萊茵衣藻Chlammydomonasreinhardtii凈化酒糟廢水研究

余 江， 王 萍, 冉宗信， 趙 亮， 楊 春

( 1. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610065； 2. 四川大學(xué) 新能源與低碳技術(shù)研究院， 四川 成都 610065; 3. 成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 固體廢物與危險化學(xué)品管理研究所， 四川 成都 610072; 4. 四川師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 四川 成都 610066)

萊茵衣藻Chlammydomonasreinhardtii凈化酒糟廢水研究

余 江1，2， 王 萍1，2, 冉宗信1，2， 趙 亮3， 楊 春4

( 1. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610065； 2. 四川大學(xué) 新能源與低碳技術(shù)研究院， 四川 成都 610065; 3. 成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 固體廢物與危險化學(xué)品管理研究所， 四川 成都 610072; 4. 四川師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 四川 成都 610066)

通過結(jié)合廢水處理與能源微藻培養(yǎng)，既可以實現(xiàn)廢水的無害化處理，也可以為微藻的培養(yǎng)提供營養(yǎng)組分和大量水源.以萊茵衣藻(Chlammydomonasreinhardtii)為實驗材料，以酒糟廢水為培養(yǎng)基，構(gòu)建室內(nèi)微型生態(tài)系統(tǒng)，考察了不同處理方法下的酒糟廢水接種萊茵衣藻后的總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)的去除情況以及微藻蛋白提取情況.結(jié)果表明：酒糟廢水稀釋液初始TN質(zhì)量濃度位于9.39 ～30.86 mg·L-1時，廢水總氮去除率在70%～80%之間；初始TP質(zhì)量濃度位于3.45～10.93 mg·L-1時,總磷去除率較高，最高達(dá)到86.59%；不同稀釋倍數(shù)的酒糟廢水COD去除率均高于50%.而稀釋80倍、50倍以及 50倍(氮磷質(zhì)量濃度比為108∶7)的藻可溶性蛋白增長均比較明顯，最大值可達(dá)到11.36 mg·L-1，同時也說明通過外加氮、磷調(diào)節(jié)氮磷的初始質(zhì)量濃度比至108∶7,可大大提高其產(chǎn)量.總體上，在稀釋倍數(shù)為50倍(TN、TP初始質(zhì)量濃度分別為18.23、6.99 mg·L-1)時，萊茵衣藻生長良好，廢水中TN、TP、COD去除效果均比較明顯，對水質(zhì)的凈化效果最佳，同時可獲得較高質(zhì)量濃度的藻可溶性蛋白，這為酒糟廢水與微藻耦合規(guī)?；囵B(yǎng)提供了一種新的思路.

酒糟廢水； 萊茵衣藻； 總氮； 總磷； COD； 可溶性蛋白

酒精行業(yè)產(chǎn)生的蒸餾廢液-酒糟廢水含有高濃度有機(jī)物(COD質(zhì)量濃度達(dá)到30 000～80 000 mg·L-1)、高濃度懸浮物(SS質(zhì)量濃度達(dá)到20～30 g·L-1)、高營養(yǎng)且難以處理和再利用的物質(zhì)，是輕工業(yè)重要的污染性廢水之一[1].由于酒糟廢水可生化性強(qiáng)，屬于易降解有機(jī)廢水，通常采用物理、化學(xué)、生物等方法處理，其中生化法最具競爭力，如USAB-UBF-SBR法、UASB-生物接觸氧化法、AFB-CASS法等[2-4].但由于生化法在處理能力和處理時間上仍存在很多難以攻克的問題，使其應(yīng)用受到一定限制.隨后又出現(xiàn)了如超臨界水氧化法、高效濃縮燃燒法、光催化氧化法等，這些方法作為高效、快速的處理方法具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但用于大?guī)模處理中，費用較高，而且高溫高壓對設(shè)備具有很強(qiáng)腐蝕性，故目前還只是處于試驗階段.由于釀酒的原料均采用農(nóng)作物，其中生產(chǎn)酒只利用了原料中的淀粉或糖分，其他成分不僅未能利用，而且在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生多種氨基酸和蛋白質(zhì)[5].這些成分是寶貴的物質(zhì)資源，如果隨廢水一起處理，會因負(fù)荷高而耗費較多的基建投資和運行費用，影響企業(yè)治廢的積極性,因此，尋求經(jīng)濟(jì)、實用、合適的酒糟廢水處理手段對酒精產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義.

微藻是單細(xì)胞或多細(xì)胞光合微生物，具有繁殖速率快，光合效率高，產(chǎn)油量高，生長條件溫和等優(yōu)點.利用微藻處理廢水，可降低廢水中的有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)(N、P)的質(zhì)量濃度，達(dá)到凈化廢水水質(zhì)的效果[6].同時，微藻由于其產(chǎn)油率高，體積小，易于干燥和粉碎，后續(xù)生產(chǎn)生物燃料要求較低，近些年常被稱作是生產(chǎn)生物柴油最有潛力的替代原料[7].然而就利用微藻處理酒糟廢水的試驗，國內(nèi)相關(guān)研究甚少.鑒于此，本研究嘗試把酒糟廢水處理與微藻養(yǎng)殖耦聯(lián)，不僅能有效解決酒糟廢水難以徹底處理的問題，同時還變“廢”為“寶”，資源循環(huán)利用生產(chǎn)出另一種更具市場競爭力的高附加值產(chǎn)品.相比酒糟廢水的其他處理方法，該方法無疑是一項成本低、能耗少、效益高、開發(fā)潛力巨大的環(huán)保工程.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 酒糟廢水 選用四川省成都市某酒廠廢水.將酒糟廢水經(jīng)中速分析濾紙抽濾后收集濾液，再經(jīng)0.45 μm微孔濾紙二次抽濾至水樣澄清，取濾液置于高壓滅菌鍋(T=121 ℃，t=30 min)中滅菌，待到清液溫度降至室溫后置于冰箱內(nèi)冷藏備用.經(jīng)分析得酒糟廢水清濾液主要水質(zhì)為:TN、TP、COD分別為928.3、342.8、32 392.5 mg·L-1.

1.1.2 藻種 萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)藻種來自四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院藻種室，接種于WC medium培養(yǎng)基內(nèi)，于光照培養(yǎng)箱(T=20 ℃,光照強(qiáng)度為2 000 lx)內(nèi)靜止培養(yǎng).WC medium培養(yǎng)基配比見表1.

表 1 WC medium培養(yǎng)基各成分配比

1.2 酒糟廢水接種萊茵衣藻預(yù)培養(yǎng) 于5只250 mL潔凈三角瓶中分別加入稀釋0倍、30倍、50倍、80倍、100倍的廢水，培養(yǎng)20 d.期間觀察藻的長勢，為后期實驗廢水稀釋倍數(shù)的選擇作參考.

1.3 酒糟廢水接種萊茵衣藻實驗方案 在5只250 mL潔凈三角瓶中分別加入稀釋30倍、50倍、80倍、100倍、50倍(調(diào)節(jié)氮磷的初始質(zhì)量濃度比至108∶7)的酒糟廢水清濾液100 mL，在無菌條件下接入與預(yù)培養(yǎng)階段相同量的萊茵衣藻，在設(shè)定溫度為25 ℃，光照2 000 lx，光暗比12 h/12 h的光照培養(yǎng)箱內(nèi)靜置培養(yǎng)，以17 d為第一試驗周期，定時搖瓶、取樣用作測定各培養(yǎng)液TN、TP、COD、可溶性蛋白質(zhì)量濃度，同時添加與取樣時培養(yǎng)液質(zhì)量濃度一致的廢水稀釋液于相應(yīng)培養(yǎng)液中使得培養(yǎng)液體積不變.

將稀釋50倍的廢水通過外加氮磷調(diào)節(jié)至萊茵衣藻生長所需適宜的初始N、P質(zhì)量濃度(根據(jù)前期實驗所得氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7)，旨在探究衣藻在營養(yǎng)充足的條件下對廢水的凈化能力.

1.4 分析方法 總氮、總磷的測定分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)和鉬酸銨分光光度法 (GB11893-89)；COD質(zhì)量濃度測定采用快速催化法；可溶性蛋白的測定應(yīng)用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[8].

2 結(jié)果與分析

2.1 不同營養(yǎng)條件下萊茵衣藻對廢水中TN、TP、COD去除 從圖1(a)可以看出：不同稀釋倍數(shù)的廢水接種衣藻后TN質(zhì)量濃度均呈不斷下降的趨勢.由此可以表示稀釋倍數(shù)在由30到100倍的范圍內(nèi)，衣藻對廢水均具有明顯的TN去除作用，隨著廢水濃度的不斷提高，TN總?cè)コ俾蕪?.409 mg·(L·d)-1(稀釋100倍)增加到1.412 mg·(L·d)-1(稀釋30倍)，具有稀釋倍數(shù)越低，TN去除速率越高的大致規(guī)律.而將稀釋50倍調(diào)節(jié)至50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7) 條件時，雖然TN質(zhì)量濃度有下降趨勢，但其終端TN質(zhì)量濃度相對稀釋50倍初始TN質(zhì)量濃度高出太多，說明調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的初始N，P質(zhì)量濃度使廢水初始TN質(zhì)量濃度處于較高水平對廢水TN的去除并無效果.

圖2(a)的結(jié)果表示：當(dāng)廢水中TN初始質(zhì)量濃度在9.39～30.86 mg·L-1時，衣藻細(xì)胞能吸收并同化大部分廢水中的氮，總氮去除率在70%～80%之間.但隨著廢水中初始TN質(zhì)量濃度的進(jìn)一步升高，TN去除率急劇下降，由原來的72.1%(50倍，TN初始質(zhì)量濃度為18.23 mg·L-1)降低至35.29%(50 倍 以及氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7， 此時TN初始質(zhì)量濃度為103.81 mg·L-1).說明高質(zhì)量濃度含氮量的廢水對總氮的吸收具有飽和性.鄧旭等[9]利用萊茵衣藻處理含氮質(zhì)量濃度在15 ～75 mg·L-1的人工廢水試驗中，當(dāng)廢水含氮質(zhì)量濃度達(dá)到75 mg·L-1時，氮去除率降低到50%左右，說明藻細(xì)胞對氮的吸收達(dá)到基本飽和.

圖1(b)和圖2(b)表示衣藻對廢水TP在3.45 ～10.93 mg·L-1時，具有明顯的去除效果.當(dāng)廢水稀釋50倍(TP初始質(zhì)量濃度為6.99 mg·L-1)，TP去除率最高，達(dá)到86.59%，同時，調(diào)節(jié)氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7(50倍)時，TP去除率從76.59%增加到85.47%，說明通過外加氮磷的方式改變廢水的初始TP質(zhì)量濃度在一定程度上能促進(jìn)衣藻細(xì)胞對磷的同化，達(dá)到更好的去除效率.另外，100倍、80倍、50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7)3組均在衣藻生長第6天以后TP質(zhì)量濃度趨于平緩并有小幅度的上升，這是因為到培養(yǎng)后期，培養(yǎng)基中的N、P難以滿足微藻生長需求，部分微藻死亡又重新釋放一定量的氮和磷[10].

圖3結(jié)果表明，不同稀釋倍數(shù)的廢水COD去除率均高于50%，當(dāng)廢水稀釋30倍(初始COD質(zhì)量濃度為1 253 mg·L-1)時，COD去除率達(dá)到最高(67.04%).隨著廢水質(zhì)量濃度的提高，衣藻對廢水的COD的去除能力隨之提高，說明在廢水COD質(zhì)量濃度位于351 ～1 253 mg·L-1時，適當(dāng)提升廢水的濃度有利于提高處理效率.梁锏文等[11]利用微藻處理丁醇廢水的試驗結(jié)果表示，隨著培養(yǎng)基中廢水質(zhì)量濃度的增加(超過50%，CODcr質(zhì)量濃度位于16 981 mg·L-1以上)，微藻對廢水中總氮的去除能力隨之下降，說明過高質(zhì)量濃度廢水會抑制小球藻的生長.萊茵衣藻降低酒糟廢水COD的廢水質(zhì)量濃度也應(yīng)存在轉(zhuǎn)折點.

而調(diào)節(jié)50倍調(diào)節(jié)至50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7)反倒使得COD去除率最低，說明通過外加氮磷調(diào)節(jié)廢水的初始氮磷至最佳雖然能促進(jìn)藻細(xì)胞的生長，但對廢水的COD去除并沒有實際的貢獻(xiàn).

圖4表明廢水初始COD質(zhì)量濃度相近時，COD下降趨勢基本相同，且都在生長對數(shù)期(第3～6天)具有最高的去除速率，之后去除效果并不明顯.

2.2 不同營養(yǎng)條件下酒糟廢水對萊茵衣藻生化特性的影響 由圖5可看出，不同稀釋倍數(shù)條件下，萊茵衣藻可溶性蛋白質(zhì)量濃度隨培養(yǎng)時間大致呈現(xiàn)先逐漸上升直至平衡的趨勢.

其中稀釋80倍和50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7)的藻可溶性蛋白增長幅度高于其他實驗組，到實驗周期結(jié)束時，其可溶性蛋白質(zhì)量濃度分別達(dá)到10.18 、11.36 mg·L-1，但并無顯著性差異(P>0.05).結(jié)合不同稀釋倍數(shù)下廢水氮磷質(zhì)量濃度變化及去除率變化趨勢，稀釋80倍的氮磷質(zhì)量濃度下降幅度最大，萊茵衣藻細(xì)胞則可最大限度地利用培養(yǎng)液中的無機(jī)態(tài)氮通過光能自養(yǎng)的方式合成自身所需的各類蛋白質(zhì)[12-14].而調(diào)節(jié)50倍至50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7)，衣藻細(xì)胞可溶性蛋白質(zhì)量濃度從6.16 增加到11.36 mg·L-1，說明在酒糟廢水中按照衣藻最佳生長N/P外加氮磷對其藻細(xì)胞生長有很大的促進(jìn)作用.

3 結(jié)論

對萊茵衣藻凈化酒糟廢水的能力進(jìn)行了分析，考察不同稀釋倍數(shù)的酒糟廢水以及外加氮磷調(diào)節(jié)初始N/P質(zhì)量濃度的酒糟廢水在接種萊茵衣藻后的TN、TP、COD去除情況和可溶性蛋白的產(chǎn)生情況.研究結(jié)果表明：

1) 當(dāng)酒糟廢水稀釋液初始TN質(zhì)量濃度位于9.39～30.86 mg·L-1時，廢水總氮去除率均在70%～80%之間.但從稀釋50倍(TN初始質(zhì)量濃度為18.23 mg·L-1)調(diào)節(jié)至50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7，TN初始質(zhì)量濃度為103.81 mg·L-1)，TN去除率急劇下降，由原來的72.1%降低至35.29%.

2) 酒糟廢水初始TP質(zhì)量濃度位于3.45～10.93 mg·L-1時TP去除效果明顯，廢水稀釋50倍時(TP初始質(zhì)量濃度為6.99 mg·L-1)，TP去除率最高，達(dá)到86.59%.

3) 不同稀釋倍數(shù)的酒糟廢水COD去除率均高于50%，當(dāng)酒糟廢水稀釋30倍(初始COD質(zhì)量濃度為1 253 mg·L-1)時，COD去除率達(dá)到最高，達(dá)到67.04%，其次是50倍和80倍，COD去除率分別為61.01%和60.03%.

4) 稀釋80倍和50倍(氮磷的質(zhì)量濃度比為108∶7)的藻可溶性蛋白增長比較明顯，質(zhì)量濃度最大值可分別達(dá)到10.18 、11.36 mg·L-1，同時也說明通過外加氮、磷調(diào)節(jié)氮磷的初始質(zhì)量濃度比至108∶7,可大大提高其產(chǎn)量.

總體而言，當(dāng)稀釋倍數(shù)為50倍(TN、TP初始質(zhì)量濃度分別為18.23、6.99 mg·L-1)條件下，萊茵衣藻生長良好，廢水中TN、TP、COD去除效果均比較明顯，對水質(zhì)的凈化效果最佳，同時可獲得較高質(zhì)量濃度的藻可溶性蛋白，這為酒糟廢水與微藻耦合規(guī)?；囵B(yǎng)提供了一種新的思路.

[1] 周建丁,周分健. 白酒工業(yè)廢水處理現(xiàn)狀及展望[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008,21(6):74-77.

[2] 李健秀，王建剛，邱俊，等. 超濾-反滲透集成工藝處理玉米酒糟廢水[J]. 化學(xué)工程，2007,35(8):42-44.

[3] 郭慶東，黃杰龍，冠巧花，等. UASB工藝在規(guī)模化處理米酒糟廢水中的應(yīng)用[J]. 水處理技術(shù),2013,39(6):125-128.

[4] 李克勛，王太平，張振家. 酒糟廢水處理工藝改造實例[J]. 中國給水排水，2004,20(5):83-85.

[5] 耿土鎖，袁嗣兵. 高濃度酒糟廢水的綜合利用[J]. 江蘇環(huán)境科技,1997,2:29-31.

[6] 劉磊，楊雪薇，陳朋宇，等. 3種微藻對人工污水中氮磷去除效果的研究[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,11:172-176.

[7] GOUVEIA L, OLIVEIRA A C. Microalgae as a raw material for biofuels production [J]. J Ind Microbiol Biot,2008,36(2):269-274.

[8] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社,2000.

[9] 鄧旭,魏斌,胡章立. 利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究[J]. 環(huán)境科學(xué),2010,31(6):89-93.

[10] 章斐,陳秀榮,江子建. 不同氮磷濃度下2種無毒微藻的生長特性和脫氮除磷效能[J]. 環(huán)境工程學(xué)報,2015,9(2):59-66.

[11] 梁锏文,李智斌,陳柏銓. 利用微藻處理生物丁醇廢水的初步研究[J]. 廣州化工,2015,22:78-80.

[12] YU S, HUBBARD J S, HOLZER G. Total lipid production of the green of the green alga nannochloropsis sp. Qii under different nitrogen regimes [J]. J Phycology,1987,23(23):892-96.

[13] DORTCH Q. Effect of growth conditions on accumulation of internal nitrate, ammonium and protein in three marine diatoms[J]. J Experimental Marine Biology Ecology,1982,61(3):43-254.

[14] 曾玲,文菁,徐春曼. 氮、磷對微藻生長和產(chǎn)毒的影響[J]. 湛江師范學(xué)院學(xué)報,2011,32(6):103-108.

(編輯 陶志寧)

Study on Purification of Vinasse Wastewater byChlamydomonasreinhardtii

YU Jiang1,2, WANG Ping1,2, RAN Zhongxing1,2, ZHAO Liang3, YANG Chun4

( 1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan; 2. Institute of New Energy and Low Carbon Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan; 3. Institute of Solid Waste and Hazardous Chemicals Management, Chengdu Academy of Environmental Science, Chengdu 610072, Sichuan; 4. College of Chemistry and Materials, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, Sichuan

It could realize innocent treatment of wastewater and provide culture of microalgae with nutrition and water resource by combining wastewater treatment with microalgae culture. In this research, indoor micro ecological system was set by usingChlammydomonasreinhardtiias experimental material and vinasse wastewater as culture medium to observe the removal rate of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chemical oxygen demand (COD) in vinasse wastewater, and the effect of microalgae protein extraction as well. The result showed that the final removal rate of TN reached up to 70% to 80% when the initial concentration of TN in vinasse wastewater was between 9.39 mg·L-1and 30.86 mg·L-1, it had a good removal rate even to 86.59% of TP when the initial content of TP was between 3.45 mg·L-1and 10.93 mg·L-1. C. reinhardtii could remove more than 50% COD of vinasse wastewater which had different dilution ratio. Meantime, the content of soluble protein increased obviously under the conditions of diluted 80×, 50×, and 50× (the rate of nitrogen and phosphorus being 108∶7). In general, at the condition of diluted 50× (TN, TP concentration being 18.23 mg·L-1, 6.99 mg·L-1, respectively),C.reinhardtiigrows well, and TN, TP, COD removal efficiency are more obvious, the water quality purification effect is the best, and it also can obtain a higher content of soluble protein, which provides a new way of thinking for co-cultivation between vinasse wastewater and microalgae.

vinasse wastewater;Chlammydomonasreinhardtii; total nitrogen; total phosphorus; COD; soluble protein

2015-11-21

國家自然科學(xué)基金(31100374)和成都市科技局項目(2015-HM01-00013-SF)

余 江(1974—)女，副教授，主要從事水污染控制工程方面的研究,E-mail：yujianggz@163.com

X52

A

1001-8395(2016)06-0900-05

10.3969/j.issn.1001-8395.2016.06.023