固定化小球藻對海水養殖廢水氮磷的處理

丁 一,侯旭光,郭戰勝,梁振林,韓 冷,葉萌祺,劉雪芹

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固定化小球藻對海水養殖廢水氮磷的處理

丁 一,侯旭光,郭戰勝,梁振林*,韓 冷,葉萌祺,劉雪芹

(山東大學(威海)海洋學院,山東 威海 264209)

本研究利用海藻酸鈉(SA)作為載體、以氯化鈣(CaCl2)為交聯劑,探究小球藻最佳固定化條件及其對海水養殖廢水氨氮和磷酸鹽的處理效果.通過對比不同濃度SA和CaCl2對小球藻生長的影響及不同固定化條件的藻球對氨氮、磷酸鹽處理效果,確定最佳固定化條件為2.0% SA和2.0% CaCl2.對比固定化藻球和懸浮小球藻對模擬海水養殖廢水氨氮、磷酸鹽去除效果,結果表明固定化藻球比懸浮藻液對氮、磷處理效果更好.其中低接種率(1:10)固定化藻球的最大氨氮、磷酸鹽去除率分別為63.26%和62.76%.固定化小球藻濃度越高,其凈化能力越強,高接種率(1:1)固定化藻球的最大氨氮、磷酸鹽去除率分別是85.16%和75.94%.連續流運行下固定化藻球對海水養殖廢水氨氮、磷酸鹽的平均去除率分別為84.49%和72.17%.小球藻固定化態保留并延長了懸浮態生長活性,提高了對海水養殖廢水脫氮除磷效果.

固定化；藻球；養殖廢水；氨氮；磷酸鹽

海水養殖廢水主要是水產經濟動物養殖過程中由排泄及過量的餌料等造成的水體N、P等含量高,不經處理直接排放導致海洋環境惡化,生態系統失衡.其中N、P的濃度過高引起水體富營養化,進而引發赤潮等海洋災害發生[1].養殖廢水生化處理工藝主要有接觸氧化和固定化微生物技術[2-4].由于海水養殖廢水污染物組成復雜和鹽度效應,現有接觸氧化法的污水處理技術難以達到有效處理養殖廢水的目的[5]. 固定化微生物法是利用化學或物理手段將生化處理的游離細胞固定在一個適合生長繁殖的微環境中,達到有效降解養殖廢水中某些污染物目的[6].

微藻利用污水中N、P作為其生長元素且不產生二次污染而越來越廣泛應用于水處理[7-9].研究表明小球藻對廢水的N、P平均去除率可達72%和28%[10].為保證微藻細胞的濃度,固定化藻類越來越受到關注.藻類固定化是利用載體通過物理或化學方法將藻類細胞固定,提高藻類細胞濃度,使其保持較高的生物活性并反復利用的方法[11-12].按照固定化載體材料和固定化方式的特點,將其分為吸附法、包埋法、交聯法和共價結合法[13].

海藻酸鈣具有較好的機械強度、傳質能、防止生物分解的能力,且對生物無害,是較好的固定化細胞材料[14].固定化藻類系統應用于污水處理,與懸浮性藻細胞系統相比具有藻細胞濃度高,停留時間長,流失少,反應速度快,運行高效穩定,其活性長時間保持穩定的優點[15].有研究利用兩段固定化光生物反應器處理乳品污水、固定化小球藻與懸浮污泥混合處理城市污水及對比研究固定小球藻在不同生長環境下對N、P的去除效果,這些研究結果表明固定化細胞比自由活細胞對N、P有更好的去除效果[16-19].固定化小球藻的應用越來越受到關注,但針對固定化對海水養殖廢水的處理研究相對較少.

本研究利用海藻酸鈉為載體,氯化鈣為交聯劑,探討常溫條件下的最優固定化海水小球藻的條件及對海水養殖廢水中氨氮、磷酸鹽的去除效果.

1 材料與方法

1.1 海水小球藻的富集

1.1.1 實驗藻種來源 海水小球藻藻種()取自山東省海洋生物繁育工程技術研究中心保存藻種,室溫光照條件下海水培養.

1.1.2 小球藻的富集 小球藻進行復壯后,在指數增長期接種于培養基中,進行富集擴增.海水小球藻的培養基成分如表1所示.

1.1.3 海水培養基制備 將配置好的培養基進行高壓滅菌(121℃、20min、0.1MPa),冷卻至室溫.

表1 小球藻海水培養基成分

1.2 海水小球藻固定化方法

1.2.1 固定化條件確定 將海藻酸鈉和氯化鈣分別配制成質量分數為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%溶液.根據海藻酸鈉和氯化鈣濃度對小球藻生長的影響確定固定化條件.海藻酸鈉和氯化鈣溶液濃度梯度設置如表2所示.

1.2.2 固定化方法 將培養至對數生長期的小球藻液進行離心(4000r/min,10min),棄除上清液,并用滅菌海水清洗,再次離心后,培養在不添加N、P海水培養基中.按小球藻濃縮液和海藻酸鈉溶液1:1比例進行均勻混合.用注射器(10mL)吸取海藻酸鈉和小球藻混合液,在距離氯化鈣溶液水面20cm處滴入(80滴/min左右),形成一定數量的藻珠,靜置一定時間后固定完全.

表2 海藻酸鈉和氯化鈣溶液濃度梯度設置

1.2.3 脫固定化方法 固定化后小球藻放入1.5%檸檬酸鈉溶液中,充分搖晃后即可脫固定化.

1.2.4 空白藻球固定化 海藻酸鈉溶液(不添加小球藻濃縮液)按比列加入等量海水混合,依照固定化方法滴入氯化鈣溶液即可.

1.3 模擬海水養殖廢水配制

實際海水養殖廢水中成分復雜多樣,有較多干擾測定結果物質,本實驗采用人工模擬廢水,模擬海水養殖廢水組成如表3所示.

表3 模擬海水養殖廢水組成

1.4 測定項目與方法

1.4.1 生長密度計數方法 血球計數板(25′16),光學顯微鏡計數,平行計數3次取平均值.

1.4.2 生長密度與OD680的吸光度值擬合曲線 取一定量均勻培養藻液于比色皿中,用紫外可見分光光度計測定其在680nm波長處吸光度值,可間接反映小球藻生長密度.平行測定3次,取平均值.擬合曲線方程為:=99.84716-3.05041,2=0.99573.

1.4.3 氨氮的測定 納氏試劑光度法[20],在波長420nm處平行測定3次吸光度值,取平均值.標準曲線方程為:=0.17243+0.00627,2=0.99927.

1.4.4 磷酸鹽測定 磷鉬藍分光光度法[21],在波長882nm處平行測定3次吸光度值,取平均值.標準曲線方程為:=0.51904+0.02151,2=0.98256

2 結果與討論

2.1 海藻酸鈉、氯化鈣固定化小球藻條件研究

2.1.1 海藻酸鈉(SA)溶液濃度對小球藻生長的影響 取小球藻濃縮液10mL和SA溶液100mL按1:10比例進行混合培養,連續5d測定小球藻吸光度值(OD680),以未接種小球藻的SA溶液對應濃度梯度溶液為空白對照,根據吸光度值可估算出小球藻生長情況,不同SA溶液濃度下小球藻的生長情況如圖1所示.

圖1 不同海藻酸鈉濃度下小球藻的生長情況

如圖1所示,在低濃度的SA(1.0%)溶液中,小球藻的增長速度緩慢;在高濃度的SA(3.0%)溶液中,小球藻有被抑制生長現象;在2.5% SA中小球藻生長趨勢有較大波動,前期生長較快,后期速度放緩,甚至有下降趨勢;在1.5% SA中小球藻增長趨勢穩定;在2.0% SA中小球藻生長速度一直保持較好的上升趨勢.

2.1.2 氯化鈣溶液濃度對小球藻生長的影響 取小球藻濃縮液10mL和氯化鈣溶液100mL按1:10比例進行混合培養,連續5d同一時間點測定小球藻吸光度值(OD680),以氯化鈣對應濃度梯度(不添加小球藻濃縮液)為空白對照,根據吸光度值可估算出小球藻生長情況,不同氯化鈣溶液濃度下小球藻的生長情況如圖2所示.

根據圖2所示,可初步判斷氯化鈣溶液對小球藻生長的影響,在2.5%、1.0%、3.0%的氯化鈣溶液中,小球藻生長狀況相對較緩慢并依次降低;在1.5%氯化鈣溶液中,小球藻增長趨勢穩定上升;在2.0%氯化鈣溶液中,小球藻前期生長增速較快,后期仍有下降趨勢.

根據圖1和圖2對比分析,分別測定SA、氯化鈣溶液對小球藻生長狀況的影響,可初步判斷在濃度為1.5%和2.0%的SA、氯化鈣溶液均比其他濃度有較好生長趨勢,但仍需進一步實驗優化確定最佳固定化條件.實驗目的是為了固定化小球藻對廢水脫N、P有較好的凈化效果,因此下一步實驗以SA和氯化鈣溶液分別在1.5%、2.0%濃度條件下對小球藻進行固定化,同時處理等量模擬海水養殖廢水,根據對廢水氨氮和磷酸鹽的去除效果,確定最佳固定化條件.

圖2 不同氯化鈣濃度下小球藻的生長情況

2.1.3 對比不同固定化條件下固定化小球藻對氮磷的去除效果 小球藻在1.5%和2.0%的SA溶液和氯化鈣溶液均有較好生長趨勢,可進一步優化以確定最佳固定化條件.實驗取1.5%、2.0%SA溶液分別和1.5%、2.0%氯化鈣溶液固定化等量小球藻濃縮液,取固定化小球藻球20mL和模擬海水養殖廢水200mL按1:10比例混合處理(分4組,每組平行3瓶),定期測定廢水氨氮和磷酸鹽濃度,繪制氨氮和磷酸鹽濃度變化曲線如圖3所示,計算各組平均去除率如表4所示.

由圖3和表4可知,SA和氯化鈣溶液固定化小球藻4組實驗(1.5%,1.5%)、(1.5%,2.0%)、(2.0%, 1.5%)、(2.0%,2.0%)都具有較好的凈化能力.隨著運行時間的延長,氨氮和磷酸鹽濃度越來越低,表明固定化小球藻對氮磷有較好的處理效果.

對比4組實驗每天對N、P的去除效果發現,在接種了固定藻球后的第1d,每組對N、P的去除率最高,隨后幾天對氮磷的去除率都有所減緩.分析在第1d出現去除率峰值的原因一方面是由于接種藻處于對數增長期,需要氮磷等營養物質量較大;另一方面固定藻球的結構中存在較豐富的微小孔隙,海藻酸鹽與二價鈣離子形成三維網絡狀凝膠,這些網絡狀的孔隙對污染物有一定的吸附作用,當然這種吸附作用只發生在藻球與污染物接觸的初期,吸附達到平衡后,吸附作用就不再明顯,這也使隨后的單日去除率都低于第1d.相比較4組固定化條件優化實驗,在運行2~4d對氨氮和磷酸鹽有較高的去除率,而后去除率變緩.運行5d后,(SA,CaCl2) 4組實驗(1.5%,1.5%)、(1.5%,2.0%)、(2.0%,1.5%)、(2.0%,2.0%)的固定藻球對氨氮的最大去除率分別是60.14%、59.79%、62.57%、63.26%;磷酸鹽的最大去除率分別是59.29%、57.09%、60.20%、60.93%.因此,可確定最佳固定化條件為:海藻酸鈉2.0%,氯化鈣2.0%.

表4 不同固定化條件下氨氮和磷酸鹽去除率(%)

2.2 對比固定化藻球和懸浮藻液去除氮磷效果研究

為確定固定化小球藻在對養殖廢水N、P處理上是否有優勢,實驗考察了在最佳固定化條件下固定小球藻,對比等量小球藻懸浮液、空白膠球及固定化藻球對相同水質的養殖廢水處理效果,每組設定3個平行樣品,測得數據取平均值.為進一步了解固定化小球藻對N、P處理的特征,同時對比了低接種比和高接種比條件下,空白膠球、固定化藻球、懸浮藻液3組對養殖廢水的處理效果.

2.2.1 低接種比下的處理效果 實驗取9個250mL錐形瓶,空白膠球、固定化藻球、懸浮藻液3組(每組3瓶),分別加入200mL模擬海水養殖廢水,再取等量空白膠球、固定化藻球、懸浮藻液按1:10比例放置其中,每天定時搖晃2~3次,每隔等量時間取樣分析.每瓶每次取10mL水樣,離心(5000rpm、5min)后用1.4所述的方法分別在420nm、882nm處測定水樣中氨氮和磷酸鹽濃度,取各組3瓶水樣的平均值,根據標準曲線計算出對應氨氮、磷酸鹽濃度,其變化曲線如圖4所示,計算N、P的平均去除率如表5所示.

從圖4可以看出,隨著運行時間的延長,固定藻球組和懸浮藻液組的氨氮和磷酸鹽濃度都明顯降低,而空白膠球組因只有吸附作用,所以其氨氮和磷酸鹽濃度變化趨勢較緩慢.運行7d后,固定藻球組的氨氮濃度從初始的16.68mg/L,下降到6.13mg/L;磷酸鹽濃度從初始的10.53mg/L,下降到3.92mg/L.而懸浮藻液的氨氮和磷酸鹽濃度分別下降到7.35和5.07mg/L.固定藻球組的污染物濃度低于懸浮藻液組,表明了固定藻球組有較好的去除效果.

表5 空白膠球、懸浮藻液、固定化藻球對氨氮和磷酸鹽去除率(1:10)

根據表5可知,低接種比條件下空白膠球、懸浮藻液、固定化藻球對氨氮和磷酸鹽最大去除率分別是18.08%、55.97%、64.66%和13.91%、51.78%、62.76%.隨時間的延長,氨氮和磷酸鹽的去除率變緩,空白膠球組在第5d趨于飽和,懸浮藻液組在第6d去除率幾乎不再變化,固定藻球組也趨于飽和狀態.整體上對比3組氨氮和磷酸鹽的去除率為固定化藻球>懸浮藻液>空白膠球.

2.2.2 高接種比下的處理效果 依照同樣方法,將接種比提升到1:1再進行N、P去除試驗,根據標準曲線計算出對應氨氮、磷酸鹽含量,繪制的氨氮、磷酸鹽濃度變化曲線如圖5所示,去除率如表6所示.

由圖5可知,與低接種比實驗組相比,高接種比組在相同運行條件下,固定藻球組和懸浮藻液組有較高的去除效果.固定藻球組的氨氮濃度從初始的16.68mg/L,下降到2.48mg/L;磷酸鹽濃度從初始的10.53mg/L,下降到2.53mg/L.而懸浮藻液的氨氮和磷酸鹽濃度分別下降到4.62和3.36mg/L.

根據表6可知,高接種比(1:1)條件下,空白膠球、懸浮藻液、固定化藻球對廢水中氨氮和磷酸鹽最大去除率分別是24.69%、72.30%、85.16%和20.13%、68.07%、75.94%.整體上對比3組氨氮和磷酸鹽的去除率為固定化藻球>懸浮藻液>空白膠球,而且隨著小球藻濃度提高,氮磷去除率也增加,凈化效果提升.

表6 空白膠球、懸浮藻液、固定化藻球對氨氮和磷酸鹽去除率(1:1)(%)

2.2 對比固定藻球與懸浮藻液的小球藻生長情況

為比較固定化和懸浮小球藻在廢水中生長狀況,實驗在相同條件下按1:1配比于模擬廢水中培養,在分光光度計680nm處測定吸光度值(稀釋10倍),可間接反映生長情況.測定懸浮藻和固定藻生長曲線如圖6所示.

根據圖6可知,在相同實驗條件下,等量懸浮藻液和固定化藻球處理模擬海水養殖廢水過程中,實驗前3d內懸浮小球藻液生長密度高于固定化藻球,可能因為前期SA、氯化鈣溶液和藻液形成的膠球束縛影響到小球藻自由生長空間.在實驗第4d后,該束縛導致的影響慢慢消失,固定藻球吸收大量廢水中的氮磷,小球藻生長活躍,數量密度逐漸增加.因此固定化藻球應用于處理養殖廢水,具有較高的生長活性及去除效果.

圖6 懸浮小球藻和固定化小球藻生長曲線

2.3 連續流運行下固定化小球藻去除氮磷效果研究

為確定固定化藻球對海水養殖廢水處理的穩定性,實驗采用1.5L圓柱玻璃光生物反應器,下部進水口由蠕動泵恒流進水,控制HRT為24h,上部溢流出水口前放一格網防止藻球流失,連續流運行15d,測進、出水氨氮和磷酸鹽濃度變化如圖7所示.

根據圖7可知,在連續流運行條件下,出水的氨氮和磷酸鹽濃度都有大幅度降低,實驗前3~4d,氨氮和磷酸鹽濃度呈線性降低,而后維持在較低濃度值附近,這與藻球的生長曲線相對應.通過計算,連續流運行下固定化藻球對海水養殖廢水氨氮、磷酸鹽的平均去除率分別為84.49%和72.17%.固定化藻球處理海水養殖廢水具有長期的穩定性.

3 結論

3.1 對比不同固定化條件的藻球對氨氮、磷酸鹽的去除效果,確定了最佳固定化條件為2.0%海藻酸鈉和2.0%氯化鈣.

3.2 對比固定化藻球、懸浮藻液及空白膠球3組處理廢水效果,高、低接種比條件下3組氨氮和磷酸鹽的去除效果都為固定化藻球>懸浮藻液>空白膠球,固定化藻球處理效果最優.

3.3 連續流運行條件下固定化藻球對海水養殖廢水氨氮、磷酸鹽的平均去除率分別為84.49%和72.17%.

3.4 固定化藻球比懸浮藻液對海水養殖廢水中氨氮和磷酸鹽有較好的去除效果.同等條件下,固定化藻球比懸浮藻液有更長的生長期,提高了其對海水養殖廢水脫氮除磷能力.

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致謝：本實驗的小球藻藻種由山東省海洋生物繁育工程技術研究中心提供,在此表示感謝.

Studies on the treatment of nitrogen and phosphorus in seawater aquaculture wastewater by immobilized chlorella.

DING Yi, HOU Xu-guang, GUO Zhan-sheng, LIANG Zhen-lin*, HAN Leng, YE Meng-qi, LIU Xue-qin

(Marine College, Shandong University at Weihai, Weihai 264209, China)., 2019,39(1)：336~342

In this study, sodium alginate (SA) was used as a carrier, calcium chloride (CaCl2) was used as cross-linker to investigate the optimal conditions of immobilized chlorella and its treatment effect on ammonia nitrogen and phosphate in marine aquaculture wastewater. By comparing the effects of different concentrations of SA and CaCl2on the growth of Chlorella, and the effects of different immobilization conditions on the treatment of ammonia nitrogen and phosphate, the optimum immobilization conditions were 2% SA and 2% CaCl2. The effect of immobilized and suspended Chlorella on nitrogen and phosphorus removal in simulated seawater aquaculture wastewater was compared. The results showed that the immobilized algae balls had better removal efficiency on nitrogen and phosphorus than the suspended algae. The maximum ammonia nitrogen and phosphate removal rates of immobilized algae balls at low inoculation rate (1:10) were 63.26% and 62.76%, respectively. The higher concentration of immobilized Chlorella, the stronger its purification ability. The maximum nitrogen and phosphorus removal rates of immobilized algal balls were 85.16% and 75.94% respectively according to the high inoculation rate (1:1). The average removal rates of ammonia nitrogen and phosphate under continuous flow operation were 84.49% and 72.17%, respectively. The immobilized state of Chlorella retained and extended the suspended growth activity, and enhanced the efficiency of nitrogen and phosphorus removal from seawater aquaculture wastewater.

immobilization；immobilized algae balls；seawater aquaculture wastewater；ammonia nitrogen；phosphate

X714,X55

A

1000-6923(2019)01-0336-07

丁 一(1986-),女,內蒙古赤峰人,講師,博士,主要從事含鹽廢水處理研究.發表論文10余篇.

2018-06-19

中國博士后科學基金資助項目(2017M612278);山東省自然科學基金資助項目(ZR2017PEE008)

* 責任作者, 教授, liangzhenlin@sdu.edu.cn