利用啤酒廢水培養極大螺旋藻

王鈺舟，楊 雷，張景來，蘇仁杰，陳 龍，王婧超

（1. 中國人民大學 環境學院，北京 100872；2. 北京藍寶酒業有限公司，北京 102407）

啤酒工業的規?；l展導致大量高濃度有機廢水的產生。啤酒廢水水質變化較大，富含糖類、氨基酸、蛋白質等有機污染物及鉀、鈣、鎂的硅酸鹽、磷酸鹽等無機污染物，屬較高濃度有機廢水。該廢水雖無毒，但直接排放易導致水體的重度污染。但另一方面，該廢水可生化性好（BOD5/COD＞0.3），因此可作為良好的微生物培養基進行資源化利用［1］。

螺旋藻（Spirulinasp.）是一種水生光合放氧的多細胞原核生物，富含蛋白質、維生素、不飽和脂肪酸、多糖和礦物質，具有極其重要的營養、藥理及能源化等開發利用價值。自Oswald［2］提出采用微藻處理污水以來，國內外各研究機構紛紛開展了利用廢水培養微藻的研究［3-13］。啤酒廢水作為一種高濃度有機廢水近年來也成為廢水培養微藻技術的研究熱點。目前的研究都停留在小試階段，主要通過對廢水進行稀釋并添加一定量的營養物質配成廢水培養基，以探索適宜微藻生長的各種理化條件，而對廢水水質對螺旋藻生長影響的研究相對缺乏。

本工作選用極大螺旋藻（Spirulina maxima）為藻種，進行啤酒廢水的螺旋藻培養實驗，主要目標是通過對培養基及培養條件進行優化，探索一種適合啤酒廢水規?；囵B螺旋藻的技術。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

NaOH，Na2NO3，Na2HPO4·12H2O：分析純。

極大螺旋藻：中國科學院水生生物研究所，采用SP培養基純種培養，培養溫度（30±0.1）℃，光照度3 000 lx，光照周期12 h（明）：12 h（暗）。SP培養基的組成（ρ，g/L）：NaHCO313.61，NaCO34.03，K2HPO40.50，Na2HPO4·12H2O 2.50，K2SO41.00，NaCl 1.00，MgSO4·7H2O 0.20，CaCl2·H2O 0.04，FeSO4·7H2O 0.01，微量元素溶液 1 m L/L，pH=9～10。

啤酒廢水取自北京某啤酒生產廠，經滅菌、稀釋后作為廢水培養基。啤酒廢水的水質見表1。

表1 啤酒廢水的水質 mg/L

721型可見分光光度計：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；CTL-12型化學需氧量速測儀：承德市華通環保儀器有限公司；LX-1010B型數字式照度計：深圳佳信儀器儀表貿易有限公司；PHS-25型pH計：上海精科儀器設備有限公司；JPB-607A型便攜式溶解氧測定儀：上海雷磁儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 極大螺旋藻的培養

在1 L錐形瓶中加入 600 m L啤酒廢水，用NaOH調節廢水pH至9.50，以50 mg/L的接種量加入極大螺旋藻，置于光照度3 000 lx、培養溫度30 ℃的光照培養箱中培養，每天測定藻生物量（每m L培養液中極大螺旋藻的質量，以干重計）及離心水樣的COD、TN或TP，以COD去除率達到最大值時為一個培養周期。

1.2.2 生長條件實驗

分別以稀釋至不同初始COD的廢水作為培養基，在光照周期為12 h（明）∶12 h（暗）的條件下培養極大螺旋藻10 d，考察初始COD對極大螺旋藻生長的影響。以SP培養基作為對照。

以稀釋至適宜的初始COD的廢水為培養基，通過氮氣吹脫或曝氣的方式改變廢水的DO，分別在連續光照及黑暗條件下培養極大螺旋藻5 d，考察光照及DO對極大螺旋藻生長的影響。

以稀釋至適宜的初始COD的廢水為培養基，分別以2.5∶1，5∶1，15∶1，25∶1，35∶1的碳氮質量比添加NaNO3，在光照周期為12 h（明）∶12 h（暗）的條件下培養極大螺旋藻3 d，考察氮元素對極大螺旋藻生長的影響。以不添加NaNO3的相同廢水培養基作為對照。

以稀釋至適宜初始COD的廢水為培養基，根據一定的碳氮質量比添加氮元素，再添加Na2HPO4·12H2O，使廢水培養基中氮磷質量比分別為2.5∶1，5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，在光照周期為12 h（明）∶12 h（暗）的條件下培養極大螺旋藻3 d，考察磷元素對極大螺旋藻生長的影響。以不添加Na2HPO4·12H2O的相同廢水培養基作為對照。

1.3 分析方法

藻生物量的測定采用分光光度計測定560 nm處培養液的吸光度，根據標準曲線計算培養液中極大螺旋藻的質量濃度（以干重計）。COD的測定采用快速消解分光光度法［14］。TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［15］。TP的測定采用鉬酸銨分光光度法［16］。的測定采用紫外分光光度法［17］。的測定采用分光光度法［18］。光照度的測定采用照度計。pH的測定采用pH計。DO的測定采用便攜式溶解氧測定儀。

2 結果與討論

2.1 初始COD對極大螺旋藻生長的影響

在DO=4 mg/L、碳氮磷質量比為598∶8.5∶1的條件下，初始COD對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖1。由圖1a可見：在初始COD為1 400 mg/L時，極大螺旋藻快速生長1～3 d后，藻生物量不斷下降，直至藻種死亡；在初始COD為700，350，175 mg/L時，極大螺旋藻的生長狀況較為相似，始終處于增長模式，且當初始COD為700 mg/L時最好。可能的原因是高濃度啤酒廢水培養基顏色深，隨著極大螺旋藻的快速繁殖，廢水的透光性減弱，抑制了極大螺旋藻的進一步生長。由圖1b可見：初始COD為1 400 mg/L時廢水COD去除率最高僅為45.47%，而初始COD為700 mg/L時廢水COD去除率最高可達88.69%。原因是過高的COD破壞了極大螺旋藻自養生長和異養生長之間的平衡機制，使極大螺旋藻在僅利用廢水中少部分有機物后即開始死亡，說明極大螺旋藻不能在COD過高的廢水中生長。因此，綜合考慮藻生物量和廢水COD去除率，以下實驗采用初始COD為700 mg/L的廢水作為極大螺旋藻的培養基。

圖1 初始COD對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

2.2 DO及光照對極大螺旋藻生長的影響

在初始COD為700 m g/L、碳氮磷質量比為598∶8.5∶1時，光照條件下DO對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖2。由圖2a可見：當DO=2.5 mg/L、培養時間為3 d時，藻生物量最高，達150 mg/L；過高或過低的DO都不利于極大螺旋藻的生長。這是因為在光照條件下，極大螺旋藻的光合自養是一個放氧過程。廢水DO過高時會抑制極大螺旋藻的光合自養過程，而DO過低則不利于極大螺旋藻利用廢水中的有機物進行異養生長。由圖2b可見，各個DO水平下廢水COD去除率的差別并不大，說明廢水培養基的DO水平不會影響極大螺旋藻對廢水中有機物的利用?？赡艿脑蚴荄O水平只影響極大螺旋藻光合作用的能力，而光合作用所產生的氧氣已能滿足極大螺旋藻利用有機物的異養生長。

圖2 光照條件下DO對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

在初始COD為700 mg/L、碳氮磷質量比為598∶8.5∶1時，黑暗條件下DO對藻生物量的影響見表2。由表2可見：在黑暗條件下，極大螺旋藻不能進行厭氧生長，即使在有氧的條件下也會在第二天死亡；但當DO=7.5 mg/L（飽和溶解氧）時，藻生物量可在一天內增長2倍，說明極大螺旋藻能在短時間內利用有機物進行繁殖。以上結果說明：極大螺旋藻能在光照條件下進行混養生長，DO既不宜過高也不宜過低；而在黑暗條件下只能當氧氣充足時在短時間內進行異養生長。

表2 黑暗條件下DO對藻生物量的影響

2.3 添加氮磷營養元素對極大螺旋藻生長的影響

在初始COD為700 mg/L、DO=2.5 mg/L、氮磷質量比為25∶1的條件下，不同碳氮質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖3。由圖3a可見：與對照實驗相比，向廢水培養基中添加一定量的氮元素，培養1 d時極大螺旋藻的生長均加快；培養3 d后，碳氮質量比為15∶1的廢水中極大螺旋藻的生長最快。由圖3b可見，碳氮質量比為15∶1時廢水COD去除率最高。因此，本實驗適宜的碳氮質量比為15∶1。

圖3 不同碳氮質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

在初始COD為700 mg/L、DO=2.5 mg/L、碳氮質量比為15∶1的條件下，不同氮磷質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖4。由圖4a可見：在前2 d的培養中，不同氮磷質量比的廢水中的藻生物量差別較?。坏诘?天時，氮磷質量比為15∶1的廢水中極大螺旋藻生長最快，說明廢水中磷元素含量過低或過高都不適宜極大螺旋藻的生長。由圖4b可見，培養3 d后，不同氮磷質量比的廢水的COD去除率差別也不大，但添加磷元素的廢水的COD去除率均高于對照實驗的結果，這可能是極大螺旋藻利用有機物代謝時主要通過磷酸戊糖途徑，添加磷元素后能加快極大螺旋藻對有機物的利用。因此，本實驗適宜的氮磷質量比為15∶1。

綜上所述，在采用啤酒廢水培養極大螺旋藻時，應以碳氮磷質量比為225∶15∶1的比例添加氮元素和磷元素。

圖4 不同氮磷質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

2.4 極大螺旋藻的產量及啤酒廢水的處理效果

在實驗確定的最佳條件下用啤酒廢水培養極大螺旋藻，培養3 d后的藻生物量為175.55 mg/L，即極大螺旋藻在啤酒廢水中的產量為175.55 g/t。培養前后啤酒廢水的水質見表3。由表3可見，經過培養極大螺旋藻后，啤酒廢水的各項污染物指標都得到了改善，廢水中COD，TN，NH3-N，NO3-，TP的去除率分別達到85.43%，94.54%，74.66%，94.53%，61.54%。說明利用啤酒廢水培養極大螺旋藻，可在收獲藻體生物資源的同時，對廢水起到一定的凈化作用，雖然不能完全達標排放，但也大幅降低了后續廢水處理的污染負荷。

表3 培養前后啤酒廢水的水質 mg/L

3 結論

a）啤酒廢水中極大螺旋藻的最佳培養條件：初始COD 700 mg/L，DO 2.5 mg/L，pH= 9.50，添加氮磷元素至培養基的碳氮磷質量比225∶15∶1。

b）在最佳條件下培養3 d，藻生物量達175.55 mg/L，即極大螺旋藻的產量為175.55 g/t；廢水中TP的去除率分別達到85.43%，94.54%，74.66%，94.53%，61.54%。

c）本方法在收獲螺旋藻生物質的同時實現了啤酒廢水的凈化處理，說明利用啤酒廢水培養螺旋藻是一個值得探索的廢水資源化利用方向。

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