论低温下光照对高效藻塘去除重金属的影响论文
论低温下光照对高效藻塘去除重金属的影响论文
高效藻塘(HRAP)通过利用藻类和细菌等生物体自身的化学结构及成分特性来吸附代谢重金属离子，适宜处理大体积低浓度的重金属废水。高效藻塘中藻类作为生物载体为细菌等微生物提供附着环境，并分泌胞外聚合物为细菌提供营养物质，细菌通过产生促藻类生长激素，促进藻类生长，两者相互促进，共同影响着高效藻塘的生态平衡，因此藻菌的生长状况直接影响高效藻塘处理污染物的效果。
藻菌的生长离不开氮、磷等营养元素,同时又受温度、pH 值、光照等多种环境因子的影响。由于多数地区年内温度、光照条件随着季节变化有明显的差异，高效藻塘污染物的去除效果也呈现出季节性的变化。研究表明，温度和光照不仅影响藻类的光合作用，同时影响到重金属的毒性和被吸附特性。温度是影响铜绿微囊藻生长状况的首要因素，在低于10 ℃的低温下藻类的生长会受到抑制，应用于处理重金属废水的绝大数微生物最适宜生长的温度范围是20~30℃，不同温度下高效藻塘对污染物去除效果具有显著性差异。光照强度与光照时间对藻类的影响存在复杂的交互作用，在低光照时，每日最佳光照时间需有所延长。光照度在6 000~15 000 lx 范围内最利于藻类细胞的生长。当光照度小于1 000 lx 时,铜绿微囊藻生长受到明显的抑制,其比增值速率为负数,呈衰亡趋势。在一定范围内，随光照周期的延长铜绿微囊藻最大比增长率和最大细胞数也增加。适宜温度下，将处理纺织废水的藻塘光照时间由16 h 延长至24h，Zn、Pb 的去除效率分别提高了13%、12%。
现有文献中适温条件下光照对藻类生长及重金属去除效果影响的报道较多，光照对HRAP 藻菌共生系统，尤其是在低温下对重金属去除效果影响的报道还较少，本实验通过构建藻菌共生的高效藻塘来研究在低温下(昼夜温度3~8 ℃、4~14 ℃)，光照条件的改变对藻菌共生系统生长状况以及对高效藻塘去除重金属效果的影响，为HRAP 越冬期提高重金属废水处理效率提供依据。
1 材料和方法
1.1 仪器与试剂
1.1.1 仪器
Manta2.0 多参数水质监测仪(美国Eureka 公司)、Z-2000 系列偏振塞曼原子吸收分光光度计(日本日立株式会社)、MARS-X 微波消解仪(美国CEM 公司)、BIC-300 人工气候箱、恒温培养箱、光照计等。
1.1.2 试剂
硝酸铅、重铬酸钾、硫酸锌、硝酸，均为分析纯;琼脂粉、牛肉浸膏、鱼粉蛋白胨等，均为生物纯;铬标准液，铅标准液，锌标准液。
1.2 实验材料与装置
1.2.1 实验材料
铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)由中国科学院武汉水生生物研究所提供，投加适量的活性污泥悬浮液，构建成藻菌共生系统，在光照度3 000 lx，光暗比12:12，温度25 ℃的人工气候气候箱中用BG-11培养基培养，定期接种。
1.2.2 实验装置
高效藻塘由4 个1 m×0.6 m×0.6 m 的有机玻璃长方体组成，中间加隔板形成水流循环廊道，进水廊道一侧安装低速搅拌器，藻塘内悬挂易于铜绿微囊藻附着生长的布条膜，藻塘的上方安装可调节光照度的人工光源。
1.3 实验方法
1.3.1 实验因素设计
取处于对数期的铜绿微囊藻菌液，根据铜绿微囊藻在冬季自然水体下的藻细胞密度将蓝绿藻细胞数稀释到在2 486~2 563 cells/mL，在华东地区冬季两个不同低温下，根据光照度与昼夜光照时间的不同，将实验设计为8 个水平，参考污水排放综合标准(GB 8978-1996) 将高效藻塘重金属Cr2+、Pb2+、Zn2+的进水浓度分别设置为0.5、1、2 mg/L。
1.3.2 实验参数测定
实验持续时间为6 d，每个光周期结束后取样测量重金属浓度;实验结束后测量铜绿微囊藻中蓝绿藻细胞数和细菌数量。
高效藻塘中Cr6+、Pb2+、Zn2+浓度测定测定：取定量的水样经过滤后，按USEPA 3015 方法对水样进行消解，用2%的硝酸定容后，用Z-2000 系列偏振塞曼原子吸收分光光度计进行测定。
细菌总数、铜绿微囊藻细胞密度的测定：将水样配置成不同级别的稀释液，根据细菌学检验法[12]在牛肉膏蛋白胨培养基上30 ℃恒温培养48 h 后，观察细菌菌落的总数。将高效藻塘内水体搅拌静置2 min后，用Manta2.0 多参数水质监测仪测量铜绿微囊藻菌液中的蓝绿藻细胞密度。
1.3.3 分析与统计
多因素方差分析采用MATLAB 7.0 统计分析软件;曲线拟合及数据图绘制均在Origin8.0 软件中完成。
2 结果与讨论
2.1 实验结果
2.1.1 不同光照温度下藻类与细菌生长状况
在不同温度与光照环境下经过5 d 生长后，高效藻塘中蓝绿藻浓度，蓝绿藻密度整体随着温度、光照度与光照时间的增加呈现不同程度的增殖。蓝绿藻在6 000 lx 光照度时藻浓度明显高于3 000lx 同等环境下的藻浓度。在光照度3 000 lx、光照时间12 h、昼夜温度(8/3 ℃)处理组中蓝绿藻浓度基本维持在2 486~2 563 cells/mL 的初始藻密度水平，当光照度增加到6 000 lx，光照时间16 h 时，藻浓度增值到5 049~5 108 cells/mL。在昼夜(14~4 ℃)增加光照和光照时间，藻浓度较昼夜(8~3 ℃)时增殖量大，光照度为6 000 lx、光照时间16 h、蓝绿藻增长量最多，藻浓度在6 048~5 530 cells/mL。
在不同温度与光照的环境下经过5 d 生长后，高效藻塘细菌数量，光照度与光照时间对细菌数量的影响随着温度的变化有不同的变化规律。昼夜温度(8~3 ℃)下细菌的增殖缓慢，随着光照度增加与光照时间的延长，细菌数量也呈增加趋势，当光照度6 000 lx，光照时间16 h 时，细菌数量为35×104CFU/mL。昼夜(14~4 ℃)细菌增殖迅速，当光照时间12 h，在光照度3 000 lx、6 000 lx 时细菌数量分别为166×104 CFU/mL、18×104 CFU/mL。但该温度下，细菌数量随光照时间的延长，大幅度的减少，当光照时间为16 h，光照度3 000 lx、6 000 lx 时的细菌数量则分别降为82×104 CFU/mL、90×104 CFU/mL。
2.1.2 不同水平组合高效藻塘中Zn2+、Pb2+、Cr6+的浓度变化
在昼夜温度(8~3 ℃) 与昼夜温度(14~4 ℃)条件下，随着光照度与光照时间的增加，高效藻塘中重金属Zn2+、Pb2+、Cr6+的浓度均持续降低。且在同等光照条件下，相对于昼夜温度(8~3 ℃)及(14~4℃)时的重金属去除效率要高。
由图2(a~d)所示藻塘对Zn2+和Pb2+的`浓度具有相似的下降趋势，高效藻塘在3 000 lx 的光照下，Zn2+和Pb2+的去除曲线平缓，当光照度增加到6 000 lx，处理的前两天藻塘内Zn2+和Pb2+浓度迅速下降，之后去除曲线则趋于平缓。昼夜温度(3~8 ℃)，在光照度3 000lx，光照时间12 h，经过藻塘5 d 的处理，水中Zn2+、Pb2+的浓度分别降低到1.96、0.78 mg/L。当光照度增加到6 000 lx，光照时间延长至16 h 时，Zn2+、Pb2+的浓度降低到1.32、0.59 mg/L。在昼夜温度(4~14 ℃)下，经过5 d 的处理后，在光照度3 000 lx，光照时间12h，水中Zn2+、Pb2+的浓度降低到1.87 mg/L、0.86 mg/L。而在6 000 lx 的人工光照度和16 h 光照时间下，Zn2+、Pb2+的浓度降低到1.10、0.42 mg/L，说明光照强度的增加和光照时间的延长可增加重金属的去除量。
由图2(e~f)藻塘内重金属Cr6+的浓度随着光照度增加和光照时间的延长也逐步降低，但其浓度下降的幅度没有其他两种重金属的大，同等光照条件下，昼夜温度(3~8 ℃)与昼夜温度(4~14 ℃)对高效藻塘去除Cr6+没有太大的影响，在光照度3 000 lx，光照时间12 h，水中Cr6+的浓度分别降低0.41、0.39 mg/L。当光照度增加到6 000 lx,光照时间为16 h 时，水中Cr6+的浓度分别降低到0.33、0.32 mg/L。
在藻塘处理重金属废水的过程中，藻塘中的金属浓度的变化呈现先快速下降，后平缓下降的规律。这与活藻处理重金属废水的特点是相符合活藻体吸附分为两个阶段，第一阶段与代谢无关，金属离子通过离子交换等作用附着在细胞表面，金属与生物基质作用较快，第二阶段为生物富集过程，相对缓慢。在6 d 的重金属去除实验中，3 种重金属的最终去除量存在很大的差异性，重金属的种类、浓度，以及共存离子之间相互竞争作用可能是影响其去除效果的影响因素。Zn2+的去除量是最大的，一方面是由于Zn2+的进水浓度略高于Pb2+与Cr6+，另一方面Zn2+作为藻类生长的必要元素因为铜绿微囊藻的大量增殖，导致高效藻塘中Zn2+的浓度不断降低。铜绿微囊藻对Pb2+与Cr6+耐性机制导致其富集作用，但富集能力与耐受性并不一定成正比，由于Pb2+与Cr6+对藻类具有一定的致毒效应，藻类在生长代谢的过程中会选择性的吸收，并且当细胞内Pb2+与Cr6+的浓度过高时，藻类会通过外排作用，减少这2 种重金属的吸收，使得藻塘内Pb2+与Cr6+的去除量维持在一个相对较低的水平。
2.2 实验分析
2.2.1 不同水平组合高效藻塘中Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率
随着光照度增大和光照时间的延长，藻塘中Zn2+、Pb2+与Cr6+ 3 种重金属的去除率不断的提高，昼夜温度4~14 ℃，在接近于自然的3 000 lx 光照度，光照时间为12 h 的环境下，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分别为20.5%、24.3%、23.3%。当光照度增加6 000 lx，光照时间延长为16 h 时，相对于光照度在3 000 lx，光照时间为12 h 的正常环境下，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分别提高到54.9%、67.4%、49.0%。昼夜温度3~8 ℃，在3 000 lx 光照度, 光照时间为12 h 的环境下，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分别为15.8%、17.2%、15.5%。当光照度增加6000 lx，光照时间延长为16 h 时，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分别提高到40.7%、42.7%、44.3%。
Sekomo 等[11]研究表明高效藻塘在适宜温度25 ℃下，增加光照对Zn2+、Pb2+、Cr6+ 3 种重金属的去除效率分别为80%、36%、94%，Zn2+、Cr6+的去除率高于低温同等光照条件下的去除率，Pb2+去除效率与低温下相近。一方面是由于相比于适宜温度25 ℃，低温条件下，高效藻塘的藻菌生长增殖以及代谢活动会受一定程度的抑制，使得藻菌对藻塘中重金属的吸附吸收量减少。另一方面Sekomo 等实验研究的Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除量与本实验的去除量相近，但是由于重金属的设计浓度要低于本实验设计的浓度，所以整体去除率高于本实验的结果。
2.2.2 多因素多水平方差分析
对多因素不同水平组合高效藻塘的各测量指标进行多因素方差分析，如表2 所示，对蓝绿藻浓度的方差分析表明：温度与光照度对高效藻塘中藻类生长有显著影响，且光照度的影响略大，光照时间的延长以及因素两两交互作用对藻类的生长均没有显著性影响。对细菌数量的方差分析则表明：温度对细菌的生长增殖具有显著性的影响，单一的光照度与光照时间的变化对细菌数量没有显著性的影响，但温度与光照时间交互作用对细菌数量影响是显著的。
对3 种重金属去除率的多因素方差分析表明，温度、光照度、光照时间三因素对藻塘中Zn2+的去除率均具有显著性影响，影响因素的排序为光照度>光照时间>温度，光照度与光照时间的交互作用对其也有显著的影响。Pb2+去除率受温度与光照度的影响显著，光照度的影响要大于温度，三因素两两的交互作用对其没有显著性影响。Cr6+的去除率则仅受光照度的显著性影响。
2.2.3 藻浓度与细菌数量对Zn2+、Pb2+、Cr6+去除率的影响
高效藻塘中的藻浓度与Zn2+、Pb2+、Cr6+去除率具有线性相关关系，藻浓度越高，重金属的去除率的整体趋势也越高。Pb2+的去除率与藻浓度的拟合效果最好(R2=0.972 85)，Zn2+次之(R2=0.923 61)，Cr6+的去除率相对Zn2+、Pb2+拟合效果较差。细菌数量与Zn2+、Pb2+、Cr6+ 3 种重金属的线性拟合效果均较差。本研究结果表明，在冬季低温条件下，通过人工增加高效藻塘的光照度以及光照时间，可以有效的提高藻塘内藻类与细菌的数量，高效藻塘中重金属Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除效率与铜绿微囊藻浓度有直接关系，藻浓度越高，重金属的去除率越高。而藻塘中细菌的数量关系与重金属去除效率规律不具有线性关系，一方面是由于藻类处理重金属的量远大于藻塘中细菌的处理量，另一方面藻塘中pH 呈弱碱性，而细菌在酸性或者中性偏酸时对重金属的才有较好的去除效果，所以整个藻塘的重金属的去除规律趋向于藻类去除重金属的规律。
实验中增加光照度对藻类的影响与陈雪初等研究结论在5 00~9 000 lx 内增加光照度，铜绿微囊藻藻细胞密度也增加是一致的。延长光照时间对藻类的生长情况也与沈英嘉等[10]在23~29 ℃下，一定范围内随光照周期的延长铜绿微囊藻最大比增长率和最大细胞数也在增加的结论是一致的。但本研究结果显示，温度、光照度与光照时间对影响高效藻塘中藻类生长状况的强弱顺序为光照度>温度>光照时间。选择的温度梯度不同，可能是导致结果与袁丽娜等[7]研究的低温条件下温度是藻类生长的首要限制因素，温度与藻类的增长效应不显著(p>0.05)结论有所差别。
3 结论
正交实验表明，光照对高效藻塘的影响较温度影响更显著，光照强度由3 000 lx 增加到6 000 lx，光照时间由12 h 延长至16 h 可以明显提高HRAP 中蓝绿藻藻浓度与细菌数量，说明在低温条件下，增加光照强度和延长光照时间可以提高高效藻塘中藻菌的数量。在昼夜温度4~14 ℃条件下，光照度6 000 lx和光照时间16 h，相比于光照度3 000 lx 和光照时间12 h，Zn2 +、Pb2 +、Cr6 +的去除率分别提高了34.4%、43.1%、25.7%。在昼夜温度3~8℃条件下，其去除率分别提高了24.9%、25.5%、19.8%。
进一步数据分析，重金属去除率与藻浓度呈一定程度的正相关性，与细菌数量不具有线性关系。总体而言，光照度与光照时间通过控制HRAP 中藻类与细菌的生长，增加对重金属的吸收富集而达到间接提高重金属的去除效果。