藻菌固定化技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

章霞　傅榮兵　柳敏海等

摘要 藻菌固定化技術(shù)具有強(qiáng)可控性、強(qiáng)重復(fù)性、長(zhǎng)作用時(shí)間、高利用率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用生產(chǎn)生活。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，藻菌固定化也被逐漸應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)處理中。介紹了藻菌固定化技術(shù)的主要特性及其在工業(yè)污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究以及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 藻菌固定化；水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)處理

中圖分類(lèi)號(hào) S949 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）20-139-02

Abstract Algaebacteria immobilization （ABI） has many advantages， such as strong controllability， repeatability， long disinfecting time， high utilization rate， etc. It has been widely applied in the fields of life and production. With the development of technology， ABI also play a important role in improving water quality of aquaculture. The main characteristics， application on industrial wastewater， aquaculture of ABI were summarized， as well as the development prospect.

Key words Algaebacteria immobilization； Aquaculture； Water quality administration

近年來(lái)，隨著養(yǎng)殖水環(huán)境惡化、環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加深以及水質(zhì)處理技術(shù)的的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控以及養(yǎng)殖廢水處理問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。根據(jù)2010年國(guó)家環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合發(fā)布的《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》可知，全國(guó)COD排放總量為3 028.96萬(wàn)t，總磷42.32萬(wàn)t，總氮472.89萬(wàn)t；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所排放的COD為55.83萬(wàn)t，總磷1.56萬(wàn)t，總氮8.21萬(wàn)t，分別占全國(guó)排放量的1.84%、3.69%和1.74%。水產(chǎn)養(yǎng)殖大換水量、高排放量導(dǎo)致部分水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物濃度的超標(biāo)，加劇了水體有機(jī)污染和富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)水域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害水生生物以及人類(lèi)自身安全。因此，亟需采用一種先進(jìn)技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)進(jìn)行有效調(diào)控，藻菌固定化生物修復(fù)技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。

1 藻菌固定化技術(shù)

20 世紀(jì)末，污水處理行業(yè)興起了一項(xiàng)新技術(shù)——藻菌固定化（Algaebacteria immobilization，ABI）。該技術(shù)通過(guò)采用吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價(jià)結(jié)合法等方法固定有益菌和藻類(lèi)，由藻-菌有效形成共生系統(tǒng)，提高水體內(nèi)細(xì)菌和藻類(lèi)的濃度，從而達(dá)到有效處理廢水中N、P等物質(zhì)的效果，而且此技術(shù)還具有強(qiáng)可控性、強(qiáng)重復(fù)性、長(zhǎng)作用時(shí)間、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用人們生產(chǎn)生活中，尤其是造紙業(yè)、化工業(yè)以及生活污水處理等方面[1-3]，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用也具有良好效果，具有良好的應(yīng)用前景[4-5]。

藻菌固定化的技術(shù)一般應(yīng)用吸附法或者包埋法，通過(guò)選擇聚乙烯醇（PVA）、海藻酸鈉（SA）、活性淤泥、活性炭、沸石、麥飯石、石英砂和硅藻土等常見(jiàn)物質(zhì)作為載體，吸附或者包埋單胞藻-蛋白核小球藻、小球藻、銅綠微囊藻等混合有益菌-光合細(xì)菌、芽孢桿菌、EM菌等作為一個(gè)整體，在水質(zhì)處理中發(fā)揮作用。藻菌固定化有利于提高微生物細(xì)胞濃度和純度，保持高效菌種，反應(yīng)迅速，且微生物流失少，產(chǎn)物分離容易，反應(yīng)過(guò)程控制比較容易，并也有利于除氮和去除高濃度有機(jī)物或某些難降解物質(zhì)，并且藻菌固定化在菌體和藻類(lèi)之間能夠互相提供生長(zhǎng)因子，有助于延長(zhǎng)整體打分存活作用時(shí)間，有助于水質(zhì)的處理效果[6]。

2 藻菌固定化技術(shù)在工業(yè)污水處理中的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代，固定化技術(shù)開(kāi)始迅速發(fā)展。20世紀(jì)70年代后期，隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始應(yīng)用固定化技術(shù)來(lái)處理工業(yè)廢水，目前藻菌固定化已較為成功地運(yùn)用于污水處理中，且效果顯著。

王愛(ài)麗等[7]證實(shí)混合固定化藻菌體系比單一固定化藻對(duì)污水中的N、P 有更好的去除效果。污水經(jīng)細(xì)菌和銅綠微囊藻二者聯(lián)合處理后，污水的水質(zhì)理化指標(biāo)中N、P都降低到較低水平， 尤其對(duì)NH4+-N 的去除效果更好。

范唯等[8]運(yùn)用固定化柵裂藻（Scenedesmus）以及芽孢桿菌等對(duì)焦化廢水進(jìn)行凈化，在最佳條件下7 d后固定化柵裂藻可以將焦化廢水的氨氮濃度由300 mg/L降低到24 mg/L、苯酚濃度由3.01 mg/L降至0.48 mg/L、色度由402.67度降至354度。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)這種工藝處理后色度、氨氮、苯酚的去除率分別為92.62%、86.33%和88.55%。該處理系統(tǒng)焦化廢水處理達(dá)到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這表明藻菌固定化技術(shù)在高難度廢水處理應(yīng)用中已經(jīng)有了重大突破。

為了改善藻細(xì)胞和活性淤泥的共培養(yǎng)技術(shù)， 鄧旭等[9]利用固定化藻細(xì)胞流化床，最佳操作條件為DO濃度5 mg/L，光照強(qiáng)度2 000 lx，固定化藻球填充率20%，通過(guò)連續(xù)化處理系統(tǒng)最終出水COD 降到15 mg/L左右，氨氮濃度降至0.5 mg/L以下，總磷含量在0.5 mg/L左右。在2個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行期間，出水水質(zhì)始終保持穩(wěn)定，表明該連續(xù)化污水處理系統(tǒng)具有良好的操作穩(wěn)定性，與同一試驗(yàn)的活性淤泥部分相比具有更好的除磷能力。

王秀等[10]也利用固定化藻菌小球流化床光生物反應(yīng)處理高濃度有機(jī)廢水，結(jié)果表明在室溫條件下COD的去除率最高可達(dá)到79.2%，對(duì)NH4+N和PO43-P的去除也有較好的效果，最高去除率分別可達(dá)到80.1%和82.4%。綜合考慮各種因素（如處理效果、能耗以及操作條件和控制因素等）， 當(dāng)光照強(qiáng)度為4 000 lx、固定化藻菌小球濃度為30 g/L時(shí)，此試驗(yàn)達(dá)到較好的污染物去除效率。

在目前的研究中，主要的研究?jī)?nèi)容是影響藻菌混合固定的污水處理效果的影響因子（如藻菌的初始數(shù)量、期間變化、代謝功能關(guān)系、光照強(qiáng)度以及光照時(shí)間、溶解氧密度等）。王愛(ài)麗等[7]指出芽孢桿菌等和銅綠微囊藻的菌藻比例為2∶1較為合適，供氧條件相較于光強(qiáng)的對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響更為重要，良好的供氧條件有利于藻類(lèi)的吸收，缺氧則會(huì)導(dǎo)致磷的釋放。王秀等[10]研究表明固定化藻菌小球密度為30 g/L時(shí)，具有較好的污染物去除率；當(dāng)光照強(qiáng)度從0增強(qiáng)到2 000 lx，COD、NH4+N，PO43-P去除率分別增加13.8%、12.0%、13.6%。當(dāng)光照強(qiáng)度從2 000 lx增加到4 000 lx時(shí)，COD、NH4+N、PO43-P去除率均有所增長(zhǎng)，但趨勢(shì)減緩；當(dāng)光照時(shí)間為12 h，各指標(biāo)的去除率是反應(yīng)時(shí)間為6 h的1倍多，由此可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)加強(qiáng)光照強(qiáng)度，延長(zhǎng)光照時(shí)間，可以提高反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)處理的作用效果，這與鄧旭等[9]的研究結(jié)果相符合。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究藻菌固定化的應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)用范圍以及工業(yè)化生產(chǎn)提供了必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

綜上所述，不同研究目的、不同處理工藝以及不同搭配之間的藻菌固定化對(duì)于污水處理的效果以及實(shí)施條件都有所差異，所以進(jìn)一步深化對(duì)藻菌固定化的研究以及多領(lǐng)域?qū)υ寰潭ɑ氖褂镁哂兄匾碚摵蛯?shí)踐意義。

3 藻菌固定化技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，藻菌固定化逐漸應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中。藻菌固定化不僅有利于優(yōu)勢(shì)菌種的固定，而且能維持水體中較高濃度的有益菌和藻類(lèi)，提高降解有機(jī)物、氨氮、總磷等的效率[11]，為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供安全的養(yǎng)殖環(huán)境，減輕養(yǎng)殖廢水污染壓力，保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。

鄭耀通等[12]研究表明利用固定化光合細(xì)菌技術(shù)凈化養(yǎng)魚(yú)池水質(zhì)，在去除養(yǎng)殖水環(huán)境中總氮、總磷、氨氮以及降低COD、增加溶解氧等方面具有顯著效果。辛福言等[13]進(jìn)行沸石粉固定化對(duì)蝦池水環(huán)境進(jìn)行修復(fù)處理，結(jié)果表明固定化菌體能明顯改善水質(zhì)，降解有機(jī)物。鄭忠明等[14]使用固定化有益微生物在養(yǎng)殖池塘進(jìn)行了圍隔比較試驗(yàn)，結(jié)果表明固定化微生物能更加有效地降解養(yǎng)殖池塘底泥有機(jī)質(zhì)。韓士群[15]利用固定化微生物對(duì)養(yǎng)殖水體的3 種形態(tài)氮進(jìn)行處理，結(jié)果表明固定化微生物可以顯著降低水體的總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度，但除了氨態(tài)氮去除率在80%以上外，總氮和硝態(tài)氮的去除率都介于60%～70%。由此可見(jiàn)，微生物的固定化對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境的處理具有良好的效果，為后期藻菌固定化的應(yīng)用提供了借鑒依據(jù)。

在關(guān)于藻菌固定化對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果的研究中，鄒萬(wàn)生等[16-17]比較了固定化EM 藻菌（CEMI）、固定化活性污泥藻菌（CAMI）、固定化EM活性污泥協(xié)聯(lián)藻菌（CEAMI）對(duì)珍珠蚌養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除效果以及光照強(qiáng)度、溫度對(duì)三者脫氮去磷的影響。在試驗(yàn)條件下，CEMI、CAMI 和CEAMI的去N 峰值（最高值）為80.45%～91.60%，去P 峰值（最高值）分別為76.28%～84.67%，結(jié)果表明固定化EM-活性污泥協(xié)聯(lián)藻菌（CEAMI）對(duì)水質(zhì)的處理效果最好，研究還表明光照強(qiáng)度和溫度是影響菌藻固定化去N、P 效果的重要環(huán)境因子，這都與藻菌固定化的處理工藝以及成分組成、去除目的相關(guān)。

武心華等[18]在刺參養(yǎng)殖池塘有機(jī)物降解菌固定化及其對(duì)水質(zhì)凈化作用研究中指出沸石粉相較于活性炭、麥飯石、石英砂等其他3種介質(zhì)對(duì)細(xì)菌的吸附能力較強(qiáng)，在此條件下，與游離菌體相比固定化低溫菌對(duì)COD、NH4+N和NO2N的降解率分別達(dá)到了56.2%、51.0%和78.3%，降解率則分別提高了11.20%、10.40%和5.29%；固定化常溫菌組合對(duì)COD的降解率達(dá)到65.3%，降解率提高了22.4%。

綜上所述，藻菌固定化在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用研究的主要內(nèi)容也集中在藻菌固定化的水質(zhì)處理效果的影響因子方面，但是與其在污水處理中的應(yīng)用相比藻菌固定化在改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)方面要更加考慮到水生動(dòng)物的生物安全方面，如溶解氧、藻菌的生物種類(lèi)、生物量、水質(zhì)中的N/P比例、C/N比例以及水體的pH等。

微生物對(duì)污染物的去除受到DO、pH、C/N等諸多因素的影響，而C/N對(duì)微生物硝化反硝化脫氮作用及溶磷效果的影響較大[19-22]，細(xì)菌和藻類(lèi)的自身構(gòu)成與代謝類(lèi)型的差異密切關(guān)系到其對(duì)環(huán)境中碳、氮元素的需求量[23]。研究表明，當(dāng)水環(huán)境中C/N>10時(shí)，有利于微生物的生長(zhǎng)；添加葡萄糖、糖蜜、蔗糖等糖原有助于細(xì)菌的長(zhǎng)期生長(zhǎng)以及提高水處理效果[24-28]。目前，添加碳源來(lái)提高養(yǎng)殖水體的C/N是近年來(lái)養(yǎng)殖生產(chǎn)應(yīng)用中的環(huán)境調(diào)控方法，通過(guò)促進(jìn)與優(yōu)化異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)水質(zhì)[29-31]。同樣，藻菌固定化中需要提供不斷的碳源來(lái)保證細(xì)菌的持續(xù)生長(zhǎng)需要，但又不至于影響藻類(lèi)以及水生動(dòng)物的平衡生長(zhǎng)，并且也要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝、實(shí)施途徑等因素來(lái)決定C/N的維持范圍和提供途徑，因此結(jié)合C/N對(duì)藻菌固定化水處理技術(shù)的研究需要不斷探索與研究。

4 小結(jié)

藻菌固定化在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究目前還處于初級(jí)階段，盡管在水質(zhì)處理中的影響因素（光照、溶解氧、有機(jī)物濃度等）進(jìn)行了初步探討，但是結(jié)果相差較遠(yuǎn)，而在藻菌固定化的工藝、培養(yǎng)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等研究方面都不夠完善，仍需要通過(guò)不斷研究和探討，以獲得較為詳盡和精確的數(shù)據(jù)來(lái)支持理論以及實(shí)踐的發(fā)展。

然而，目前研究已表明藻菌固定化技術(shù)能夠達(dá)到改善養(yǎng)殖水質(zhì)、凈化養(yǎng)殖廢水、維持水域生態(tài)平衡的目的，這不僅有助于減少養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)、降低養(yǎng)殖成本，而且有助于養(yǎng)殖業(yè)節(jié)能減排，促進(jìn)高效、潔凈、循環(huán)的養(yǎng)殖系統(tǒng)的生成和養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。藻菌固定化作為新型的養(yǎng)殖水環(huán)境處理和養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)，在今后的水產(chǎn)養(yǎng)殖中將具有重要的推廣和使用價(jià)值。

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