一种双层包被结构藻菌共生系统及其应用的制作方法

本发明涉及一种双层包被结构藻菌共生系统及其应用，属于污水处理技术领域。

背景技术：

近年来，由于经济的高速发展、人口的快速增长，工业化、城市化和农业的快速推进，大量营养元素(n、p等)及有机物污染物产生，造成严重的水污染环境问题。采用藻菌共生系统处理污水是一种高效的污水处理方式。20世纪50年代末，oswald等报道了氧化塘中藻菌共生和藻类光合放氧等现象，提出了利用高效藻类塘处理污水的新工艺，随后许多学者对菌藻共生系统进行了基础理论和实际应用的研究。孟睿(2009)等采用正交法将不同比例的地衣芽孢杆菌、硝化细菌、月牙藻和四尾栅藻接种于养殖水中发现，菌藻体系能有效去除水体中的氮、磷污染物。当其体积配比为1:2:2:2时，氨氮、硝酸盐和总磷去除率分别为89％、98％和100％。posadas等通过构建多种微藻和活性污泥组成的菌藻生物膜系统，有机碳、总氮和总磷的去除效率达到91％、70％、85％，处理效果显著高于活性污泥处理系统。

在利用藻类处理污水的技术中，菌藻共生系统具有较强的净化优势，但菌藻之间的关系较为复杂，研究菌藻共生系统的构建及其在污水中的应用较有意义。藻类与微生物之间互利共生关系，一方面，藻类通过光合作用向水体增氧以促进微生物进行好氧代谢，并大量消耗污水中的有机物，同时促进微生物氨化、硝化反应和有机磷矿化的进行。同时藻类作为光合自养生物，以光能为动力，将二氧化碳、水和无机营养盐(氮、磷等)同化成自身的有机物，藻类所分泌的有机物和死亡后的藻体都可以被微生物分解利用。藻类可吸收重金属以减少其对微生物的毒害，还可促进微生物的矿化作用，通过改变价态降低金属元素的毒性。另一方面，微生物在菌藻共生系统中同样对微藻有很大的影响：一是微生物可将藻类难以利用的多糖等复杂有机物分解生成二氧化碳和小分子物质，为微藻的生长提供碳源；二是微生物可将含氮有机物通过氨化和硝化作用生成氨氮、亚硝态氮和硝态氮，从而为藻类的生长提供无机氮源；三是细菌和微藻都能分泌多种酶类、糖肽类以及维生素等胞外产物，促进藻类的生长。

然而，微生物和藻类在增殖过程中都会吸收利用环境中的营养物质，如氮、磷等，如果环境中的营养物质不能够满足微生物和藻类共同生长需要时，微生物和藻类就会产生对营养物质的相互竞争。同时，在黑暗环境中藻类的呼吸作用也会吸收环境中的氧气，从而与微生物产生对氧气的竞争。此外，藻类能够产生抑制微生物生长或毒害微生物的广谱或特殊抗生物活性物质——藻毒素和一些胞外分泌物例如溶解态的氨基酸、抗生素类物质可能对微生物和病原菌也可产生抑制或毒害作用。另一方面，某些微生物可释放微生物毒素抑制藻细胞生长，甚至裂解藻细胞，表现出杀藻效应。

微生物与藻细胞的直接接触，释放可溶解纤维素酶溶解藻细胞的细胞壁，然后溶解整个藻细胞。另外微生物在生长过程中会释放特异性或非特异性化感物质，这些化感物质可通过阻断呼吸链、抑制细胞壁合成等抑制藻细胞的生长，甚至溶解藻细胞，造成共生系统的破坏，从而影响整个共生系统的污水净化效果。

因此，如何解决在环境中的营养物质不能够满足微生物和藻类共同生长需要时产生的相互竞争问题，避免藻菌直接接触造成的相互抑制生长缺陷，又不影响微生物和藻类各自生长，即既避免直接接触造成的相互竞争制约，又能使藻菌共生系统充分发挥其高效去除污染的优势，成为藻菌共生系统高效大规模应用于污水处理的技术难点。

针对目前利用藻菌共生系统都是将微生物和藻细胞进行直接接触包被造成应用范围的制约，本发明应运而生。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足和缺点，提供一种能够内外层协同作用，持续作用时间长的双层包被结构藻菌共生系统，

本发明的另一目的在于提供上述双层包被结构藻菌共生系统的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双层包被结构藻菌共生系统，其特征在于包括内包被层和外包被层，所述的内包被层内包被小球藻，所述的外包被层和内包被层之间包被微生物菌液。该微生物菌液优选为em菌菌液。

本发明中的内包被层通过海藻酸钠凝胶与氯化钙反应固化而成，所述的内包被层含有bg-11液体培养基。

本发明中的外包被层通过海藻酸钠凝胶与氯化钙反应固化而成，所述的外包被层含有微生物培养基和葡甘露聚糖。

一种上述双层包被结构藻菌共生系统的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将bg-11液体培养基和海藻酸钠加热溶解，冷却至室温成内包被凝胶溶液，加入小球藻溶液搅拌形成絮状凝胶，将絮状凝胶逐滴滴入2-6％氯化钙溶液中进行固化反应形成颗粒，至凝胶颗粒表面硬化后取出表面硬化的颗粒，用无菌蒸馏水漂洗终止反应，得第一层小球藻凝胶颗粒结构体，即内包被层包被小球藻；

b、将微生物培养液和海藻酸钠、葡甘露聚糖溶解形成外包被凝胶溶液，冷却至室温后，加入活化后的微生物菌液，将步骤a制得的小球藻凝胶颗粒结构体滴入含有微生物菌液的凝胶溶液混合进行二次包裹，再将二次包裹后的凝胶滴入2-6％氯化钙溶液中进行二次固化反应形成颗粒，至颗粒表面硬化后取出，用无菌蒸馏水漂洗，终止反应，即得双层包被结构藻菌共生系统。

本发明内包被层的bg-11液体培养基与小球藻溶液的体积比为1：1，海藻酸钠与bg-11液体培养基的比例为1：6-8(g/ml)。

本发明中小球藻溶液中小球藻体积密度为0.5-3％。

本发明中的微生物培养液与海藻酸钠、葡甘露聚糖的重量比为10:1:0.5，外包被凝胶溶液与微生物菌液的体积比为1：1，外包被凝胶溶液与内包被凝胶溶液的体积比为1：1。

本发明中的氯化钙溶液的浓度均为质量百分比浓度。

本发明中的微生物菌液优选为em菌菌液，em菌菌液浓度优选为2×10⁵-8×10⁵cfu/ml。

一种上述双层包被结构藻菌共生系统的应用，其特征在于应用于污水净化处理。

本发明双层包被结构藻菌共生系统，在实际污水净化应用中投放量为300-700g/m³，优选500g/m³，可视水体污染程度而调节投放量。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

本发明采用双层包被结构，利用改良后的凝胶膜特性，有效的隔离了微生物和藻细胞，且避免了直接接触造成的相互竞争制约，且又不影响微生物和藻类各自生长和生态功能，使藻菌共生系统充分发挥其去除污染优势，该方法制备工序简单，成本低廉，污水净化效果高效。且该技术解决了在利用微生物处理污水中，em菌流失问题，其内层包被结构可以持续为外层微生物提供氧，取代了传统曝气装备，极大的降低了成本，且耗能少。

本发明持续作用时间长，操作简单，成本低，应用性强。

【附图说明】

图1为本发明双层包被结构藻菌共生系统结构示意图；

1表示内包被层；2表示外包被层；3表示小球藻；4表示微生菌液；

图2为本发明双层包被结构藻菌共生系统制作过程图；

图3为本发明双层包被结构藻菌共生系统实体图；

图4为本发明双层包被结构藻菌共生系统污水净化的总磷净化数据分析图；

图5为本发明双层包被结构藻菌共生系统污水净化的cod净化数据分析图；

图6为本发明双层包被结构藻菌共生系统污水净化的do净化数据分析图；

图7为本发明双层包被结构藻菌共生系统污水净化的氨氮净化数据分析图；

其中，黑体方形表示em菌处理组；黑体圆形表示双层包被结构藻菌处理组；黑体三角形表示对照组；

图8a为实施例1应用到污水处理的净化前的污水图；

图8b为实施例1应用到污水处理的净化后的污水图；

图9为本发明实施例1城市污染水处理的cod净化数据图；

图10为本发明实施例1城市污染水处理的氨氮净化数据图；

图11为本发明实施例1城市污染水处理的总磷浓度净化数据图。

【具体实施方式】

一种双层包被结构藻菌共生系统，包括内包被层1和外包被层2，内包被层1内包被小球藻3，外包被层2和内包被层1之间包被微生物菌液4。

其中，小球藻3以小球藻溶液的形式被包被，小球藻溶液中小球藻的体积密度为0.5-3％，微生物菌液的浓度为2×10⁵-8×10⁵cfu/ml。实际二者的包被浓度可以根据共生系统的体积和要处理的水污染程度进行调配。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步具体详细描述。

实施例1：

a、取50mlbg-11液体培养基和7g海藻酸钠加热溶解，冷却至室温后，加入小球藻溶液50ml搅拌形成絮状凝胶，用滴管吸取含有小球藻的海藻酸钠凝胶，滴入6％氯化钙溶液中进行固化反应，20min后形成的颗粒表面硬化，取出，用无菌蒸馏水漂洗5次，即得第一层小球藻凝胶颗粒结构体；

b、取50ml微生物培养液和5g海藻酸钠、2.5g葡甘露聚糖溶解形成凝胶溶液，冷却至室温后，加入活化后的em菌菌液50ml，用滴管吸取小球藻凝胶颗粒结构体滴入含有em菌凝胶溶液混合包裹，再将包裹后的凝胶结构体滴入2％氯化钙中进行二次固化反应，10min后取出，用无菌蒸馏水漂洗5次，终止反应，即得双层包被结构藻菌共生系统。

实施例2：

a、取42mlbg-11液体培养基和7g海藻酸钠加热溶解，冷却至室温后，加入小球藻溶液42ml搅拌形成絮状凝胶，用滴管吸取含有小球藻的海藻酸钠凝胶，滴入2％氯化钙溶液中进行固化反应，30min后形成的颗粒表面硬化取出，用无菌蒸馏水漂洗5次，即得第一层小球藻凝胶颗粒结构体；

b、取42ml微生物培养液和4.2g海藻酸钠、2.1g葡甘露聚糖溶解形成凝胶溶液，冷却至室温后，加入活化后的em菌菌液42ml，用滴管吸取小球藻凝胶颗粒结构体滴入含有em菌凝胶溶液混合包裹，再将包裹后的凝胶结构体滴入6％氯化钙中进行二次固化反应，8min后表面硬化取出，用无菌蒸馏水漂洗5次，终止反应，即得双层包被结构藻菌共生系统。

实施例3：

a、取56mlbg-11液体培养基和7g海藻酸钠加热溶解，冷却至室温后，加入小球藻溶液56ml搅拌形成絮状凝胶，用滴管吸取含有小球藻的海藻酸钠凝胶，滴入4％氯化钙溶液中进行固化反应，25min后形成的颗粒表面硬化取出，用无菌蒸馏水漂洗5次，即得第一层小球藻凝胶颗粒结构体；

b、取56ml微生物培养液和5.6g海藻酸钠、2.8g葡甘露聚糖溶解形成凝胶溶液，冷却至室温后，加入活化后的em菌菌液56ml，用滴管吸取小球藻凝胶颗粒结构体滴入含有em菌凝胶溶液混合包裹，再将包裹后的凝胶结构体滴入3％氯化钙中进行二次固化反应，10min后表面硬化取出，用无菌蒸馏水漂洗5次，终止反应，即得双层包被结构藻菌共生系统。

污水净化效果室内实验设计：

在蓝色塑料箱(18.0cm×12.0cm×6.5cm)中加入500ml生活污水(总磷为4.654mg/l,氨氮为1.148mg/l,cod为110mg/l,do为2mg/l)，作为处理系统。分别设定直接投放em菌1ml处理组，投放实施例1的双层包被结构藻菌共生系统(10颗，共重2.5g)处理组,并设置对照组，每组设置三个平行实验。每3天测定水体的总磷、氨氮、cod、do，实验周期为15天。

处理结果如图4-7所示，投入双层包被结构藻菌共生系统处理污水，在15天时间内，总磷浓度从4.654mg/l下降为1.8mg/l，cod浓度由110mg/l下降为10mg/l，do浓度由2mg/l升长到6.2mg/l，氨氮浓度由1.148mg/l下降到0.3mg/l，与直接投放em菌相比，表现出显著的污水净化效果。图8a和图8b是处理前、后对比效果图。本发明在城市浅水湖泊污水净化效果实践应用：

为了验证本发明在城市浅水湖泊中污水净化效果，选用一典型受污染的城市浅水湖泊，作为处理对象，该湖泊位于广州市番禺区，属于景观功能型，水域面积40m²，平均水深0.8m，广州多年平均风速为2m/s，主导风向为东南风，年降雨量约为1736mm，湖面呈较规则矩形。该湖长期受外来污水影响，水质情况较差，为劣v类水体，水体总磷浓度为4mg/l，cod为510mg/l，氨氮为35mg/l。将实施例1的双层包被结构藻菌共生系统小球投入到湖泊中，投放密度为500g/m³，每24h采集一次水样，测定主要污染物，实验周期为6d。

处理结果如图9-11所示，投入双层包被结构藻菌共生系统处理污水，在6天时间内，cod浓度从510mg/l下降为127.5mg/l，去除率达75％，氨氮浓度由35mg/l下降到10.5mg/l，去除率达70％，总磷浓度从4mg/l下降为1.56mg/l，去除率达63％，表明该双层包被结构藻菌共生系统具有显著的污水净化功能。

将实施例2的双层包被结构藻菌共生系统小球按投放密度700g/m³，投入同等污染程度的100m³人工水池，同样条件采集水样测定，6天内，cod去除率达70％，氨氮去除率达68％，总磷去除率达60％。

将实施例3的双层包被结构藻菌共生系统小球按投放密度300g/m³，投入同等污染程度的100m³人工水池，同样条件采集水样测定，6天内，cod去除率达73％，氨氮去除率达68％，总磷去除率达63％。