为39mg·L^-1。

天然污水：采自宁波大学西校门河水，经0.2μm孔径超滤膜抽滤，加NaCl调配，盐度为21.6，经沉淀2h后备用，NH₄ ⁺-N浓度为12-30mg/L。

2、原绿球藻藻球的制备方法

一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法包括以下步骤：将N饥饿处理1d的原绿球藻液于8000r/min，10℃离心浓缩15min后，将沉淀收集藻泥用无菌蒸馏水冲洗，再离心2次后，将沉淀藻加入少量COA改良培养液配成悬浮液，然后取一定体积的悬浮液与预先灭菌的5％的褐藻酸钠溶液混合均匀，用注射器吸取褐藻酸钠和微藻的混合液，套上针头，在距离质量浓度为2％的CaCI₂溶液液面20cm处，慢慢滴入褐藻酸钠和微藻的混合液形成直径约2mm的藻球，静置2h后形成固定化藻球，所述的藻球中原绿球藻的密度控制为700×10⁴cells/ball。N饥饿处理的具体过程为：将原绿球藻采用缺N的COA改良培养液自然光照培养，缺N的COA改良培养液配方如下：KH₂PO₃ 10mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 2.5mg·L^-1，MnSO₄·H₂O 0.25mg·L^-1，EDTA-Na₂ 10mg·L^-1，VB₁ 6×10^-3mg·L^-1，VB₁₂ 5×10^-5mg·L^-1。

3、原绿球藻藻球应用

将固定化原绿球藻藻球按体积比1∶1加入到待处理污水中，置于光照培养箱中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L∶D 12∶12，光照强度20μmol/m²s，处理3d后，有机污水中氨氮去除率达100％。

具体实施例二

1、不同固定化藻球密度去NH₄ ⁺-N效果试验

固定化藻球细胞密度分别制备为：0×10⁴、100×10⁴、300×10⁴、500×10⁴、700×10⁴、900×10⁴cells/ball。用250ml三角烧瓶培养，各加200ml人工污水，分别放400个不同细胞密度的藻球，各三平行。放在光照培养箱(GXZ智能型)中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L∶D 12∶12，光照强度20μmol/m²s，每天定时测定污水中NH₄-N的浓度。

采用不同细胞密度藻球进行去除NH₄ ⁺-N效果试验如图1所示，结果表明：包埋藻球细胞密度越高，NH₄ ⁺-N的去除效果越佳，包埋密度为900×10⁴cells/ball时，第5天NH₄ ⁺-N的去除率达94.39％，比密度为100×10⁴cells/ball时高出34.23％；第6天，密度为900×10⁴cells/ball NH₄ ⁺-N的去除率高达98.98％，比100×10⁴cells/ball时高出24.08％。

比较第1天和单位数量藻细胞NH₄ ⁺-N去除效果如表1所示，结果表明：藻球第1天对NH₄ ⁺-N的去除率和单位数量藻细胞(10⁴cells)对NH₄ ⁺-N的去除率均表现为各组差异显著(F**＝13691.587、F**＝560.171)。藻球第1天对NH₄ ⁺-N的去除率随藻密度增加而增大；但单位数量藻细胞(10⁴cells)对NH₄ ⁺-N的去除率却表现为包埋藻细胞密度越大，相对去除率越小。综合考虑，包埋密度以700×10⁴cells/ball(注：在制作藻球时，用血球计数板计数，1ml褐藻酸钠和微藻的混合液能形成40个直径2mm的固定化藻球，按照包埋密度换算，1ml混合液所需藻密度为28000×10⁴cells)为宜。

表1不同藻细胞密度第1天和单位数量藻细胞去除NH₄ ⁺-N效果对比

综上所述，固定化藻球最初的藻密度对去除NH₄-N的效果影响显著，本实验证明最初胶球细胞密度宜选用700×10⁴cells/ball。藻密度与NH₄-N的去除量呈正相关，但是当藻密度逐渐升高，NH₄-N去除率的提高与藻密度增大的速率并不成正比，所以低密度单位细胞对NH₄-N的去除效果优于高密度，高密度藻球只是表现在对NH₄-N绝对去除量上的优势，单个细胞的相对去除量远不及低密度藻球。主要原因为在培养藻类的过程中藻类生长可以引起以下效应：越来越多的细胞集中于藻球的表面，引起细胞的相互遮蔽，限制光合作用，使单位细胞的脱氮效率下降；而且因为细胞会占据藻球有限的空间，使营养物质进入藻球内部的路线变长，引起胶球的稳定性下降及发生细胞泄漏；另外藻球中O₂聚集，限制了CO₂和O₂的比率，降低了细胞的活力。高密度时单位细胞去除率很低，可能是因为密度太高，细胞之间存在遮蔽作用，使陷于藻球中央的细胞不能获得充足的光照，也就不能达到最佳的新陈代谢状态，并且光强限制，很大程度上降低了ATP的消耗，也就影响了NH₄-N的去除。

2、N饥饿处理去NH₄ ⁺-N效果试验

取浓缩藻液均分成三等份，分别进行不饥饿、N饥饿1d和N饥饿2d处理，分别制成密度700×10⁴cells/ball的固定化藻球。用100ml三角烧瓶培养，各取25ml固定化藻球，加75ml人工污水，各三平行，放在光照培养箱(GXZ智能型)中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L∶D 12∶12，光照强度20μmol/m²s，每天定时测定NH₄-N浓度。

经过N饥饿处理1d和2d的藻球去除NH₄ ⁺-N的效果明显优于对照组(不饥饿组)，结果见表2。第1天饥饿1d组NH₄ ⁺-N去除率就达58.69％，饥饿2d组达67.88％，而对照组仅为31.39％。经多重比较分析，培养1d、2d后对照组与饥饿组对NH₄ ⁺-N的去除率差异极显著(F**＝5142.170，F**＝8005.671)。培养3d后对照组与饥饿组差异极显著(F**＝254.93)，而饥饿1d组与2d组之间差异不显著。

表2不同饥饿条件去除NH₄ ⁺-N的效果对比

综上所述，不同的环境营养条件下的固定化微藻去除NH₄-N的效果不同。经过N饥饿处理1d和2d的藻球明显比未经N饥饿处理的藻球去除率高。这可能是因为藻细胞在被短暂地剥夺了N元素后，再重新放入培养基中，会导致细胞对N元素的过量吸收。但是N饥饿时间也不能过长，因为饥饿过程中微藻的生理变化还尚不清楚，可能长期的营养缺乏会导致藻细胞结构的过分退化。

3、藻球用量去NH₄ ⁺-N效果试验

固定化藻球∶人工污水(V_水/V_藻球)为：4∶1、3∶1、2∶1、1∶1，各三平行，放在光照培养箱(GXZ智能型)中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L∶D 12∶12，光照强度20μmol/m²s，定时摇匀，每天定时测定NH₄-N的浓度。

对固定化藻球不同用量(V_水/V_藻球分别为：4∶1、3∶1、2∶1、1∶1)进行NH₄ ⁺-N去除试验，结果见表3。污水中NH₄ ⁺-N初始浓度为27.5mg/L。培养1d对NH₄ ⁺-N的去除率分别为：31.64％，39.82％，54.00％和73.24％。结果表明：藻球用量大，有利于NH₄ ⁺-N的快速去除。

表3固定化藻球不同用量去除NH₄ ⁺-N的效果比较

综上所述，藻球的用量也对固定化藻去除NH₄-N效果有影响。藻球投加量大，有利于NH₄-N的快速去除。这可能是因为藻球用量越大，藻细胞浓度越高，参与反应的藻细胞数目多，有效藻细胞数目也多，对营养物质吸收的量大大增加，所以去除NH₄-N的效果好。

4、固定化藻球CaCl₂加固去NH₄ ⁺-N效果比较

设置空白、加固、不加固三种处理方法，其中空白：加空白珠，每完成一次循环后，用蒸馏水浸泡1d，然后用新鲜天然污水替换处理后的污水进行新的循环。加固：加藻球，每完成一次循环后，用CaCl₂溶液浸泡1d加固，然后用蒸馏水充分清洗藻球后置入新鲜天然污水中进行下一循环。不加固：加藻球，每完成一次循环后，用蒸馏水浸泡1d，然后用新鲜天然污水替换处理后的污水进行新的循环。每组用200ml三角烧瓶培养，加80ml污水，各加300个藻球进行污水处理，固定化藻球使用各三循环，每一循环各为3d。处理试验各三平行，放在光照培养箱(GXZ智能型)中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L∶D 12∶12，光照强度20μmol/m²s。

为了固定化藻球反复使用，进行藻球加固试验，结果见表4。加入藻细胞的试验组去除NH₄ ⁺-N效果明显优于空白组。循环1结束后，加固组与不加固组去除NH₄ ⁺-N效果差异不显著。但循环2结束后，加固组与不加固组去除NH₄ ⁺-N效果差异极显著(F^**＝41292.3)。而且，循环2的去除率明显高于循环1。循环2结束时，不加固组藻球硬度降低，轻压破碎，不能进入循环3的试验。前两个循环，加固组去除率都高于不加固组。加固组循环3去除率略低于循环2。

表4不同加固条件去除NH₄ ⁺-N的效果对比

注：“—”表示胶球碎掉，无法测定NH₄ ⁺-N含量

综上所述，藻胶球在循环使用中，用不用CaCl₂溶液加固去除NH₄-N的效果差异显著。藻球加固后去除NH₄-N的效果显著优于不加固藻球，可能是因为不加固系统细胞泄漏情况高于加固系统，泄漏到水体中的藻细胞被实际污水中的原生动物摄食，导致不加固系统的藻细胞数量低于加固系统，所以NH₄-N的去除率低。不加固胶球在循环使用的过程中，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，藻球最外层会由于水流剪切而剥落下来，导致藻细胞的大量泄漏，胶球细胞密度急速下降，胶球硬度变小，进而破碎。而经过加固的系统由于及时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，泄漏量要少得多，延长了藻球的使用寿命。

随着藻球继续使用，去除NH4-N的效果反而变差，可能是因为藻球内部容积是有限的，而细胞增长则是连续的，所以藻球有一个最大细胞密度，这主要取决于细胞的生长及藻球内部结构和强度。随着藻球内细胞的生长，不断地占用藻球有限的容积，光的通透性、营养物质的传质作用都变差，而且细胞增殖削弱聚合键桥使其丧失结合藻细胞的能力，使部分藻细胞脱落，影响去除效果。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将N饥饿处理1d的原绿球藻液于8000r/min，10℃离心浓缩15min后，将沉淀用无菌蒸馏水冲洗，再离心2次后，将沉淀加入少量COA改良培养液配成悬浮液，然后取一定体积的悬浮液与预先灭菌的5wt%的褐藻酸钠溶液混合均匀，用注射器吸取褐藻酸钠和微藻的混合液，套上针头，在距离质量浓度为2%的CaCI₂溶液液面20cm处，慢慢滴入褐藻酸钠和微藻的混合液形成直径约2mm的藻球，静置2h后形成固定化藻球，所述的藻球中原绿球藻的密度控制为700×10⁴cells/ ball。

2.根据权利要求1所述的一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法，其特征在于所述的COA改良培养液配方如下：NH₄Cl 39mg·L^-1， KH₂PO₃10mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 2.5mg·L^-1，MnSO₄·H₂O 0.25mg·L^-1，EDTA-Na₂10mg·L^-1 ，VB₁6×10^-3 mg·L^-1，VB₁₂5×10^-5 mg·L^-1。

3.根据权利要求1所述的一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的制备方法，其特征在于所述的N饥饿处理的具体过程为：将原绿球藻采用缺N的COA改良培养液自然光照培养，所述的缺N的COA改良培养液配方如下：KH₂PO₃10mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 2.5mg·L^-1，MnSO₄·H₂O 0.25mg·L^-1，EDTA-Na₂10mg·L^-1 ，VB₁6×10^-3 mg·L^-1，VB₁₂5×10^-5 mg·L^-1。

4.一种根据权利要求1所述的用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的应用，其特征在于：将权利要求1的固定化原绿球藻藻球按体积比1：1加入到待处理污水中，置于光照培养箱中培养，培养条件为温度25℃，光照时间L: D 12:12，光照强度20μmol/m²s，处理3d后，有机污水中氨氮去除率达100%。

5.根据权利要求4所述的一种用于去除有机污水中氨氮的固定化原绿球藻藻球的应用，其特征在于：将使用后的固定化原绿球藻藻球用质量浓度为2%的CaCl₂溶液浸泡1d加固后，用蒸馏水充分清洗藻球后即可置入新鲜天然污水中进行下一轮循环使用，可重复循环利用三次。