程鵬飛，王 艷，楊期勇，劉德富，劉天中

(1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.九江學(xué)院 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心，江西 九江 332005； 3.九江學(xué)院 電子商務(wù)學(xué)院，江西九江 332005； 4.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430072； 5.中國科學(xué)院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101)

微藻貼壁培養(yǎng)對沼液廢水的處理效果

程鵬飛1，2，王 艷3，楊期勇2，劉德富4，*，劉天中5

(1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.九江學(xué)院 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心，江西 九江 332005； 3.九江學(xué)院 電子商務(wù)學(xué)院，江西九江 332005； 4.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430072； 5.中國科學(xué)院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101)

以產(chǎn)油藻類柵藻、小球藻為研究對象，通過貼壁方式考查微藻處理養(yǎng)豬沼液廢水的效果。結(jié)果表明，柵藻、小球藻均能在沼液中較好生長，其生物產(chǎn)率分別是6.26、6.08 g·m-2·d-1，與在正常培養(yǎng)基上(BG11)相當(dāng)。柵藻、小球藻在沼液中培養(yǎng)，藻細(xì)胞油脂積累分別占細(xì)胞干重的34.6%和31.4%，與正常培養(yǎng)基相差不大。柵藻、小球藻均能較好凈化廢水中主要污染指標(biāo)氨氮(NH3-N)、總磷(TP)及化學(xué)需氧量(COD)，柵藻的去除率分別是96.59%、74.52%和72.47%，小球藻去除率分別是94.90%、73.55%和71.40%。本研究將產(chǎn)油微藻培養(yǎng)和養(yǎng)豬沼液廢水處理相結(jié)合，研究結(jié)果可為藻類生物燃料生產(chǎn)及沼液廢水資源化利用等提供理論基礎(chǔ)。

微藻；貼壁培養(yǎng)；沼液

當(dāng)前，生豬養(yǎng)殖廢水主要采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣處理技術(shù)，該方法在廢水凈化效果與經(jīng)濟(jì)效益方面均有一定優(yōu)勢，但處理后的沼液仍含有豐富的氮、磷等大量元素及各種微量元素[1-2]，成分復(fù)雜，較難處理。傳統(tǒng)的“豬-沼-果”“豬-沼-魚”等沼液利用模式能夠有效提高土壤肥力，改善果蔬與魚苗的生長品質(zhì)；但是這些沼液的規(guī)?；梅绞矫媾R消納土地不足及農(nóng)戶不接受等問題，加大了養(yǎng)殖污水處理難度，造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染[3-4]。因此，沼液廢水的處理迫切需要能夠資源化利用的集成技術(shù)。

豬糞沼液廢水中含有大量藻類生長所需的氮、磷以及其他營養(yǎng)物質(zhì)，將養(yǎng)豬沼液廢水凈化與微藻的培養(yǎng)相結(jié)合，既可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，降低沼液處理成本，又可以節(jié)約微藻的培養(yǎng)成本，同時還可利用微藻生物質(zhì)中的高附加值產(chǎn)物[5-6]。但是，傳統(tǒng)的液體懸浮培養(yǎng)(如跑道池等)處理沼液因占地面積大、處理效率不高、條件不易控制、采收成本較高等問題一直未能被大面積推廣應(yīng)用。Chiu等[7]將小球藻(ChlorellavulgarisYSW-04)在傳統(tǒng)的光反應(yīng)器(PBRs)中進(jìn)行懸浮培養(yǎng)，以凈化沼液廢水，結(jié)果藻細(xì)胞生長受到抑制，生物產(chǎn)率較低，而且培養(yǎng)后的藻細(xì)胞需離心分離才能最終凈化水質(zhì)，效果欠佳。

貼壁培養(yǎng)是一種依據(jù)光稀釋與固定化的原理，將藻細(xì)胞與培養(yǎng)基相分離，并固定在一定的生物膜材料上，極少量的培養(yǎng)基液體通過附著多孔材料的背面或內(nèi)部滴入，使藻細(xì)胞處于半干濕潤狀態(tài)，并在一定光照強(qiáng)度與營養(yǎng)鹽濃度下進(jìn)行生長的培養(yǎng)方式(圖1)[8]。利用貼壁方式培養(yǎng)微藻處理沼液廢水，因反應(yīng)裝置的特殊性，培養(yǎng)結(jié)束后可省去藻細(xì)胞離心的高能耗過程，降低成本。在眾多微藻中，柵藻(Scendesmusdimorphus)、小球藻等在培養(yǎng)過程中可積累較多油脂，且對污水耐受能力強(qiáng)，是較為理想的凈化污水的藻種資源[9]。本研究擬采用貼壁方式培養(yǎng)柵藻、小球藻，考查藻細(xì)胞在沼液廢水中生長、油脂積累情況，及對NH3-N、TP、COD的去除效率，以期探索出一種利用柵藻、小球藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水的方法，為沼液污染控制及現(xiàn)代畜禽產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供“綠色生態(tài)”途徑。

1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)基

試驗(yàn)所用柵藻、小球藻藻種由湖北工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室保藏。2種微藻液體種子培養(yǎng)過程所用培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基[10]

1.2 沼液廢水

試驗(yàn)前期，采集武漢地區(qū)多家養(yǎng)豬場沼液廢水，并進(jìn)行指標(biāo)測定，綜合沼液指標(biāo)、廢水穩(wěn)定性與連續(xù)性及場地的便利性等因素，選用武漢某畜禽企業(yè)某地區(qū)經(jīng)厭氧發(fā)酵后的養(yǎng)豬沼液廢水作為處理對象。取水時間為2016-07-16 T 10∶00。廢水經(jīng)自然沉降2 d后，取上清液，測定其初始氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)分別為302.1、31.0、563 mg·L-1。

1.3 反應(yīng)器與培養(yǎng)方法

試驗(yàn)所用反應(yīng)器為玻璃柱式反應(yīng)器，內(nèi)直徑0.05 m， 柱高0.55 m，反應(yīng)體積0.9 L。反應(yīng)器內(nèi)部布置直徑5 mm的玻璃通氣管，混合有1.5% CO2(V/V)的壓縮空氣(0.1 MPa)通過通氣管從反應(yīng)器底部曝氣，攪動藻液并補(bǔ)充碳源。前期研究顯示，光照強(qiáng)度100 μmol photons·m-2s-1下藻細(xì)胞生長較好。為了考查試驗(yàn)條件下微藻生長的最高效率，2株藻類培養(yǎng)過程中均采用連續(xù)光照，培養(yǎng)柱表面光強(qiáng)100 μmol photons·m-2s-1，培養(yǎng)溫度(25±1)℃。

貼壁培養(yǎng)反應(yīng)裝置如圖1所示，將長0.4 m、寬0.2 m、厚3 mm的玻璃板置于0.5 m×0.3 m×0.05 m的玻璃腔中，玻璃板的一面附有濾紙，并接受正上方的光照。將2株藻種分別接種于醋酸纖維素膜上，貼于附著在玻璃板的濾紙上，將附有藻種的玻璃板放入玻璃腔室內(nèi)。為保障玻璃腔室內(nèi)的環(huán)境穩(wěn)定，用保鮮膜封住玻璃腔的一面，2 L培養(yǎng)基液體通過循環(huán)泵滴加(循環(huán)使用)。為了使培養(yǎng)液更均勻地滲入藻細(xì)胞內(nèi)，將玻璃培養(yǎng)腔放置一定角度，熒光燈置于培養(yǎng)腔正上方提供光源。用沼液廢水進(jìn)行貼壁培養(yǎng)時，不通CO2，以空氣鼓泡代替；用BG11培養(yǎng)基進(jìn)行貼壁培養(yǎng)時，正常通CO2，其他培養(yǎng)條件相同。

圖1 微藻貼壁培養(yǎng)裝置示意圖Fig.1 Structure of the attached cultivation device for microalgae

1.4 分析方法

1.4.1 藻細(xì)胞生物量測定

將0.45 μm、直徑50 mm的醋酸纖維濾膜煮沸3次后，在105 ℃烘箱中烘至恒重(m1)，將待測藻樣用去離子水沖至燒杯中，并倒入抽濾裝置中抽至已稱重的濾膜上(面積10 cm2)，將附著藻的濾膜放入105 ℃烘箱中烘至恒重(m2)，用分析天平稱量可得藻樣生物量(m)(g·m-2)。

m=(m2-m1)×1 000。

(1)

1.4.2 藻細(xì)胞油脂含量測定

藻細(xì)胞總脂含量的測定采用改進(jìn)的氯仿-甲醇法[11]。收集藻細(xì)胞，用一定量蒸餾水沖洗離心后冷凍干燥。稱取50 mg(重量W1)藻粉于研缽中，加入200 mg已烘干的石英砂，研碎后加入5 mL甲醇、2.5 mL氯仿，高速振蕩5 min。搖床培養(yǎng)12 h，離心，取上清7.5 mL至新管1。向固相中再加入5 mL甲醇、2.5 mL氯仿，高速振蕩5 min，搖床培養(yǎng)2 h，離心，取上清7.5 mL至新管1，加入5 mL氯仿和9 mL質(zhì)量濃度1%的NaCl，保證最終體系為甲醇∶氯仿∶1% NaCl=2∶2∶1.8(體積比)，振蕩混勻。將新管1于8 000 r·min-1離心10 min，去上清，下層液轉(zhuǎn)移入20 mL干凈玻璃管(已稱重W2)。61 ℃水浴下氮吹，氯仿被吹干后，于105 ℃烘3 h，冷卻后，稱重(W3)。

總脂含量(%)=(W3-W2)/W1×100。

(2)

1.4.3 NH3-N、TP及COD測定

取貼壁培養(yǎng)循環(huán)裝置中沼液廢水，每2 d取樣1次，分別測定NH3-N、TP及COD。氨氮采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)測定；總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測定；COD采用重鉻酸鉀氧化處理法(GB 11914—89)測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 10.0進(jìn)行單因素方差分析 (one-way ANOVA)，對有顯著(P<0.05)差異的處理采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對柵藻、小球藻生長的影響

將對數(shù)期柵藻、小球藻種子液接種于貼壁反應(yīng)器中，每2 d取樣1次，培養(yǎng)8 d后考查柵藻、小球藻在沼液廢水中的生長情況，并與BG11培養(yǎng)基條件下(正常培養(yǎng))的生長情況進(jìn)行比較(圖2)。柵藻在養(yǎng)豬沼液廢水原水中能較好生長，尤其在培養(yǎng)前2 d，生長較快，生物量明顯高于正常培養(yǎng)。培養(yǎng)8 d后，沼液廢水中柵藻生物量與正常培養(yǎng)無明顯差異。小球藻在沼液廢水中的生物產(chǎn)率為6.08 g·m-2·d-1，高于正常培養(yǎng)下的生物產(chǎn)率(5.45 g·m-2·d-1)。

2.2 對柵藻、小球藻貼壁培養(yǎng)油脂積累的影響

將柵藻、小球藻分別在沼液廢水和BG11培養(yǎng)基條件下貼壁培養(yǎng)，收集培養(yǎng)8 d后的藻細(xì)胞，分別考查油脂積累情況(圖3)。沼液廢水條件下柵藻的油脂含量略低于BG11培養(yǎng)基條件下，分別是34.6%、35.2%。由于柵藻細(xì)胞在2種培養(yǎng)條件下生物產(chǎn)率相近，因而其油脂產(chǎn)率也相近，分別為2.17和2.19 g·m-2·d-1。小球藻在沼液廢水條件下的油脂含量為31.4%，高于其在BG11培養(yǎng)基條件下的含量(29.6%)。相應(yīng)地，小球藻貼壁培養(yǎng)在沼液廢水和BG11培養(yǎng)基條件下的油脂產(chǎn)率分別是1.91和1.69 g·m-2·d-1。

圖2 沼液廢水與正常培養(yǎng)基柵藻、小球藻貼壁生長狀況Fig.2 Growth of Scendesmus dimorphus and Chlorella pyrenoidosa with attached culture in swine wastewater and BG11 medium

圖3 沼液廢水與BG11培養(yǎng)基條件下柵藻(A)與小球藻(B)貼壁培養(yǎng)油脂積累情況Fig.3 Lipid accumulation of Scendesmus dimorphus (A) and Chlorella pyrenoidosa(B) with attached culture in swine wastewater and BG11 medium

2.3對沼液廢水中NH3-N、TP及COD的去除情況

由圖4可知，柵藻貼壁培養(yǎng)條件下，廢水中NH3-N濃度在最初2 d內(nèi)下降較快，培養(yǎng)8 d后，由最初的302.1 mg·L-1降至10.3 mg·L-1；廢水中總P濃度在前4 d下降最快，培養(yǎng)8 d后，由初始濃度31.0 mg·L-1降至7.9 mg·L-1；培養(yǎng)8 d后，廢水中COD由初始563 mg·L-1降至155 mg·L-1。柵藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水8 d，廢水中NH3-N、TP及COD去除率分別是96.59%、74.52%和72.47%。

圖4 貼壁培養(yǎng)柵藻對NH3-N、TP及COD的去除情況Fig.4 Removal of NH3-N， TP and COD of wastewater with biofilm attached cultivation of Scendesmus dimorphus

由圖5可知，小球藻貼壁培養(yǎng)沼液中NH3-N濃度由最初的302.1 mg·L-1降到15.4 mg·L-1，總P濃度由起始的31.0 mg·L-1降至8.2 mg·L-1，COD濃度由563 mg·L-1下降至161 mg·L-1。小球藻貼壁培養(yǎng)對NH3-N、TP及COD的去除率分別是94.90%、73.55%和71.40%。

3 結(jié)論與討論

圖5 貼壁培養(yǎng)小球藻對NH3-N、TP及COD的去除情況Fig.5 Removal of NH3-N， TP and COD of wastewater with biofilm attached cultivation of Chlorella pyrenoidosa

微藻因其獨(dú)特的組成及結(jié)構(gòu)而成為獲得生物柴油和生物質(zhì)油的優(yōu)良原料來源。相比其他動植物，利用藻類生產(chǎn)油脂生物燃料，增值迅速，含油量高，占地面積小，更具發(fā)展?jié)摿?。但如何降低微藻油脂燃料的生產(chǎn)成本仍然是國內(nèi)外商業(yè)化開發(fā)面臨的主要問題。本研究表明，柵藻、小球藻在沼液廢水中貼壁培養(yǎng)產(chǎn)生的油脂含量與在BG11培養(yǎng)基上培養(yǎng)的相差不大，沼液廢水是柵藻、小球藻貼壁培養(yǎng)較好的替代介質(zhì)。利用產(chǎn)油微藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水并耦合油脂生產(chǎn)，既可以降低培養(yǎng)成本，又能提高藻類生物燃料工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

總體來看，本研究表明產(chǎn)油微藻——柵藻、小球藻貼壁培養(yǎng)處理沼液廢水具有可行性。將微藻應(yīng)用于養(yǎng)豬沼液廢水處理，同時可生產(chǎn)油脂生物燃料，不僅能有效地降低水體富營養(yǎng)化水平，而且具有低成本、低能耗、低污染、高效率、高收益和高溶氧量等優(yōu)勢，可以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。研究結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)藻類生物燃料生產(chǎn)與廢水處理系統(tǒng)從“處理工藝”向“生產(chǎn)工藝”的轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯高 峻)

Purificationeffectforswinewastewaterwithattachedcultureofmicroalgae

CHENG Pengfei1，2， WANG Yan3， YANG Qiyong2， LIU Defu4，*， LIU Tianzhong5

(1.SchoolofWaterResourcesandHydropowerEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China; 2.PoyangLakeEco-EconomyResearchCenterofJiujiangUniversity，Jiujiang332005，China; 3.E-BusinessInstituteofJiujiangUniversity，Jiujiang332005，China; 4.SchoolofArchitecturalandEnvironment，HubeiUniversityofTechnology，Wuhan430072，China; 5.QingdaoInstituteofBioenergyandBioprocessTechnology，ChineseAcademyofSciences，Qingdao266101，China)

The purification effect of swine wastewater treated byScendesmusdimorphusandChlorellapyrenoidosawith attached culture was investigated in this study. It was shown that the 2 strains could grow well in swine wastewater and the biomass ofScendesmusdimorphusandChlorellapyrenoidosareached 6.26 and 6.08 g·m-2·d-1， respectively. Meanwhile， the lipid content in the 2 strains was 34.6% and 31.4%， respectively， which was comparable with those cultivated in BG11 medium. Notably， attached culture ofScendesmusdimorphusandChlorellapyrenoidosacould treat swine wastewater efficiently. The removal efficiency of ammonia nitrogen (NH3-N)， total phosphorus (TP) and COD was 96.59%， 74.52% and 72.47%， respectively， byScendesmusdimorphusand 94.90%， 73.55% and 71.40%， respectively， byChlorellapyrenoidosa. Based on the results， a process combining algae-based wastewater treatment with attached cultivation and biodiesel production was proposed to treat swine wastewater.

microalgae; attached culture; swine wastewater

X703

：A

：1004-1524(2017)09-1564-06

程鵬飛，王艷，楊期勇，等. 微藻貼壁培養(yǎng)對沼液廢水的處理效果[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，29(9)： 1564-1569.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.09.20

2017-02-06

國家自然科學(xué)基金項目(31560724)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2016M600616)

程鵬飛(1984—)，男，江西婺源人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生物技術(shù)。E-mail: 511944088@qq.com

*通信作者，劉德富，E-mail: dfliu@189.cn