論低溫下光照對(duì)高效藻塘去除重金屬的影響論文
高效藻塘(HRAP)通過利用藻類和細(xì)菌等生物體自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性來吸附代謝重金屬離子，適宜處理大體積低濃度的重金屬廢水。高效藻塘中藻類作為生物載體為細(xì)菌等微生物提供附著環(huán)境，并分泌胞外聚合物為細(xì)菌提供營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌通過產(chǎn)生促藻類生長激素，促進(jìn)藻類生長，兩者相互促進(jìn)，共同影響著高效藻塘的生態(tài)平衡，因此藻菌的生長狀況直接影響高效藻塘處理污染物的效果。
藻菌的生長離不開氮、磷等營養(yǎng)元素,同時(shí)又受溫度、pH 值、光照等多種環(huán)境因子的影響。由于多數(shù)地區(qū)年內(nèi)溫度、光照條件隨著季節(jié)變化有明顯的差異，高效藻塘污染物的去除效果也呈現(xiàn)出季節(jié)性的變化。研究表明，溫度和光照不僅影響藻類的光合作用，同時(shí)影響到重金屬的毒性和被吸附特性。溫度是影響銅綠微囊藻生長狀況的首要因素，在低于10 ℃的低溫下藻類的生長會(huì)受到抑制，應(yīng)用于處理重金屬廢水的絕大數(shù)微生物最適宜生長的溫度范圍是20~30℃，不同溫度下高效藻塘對(duì)污染物去除效果具有顯著性差異。光照強(qiáng)度與光照時(shí)間對(duì)藻類的影響存在復(fù)雜的交互作用，在低光照時(shí)，每日最佳光照時(shí)間需有所延長。光照度在6 000~15 000 lx 范圍內(nèi)最利于藻類細(xì)胞的生長。當(dāng)光照度小于1 000 lx 時(shí),銅綠微囊藻生長受到明顯的抑制,其比增值速率為負(fù)數(shù),呈衰亡趨勢。在一定范圍內(nèi)，隨光照周期的延長銅綠微囊藻最大比增長率和最大細(xì)胞數(shù)也增加。適宜溫度下，將處理紡織廢水的藻塘光照時(shí)間由16 h 延長至24h，Zn、Pb 的去除效率分別提高了13%、12%。
現(xiàn)有文獻(xiàn)中適溫條件下光照對(duì)藻類生長及重金屬去除效果影響的報(bào)道較多，光照對(duì)HRAP 藻菌共生系統(tǒng)，尤其是在低溫下對(duì)重金屬去除效果影響的報(bào)道還較少，本實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建藻菌共生的高效藻塘來研究在低溫下(晝夜溫度3~8 ℃、4~14 ℃)，光照條件的改變對(duì)藻菌共生系統(tǒng)生長狀況以及對(duì)高效藻塘去除重金屬效果的影響，為HRAP 越冬期提高重金屬廢水處理效率提供依據(jù)。
1 材料和方法
1.1 儀器與試劑
1.1.1 儀器
Manta2.0 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(美國Eureka 公司)、Z-2000 系列偏振塞曼原子吸收分光光度計(jì)(日本日立株式會(huì)社)、MARS-X 微波消解儀(美國CEM 公司)、BIC-300 人工氣候箱、恒溫培養(yǎng)箱、光照計(jì)等。
1.1.2 試劑
硝酸鉛、重鉻酸鉀、硫酸鋅、硝酸，均為分析純;瓊脂粉、牛肉浸膏、魚粉蛋白胨等，均為生物純;鉻標(biāo)準(zhǔn)液，鉛標(biāo)準(zhǔn)液，鋅標(biāo)準(zhǔn)液。
1.2 實(shí)驗(yàn)材料與裝置
1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料
銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)由中國科學(xué)院武漢水生生物研究所提供，投加適量的活性污泥懸浮液，構(gòu)建成藻菌共生系統(tǒng)，在光照度3 000 lx，光暗比12:12，溫度25 ℃的人工氣候氣候箱中用BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)，定期接種。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
高效藻塘由4 個(gè)1 m×0.6 m×0.6 m 的有機(jī)玻璃長方體組成，中間加隔板形成水流循環(huán)廊道，進(jìn)水廊道一側(cè)安裝低速攪拌器，藻塘內(nèi)懸掛易于銅綠微囊藻附著生長的布條膜，藻塘的上方安裝可調(diào)節(jié)光照度的人工光源。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1 實(shí)驗(yàn)因素設(shè)計(jì)
取處于對(duì)數(shù)期的銅綠微囊藻菌液，根據(jù)銅綠微囊藻在冬季自然水體下的藻細(xì)胞密度將藍(lán)綠藻細(xì)胞數(shù)稀釋到在2 486~2 563 cells/mL，在華東地區(qū)冬季兩個(gè)不同低溫下，根據(jù)光照度與晝夜光照時(shí)間的不同，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為8 個(gè)水平，參考污水排放綜合標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978-1996) 將高效藻塘重金屬Cr2+、Pb2+、Zn2+的進(jìn)水濃度分別設(shè)置為0.5、1、2 mg/L。
1.3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測定
實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為6 d，每個(gè)光周期結(jié)束后取樣測量重金屬濃度;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測量銅綠微囊藻中藍(lán)綠藻細(xì)胞數(shù)和細(xì)菌數(shù)量。
高效藻塘中Cr6+、Pb2+、Zn2+濃度測定測定：取定量的水樣經(jīng)過濾后，按USEPA 3015 方法對(duì)水樣進(jìn)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計(jì)進(jìn)行測定。
細(xì)菌總數(shù)、銅綠微囊藻細(xì)胞密度的測定：將水樣配置成不同級(jí)別的稀釋液，根據(jù)細(xì)菌學(xué)檢驗(yàn)法[12]在牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上30 ℃恒溫培養(yǎng)48 h 后，觀察細(xì)菌菌落的總數(shù)。將高效藻塘內(nèi)水體攪拌靜置2 min后，用Manta2.0 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測量銅綠微囊藻菌液中的藍(lán)綠藻細(xì)胞密度。
1.3.3 分析與統(tǒng)計(jì)
多因素方差分析采用MATLAB 7.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件;曲線擬合及數(shù)據(jù)圖繪制均在Origin8.0 軟件中完成。
2 結(jié)果與討論
2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1.1 不同光照溫度下藻類與細(xì)菌生長狀況
在不同溫度與光照環(huán)境下經(jīng)過5 d 生長后，高效藻塘中藍(lán)綠藻濃度，藍(lán)綠藻密度整體隨著溫度、光照度與光照時(shí)間的增加呈現(xiàn)不同程度的增殖。藍(lán)綠藻在6 000 lx 光照度時(shí)藻濃度明顯高于3 000lx 同等環(huán)境下的藻濃度。在光照度3 000 lx、光照時(shí)間12 h、晝夜溫度(8/3 ℃)處理組中藍(lán)綠藻濃度基本維持在2 486~2 563 cells/mL 的初始藻密度水平，當(dāng)光照度增加到6 000 lx，光照時(shí)間16 h 時(shí)，藻濃度增值到5 049~5 108 cells/mL。在晝夜(14~4 ℃)增加光照和光照時(shí)間，藻濃度較晝夜(8~3 ℃)時(shí)增殖量大，光照度為6 000 lx、光照時(shí)間16 h、藍(lán)綠藻增長量最多，藻濃度在6 048~5 530 cells/mL。
在不同溫度與光照的環(huán)境下經(jīng)過5 d 生長后，高效藻塘細(xì)菌數(shù)量，光照度與光照時(shí)間對(duì)細(xì)菌數(shù)量的影響隨著溫度的變化有不同的變化規(guī)律。晝夜溫度(8~3 ℃)下細(xì)菌的增殖緩慢，隨著光照度增加與光照時(shí)間的延長，細(xì)菌數(shù)量也呈增加趨勢，當(dāng)光照度6 000 lx，光照時(shí)間16 h 時(shí)，細(xì)菌數(shù)量為35×104CFU/mL。晝夜(14~4 ℃)細(xì)菌增殖迅速，當(dāng)光照時(shí)間12 h，在光照度3 000 lx、6 000 lx 時(shí)細(xì)菌數(shù)量分別為166×104 CFU/mL、18×104 CFU/mL。但該溫度下，細(xì)菌數(shù)量隨光照時(shí)間的延長，大幅度的減少，當(dāng)光照時(shí)間為16 h，光照度3 000 lx、6 000 lx 時(shí)的細(xì)菌數(shù)量則分別降為82×104 CFU/mL、90×104 CFU/mL。
2.1.2 不同水平組合高效藻塘中Zn2+、Pb2+、Cr6+的濃度變化
在晝夜溫度(8~3 ℃) 與晝夜溫度(14~4 ℃)條件下，隨著光照度與光照時(shí)間的增加，高效藻塘中重金屬Zn2+、Pb2+、Cr6+的濃度均持續(xù)降低。且在同等光照條件下，相對(duì)于晝夜溫度(8~3 ℃)及(14~4℃)時(shí)的.重金屬去除效率要高。
由圖2(a~d)所示藻塘對(duì)Zn2+和Pb2+的濃度具有相似的下降趨勢，高效藻塘在3 000 lx 的光照下，Zn2+和Pb2+的去除曲線平緩，當(dāng)光照度增加到6 000 lx，處理的前兩天藻塘內(nèi)Zn2+和Pb2+濃度迅速下降，之后去除曲線則趨于平緩。晝夜溫度(3~8 ℃)，在光照度3 000lx，光照時(shí)間12 h，經(jīng)過藻塘5 d 的處理，水中Zn2+、Pb2+的濃度分別降低到1.96、0.78 mg/L。當(dāng)光照度增加到6 000 lx，光照時(shí)間延長至16 h 時(shí)，Zn2+、Pb2+的濃度降低到1.32、0.59 mg/L。在晝夜溫度(4~14 ℃)下，經(jīng)過5 d 的處理后，在光照度3 000 lx，光照時(shí)間12h，水中Zn2+、Pb2+的濃度降低到1.87 mg/L、0.86 mg/L。而在6 000 lx 的人工光照度和16 h 光照時(shí)間下，Zn2+、Pb2+的濃度降低到1.10、0.42 mg/L，說明光照強(qiáng)度的增加和光照時(shí)間的延長可增加重金屬的去除量。
由圖2(e~f)藻塘內(nèi)重金屬Cr6+的濃度隨著光照度增加和光照時(shí)間的延長也逐步降低，但其濃度下降的幅度沒有其他兩種重金屬的大，同等光照條件下，晝夜溫度(3~8 ℃)與晝夜溫度(4~14 ℃)對(duì)高效藻塘去除Cr6+沒有太大的影響，在光照度3 000 lx，光照時(shí)間12 h，水中Cr6+的濃度分別降低0.41、0.39 mg/L。當(dāng)光照度增加到6 000 lx,光照時(shí)間為16 h 時(shí)，水中Cr6+的濃度分別降低到0.33、0.32 mg/L。
在藻塘處理重金屬廢水的過程中，藻塘中的金屬濃度的變化呈現(xiàn)先快速下降，后平緩下降的規(guī)律。這與活藻處理重金屬廢水的特點(diǎn)是相符合活藻體吸附分為兩個(gè)階段，第一階段與代謝無關(guān)，金屬離子通過離子交換等作用附著在細(xì)胞表面，金屬與生物基質(zhì)作用較快，第二階段為生物富集過程，相對(duì)緩慢。在6 d 的重金屬去除實(shí)驗(yàn)中，3 種重金屬的最終去除量存在很大的差異性，重金屬的種類、濃度，以及共存離子之間相互競爭作用可能是影響其去除效果的影響因素。Zn2+的去除量是最大的，一方面是由于Zn2+的進(jìn)水濃度略高于Pb2+與Cr6+，另一方面Zn2+作為藻類生長的必要元素因?yàn)殂~綠微囊藻的大量增殖，導(dǎo)致高效藻塘中Zn2+的濃度不斷降低。銅綠微囊藻對(duì)Pb2+與Cr6+耐性機(jī)制導(dǎo)致其富集作用，但富集能力與耐受性并不一定成正比，由于Pb2+與Cr6+對(duì)藻類具有一定的致毒效應(yīng)，藻類在生長代謝的過程中會(huì)選擇性的吸收，并且當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Pb2+與Cr6+的濃度過高時(shí)，藻類會(huì)通過外排作用，減少這2 種重金屬的吸收，使得藻塘內(nèi)Pb2+與Cr6+的去除量維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平。
2.2 實(shí)驗(yàn)分析
2.2.1 不同水平組合高效藻塘中Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率
隨著光照度增大和光照時(shí)間的延長，藻塘中Zn2+、Pb2+與Cr6+ 3 種重金屬的去除率不斷的提高，晝夜溫度4~14 ℃，在接近于自然的3 000 lx 光照度，光照時(shí)間為12 h 的環(huán)境下，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分別為20.5%、24.3%、23.3%。當(dāng)光照度增加6 000 lx，光照時(shí)間延長為16 h 時(shí)，相對(duì)于光照度在3 000 lx，光照時(shí)間為12 h 的正常環(huán)境下，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分別提高到54.9%、67.4%、49.0%。晝夜溫度3~8 ℃，在3 000 lx 光照度, 光照時(shí)間為12 h 的環(huán)境下，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分別為15.8%、17.2%、15.5%。當(dāng)光照度增加6000 lx，光照時(shí)間延長為16 h 時(shí)，Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除率分別提高到40.7%、42.7%、44.3%。
Sekomo 等[11]研究表明高效藻塘在適宜溫度25 ℃下，增加光照對(duì)Zn2+、Pb2+、Cr6+ 3 種重金屬的去除效率分別為80%、36%、94%，Zn2+、Cr6+的去除率高于低溫同等光照條件下的去除率，Pb2+去除效率與低溫下相近。一方面是由于相比于適宜溫度25 ℃，低溫條件下，高效藻塘的藻菌生長增殖以及代謝活動(dòng)會(huì)受一定程度的抑制，使得藻菌對(duì)藻塘中重金屬的吸附吸收量減少。另一方面Sekomo 等實(shí)驗(yàn)研究的Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除量與本實(shí)驗(yàn)的去除量相近，但是由于重金屬的設(shè)計(jì)濃度要低于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的濃度，所以整體去除率高于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
2.2.2 多因素多水平方差分析
對(duì)多因素不同水平組合高效藻塘的各測量指標(biāo)進(jìn)行多因素方差分析，如表2 所示，對(duì)藍(lán)綠藻濃度的方差分析表明：溫度與光照度對(duì)高效藻塘中藻類生長有顯著影響，且光照度的影響略大，光照時(shí)間的延長以及因素兩兩交互作用對(duì)藻類的生長均沒有顯著性影響。對(duì)細(xì)菌數(shù)量的方差分析則表明：溫度對(duì)細(xì)菌的生長增殖具有顯著性的影響，單一的光照度與光照時(shí)間的變化對(duì)細(xì)菌數(shù)量沒有顯著性的影響，但溫度與光照時(shí)間交互作用對(duì)細(xì)菌數(shù)量影響是顯著的。
對(duì)3 種重金屬去除率的多因素方差分析表明，溫度、光照度、光照時(shí)間三因素對(duì)藻塘中Zn2+的去除率均具有顯著性影響，影響因素的排序?yàn)楣庹斩?gt;光照時(shí)間>溫度，光照度與光照時(shí)間的交互作用對(duì)其也有顯著的影響。Pb2+去除率受溫度與光照度的影響顯著，光照度的影響要大于溫度，三因素兩兩的交互作用對(duì)其沒有顯著性影響。Cr6+的去除率則僅受光照度的顯著性影響。
2.2.3 藻濃度與細(xì)菌數(shù)量對(duì)Zn2+、Pb2+、Cr6+去除率的影響
高效藻塘中的藻濃度與Zn2+、Pb2+、Cr6+去除率具有線性相關(guān)關(guān)系，藻濃度越高，重金屬的去除率的整體趨勢也越高。Pb2+的去除率與藻濃度的擬合效果最好(R2=0.972 85)，Zn2+次之(R2=0.923 61)，Cr6+的去除率相對(duì)Zn2+、Pb2+擬合效果較差。細(xì)菌數(shù)量與Zn2+、Pb2+、Cr6+ 3 種重金屬的線性擬合效果均較差。本研究結(jié)果表明，在冬季低溫條件下，通過人工增加高效藻塘的光照度以及光照時(shí)間，可以有效的提高藻塘內(nèi)藻類與細(xì)菌的數(shù)量，高效藻塘中重金屬Zn2+、Pb2+、Cr6+的去除效率與銅綠微囊藻濃度有直接關(guān)系，藻濃度越高，重金屬的去除率越高。而藻塘中細(xì)菌的數(shù)量關(guān)系與重金屬去除效率規(guī)律不具有線性關(guān)系，一方面是由于藻類處理重金屬的量遠(yuǎn)大于藻塘中細(xì)菌的處理量，另一方面藻塘中pH 呈弱堿性，而細(xì)菌在酸性或者中性偏酸時(shí)對(duì)重金屬的才有較好的去除效果，所以整個(gè)藻塘的重金屬的去除規(guī)律趨向于藻類去除重金屬的規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)中增加光照度對(duì)藻類的影響與陳雪初等研究結(jié)論在5 00~9 000 lx 內(nèi)增加光照度，銅綠微囊藻藻細(xì)胞密度也增加是一致的。延長光照時(shí)間對(duì)藻類的生長情況也與沈英嘉等[10]在23~29 ℃下，一定范圍內(nèi)隨光照周期的延長銅綠微囊藻最大比增長率和最大細(xì)胞數(shù)也在增加的結(jié)論是一致的。但本研究結(jié)果顯示，溫度、光照度與光照時(shí)間對(duì)影響高效藻塘中藻類生長狀況的強(qiáng)弱順序?yàn)楣庹斩?gt;溫度>光照時(shí)間。選擇的溫度梯度不同，可能是導(dǎo)致結(jié)果與袁麗娜等[7]研究的低溫條件下溫度是藻類生長的首要限制因素，溫度與藻類的增長效應(yīng)不顯著(p>0.05)結(jié)論有所差別。
3 結(jié)論
正交實(shí)驗(yàn)表明，光照對(duì)高效藻塘的影響較溫度影響更顯著，光照強(qiáng)度由3 000 lx 增加到6 000 lx，光照時(shí)間由12 h 延長至16 h 可以明顯提高HRAP 中藍(lán)綠藻藻濃度與細(xì)菌數(shù)量，說明在低溫條件下，增加光照強(qiáng)度和延長光照時(shí)間可以提高高效藻塘中藻菌的數(shù)量。在晝夜溫度4~14 ℃條件下，光照度6 000 lx和光照時(shí)間16 h，相比于光照度3 000 lx 和光照時(shí)間12 h，Zn2 +、Pb2 +、Cr6 +的去除率分別提高了34.4%、43.1%、25.7%。在晝夜溫度3~8℃條件下，其去除率分別提高了24.9%、25.5%、19.8%。
進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，重金屬去除率與藻濃度呈一定程度的正相關(guān)性，與細(xì)菌數(shù)量不具有線性關(guān)系�？傮w而言，光照度與光照時(shí)間通過控制HRAP 中藻類與細(xì)菌的生長，增加對(duì)重金屬的吸收富集而達(dá)到間接提高重金屬的去除效果。
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