固化菌藻系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水中氨氮的研究

周　鳴，湯紅妍，賈曉平，苗　娟，朱書法

（1.河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南洛陽471023；2.廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，廣東廣州510300）

固化菌藻系統(tǒng)處理養(yǎng)殖廢水中氨氮的研究

周鳴1，湯紅妍1，賈曉平2，苗娟1，朱書法1

（1.河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南洛陽471023；2.廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，廣東廣州510300）

采用海藻酸鈉-氯化鈣固定法固化硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌與小球藻的混合物，來處理養(yǎng)殖廢水中的氨氮污染，考察了處理時間、溫度、pH和氨氮/固化小球用量比對氨氮去除效果的影響。實驗結(jié)果顯示，固化硝化細(xì)菌小球和固化菌藻小球均能有效去除廢水中的氨氮，但固化菌藻小球的去除效果更佳。在28℃、pH=8、氨氮起始質(zhì)量濃度為50 mg/L、氨氮/固化菌藻小球用量比為1∶40的實驗條件下，24 h內(nèi)能去除廢水中96.51%的氨氮。實驗結(jié)果證實，硝化細(xì)菌和小球藻具有一定的共生關(guān)系，在去除氨氮時有協(xié)同效應(yīng)，固化菌藻小球在養(yǎng)殖廢水脫氮中具有一定的應(yīng)用前景。

氨氮；養(yǎng)殖廢水；硝化細(xì)菌；小球藻；海藻酸鈉

在我國，高密度的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖已形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，并在國民經(jīng)濟中占有重要地位。但在長期集約化養(yǎng)殖過程中，大量集中投料而殘留下的餌料以及水生動物產(chǎn)生的排泄物會導(dǎo)致水體氨氮超標(biāo)，引發(fā)水體富營養(yǎng)化，從而導(dǎo)致魚類死亡和水質(zhì)惡化，因此去除養(yǎng)殖水體中的氨氮對于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義〔1〕。近年來，不少專家學(xué)者嘗試?yán)梦⑸锛夹g(shù)來去除水中的氨氮污染，其中硝化細(xì)菌被廣泛使用〔2-3〕。硝化細(xì)菌為化能自養(yǎng)型微生物，它能通過硝化作用將氨氮高效去除，但世代周期長，生長緩慢，對環(huán)境條件有一定的要求。另有研究證實，微藻（如小球藻）也能去除水中的氨氮，將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、葉綠素等物質(zhì)從而凈化水體，并給魚類提供養(yǎng)料〔4-5〕。微藻還能通過光合作用釋放氧氣，而硝化細(xì)菌是好氧微生物，微藻的存在是有利于其生長的，因此筆者嘗試?yán)孟趸?xì)菌和小球藻共同處理氨氮廢水。在投放方式上，研究發(fā)現(xiàn)向水體中直接投放微生物制劑來調(diào)控水質(zhì)的效果不佳，主要原因是投入水體中的游離微生物在流水條件下易被水流沖走，在靜水條件下易被其他生物吞食，持續(xù)時間短、利用率低下。在此背景下固定化微生物技術(shù)成為解決該問題的發(fā)展方向〔6-7〕。筆者利用海藻酸鈉-氯化鈣法對硝化細(xì)菌和小球藻進行包埋固定，海藻酸鈉與Ca2+接觸時具有瞬時凝膠化的特性，可以在溫和條件下實現(xiàn)對微生物的包埋，且對微生物影響較小〔8〕。

綜上所述，研究采用固定化技術(shù)固化硝化細(xì)菌和小球藻來處理養(yǎng)殖廢水中的氨氮污染，考察處理時間、溫度、氨氮/固化小球用量比對去除效果的影響。目前國內(nèi)外關(guān)于固化菌藻系統(tǒng)處理氨氮的研究較少，該研究的開展期望能為此技術(shù)處理養(yǎng)殖水體氨氮污染的實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1　材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1菌藻的富集與馴化

硝化細(xì)菌為筆者實驗室自行分離，污泥來自洛陽市澗西污水處理廠二沉池。實驗前先對硝化細(xì)菌進行富集培養(yǎng)。培養(yǎng)期間每天檢測氨氮的消耗量和硝酸氮、亞硝酸氮的產(chǎn)生量。培養(yǎng)基：NaH2PO40.25 g，MnSO4·4H2O 0.01 g，CaCO35 g，MgSO4·7H2O 0.04 g，KH2PO40.75 g，（NH4）2SO42 g，H2O 1 L；培養(yǎng)條件：28℃，pH在7.2～7.5，搖床150 r/min。

蛋白核小球藻購自中科院水生生物研究所，使用前經(jīng)過水生四號培養(yǎng)基培養(yǎng)4 d，8 000 r/min下離心10min制備成小球藻濃縮液待用。水生四號培養(yǎng)基：（NH4）2SO40.2 g，MgSO4·7H2O 0.08 g，Ca（H2PO4）2·H2O+ 2（CaSO4·2H2O）0.03g，NaHCO30.1g，KCl0.025g，F(xiàn)eCl30.15 mL（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%），土壤浸出液0.5 mL，H2O 1 L。

1.1.2固化

固化菌藻小球（記為小球A）的制備：將1 g活性炭粉末加入100 mL菌藻液中（硝化細(xì)菌菌懸液與小球藻濃縮液的質(zhì)量比為4∶1）混合培養(yǎng)24 h后離心。將離心底物與20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%海藻酸鈉溶液混合均勻，再將其倒入20 mL濃度為0.1 mol/L 的CaCl2溶液進行混合。用移液管吸取混合物將其擠壓為1～3 mm的小顆粒。將小顆粒置于0.1 mol/L 的CaCl2溶液12 h后，用蒸餾水洗滌待用。為對比實驗效果，按上述步驟（未加入小球藻濃縮液）制備了固化硝化細(xì)菌小球（記為小球B）。

1.1.3模擬廢水的配制

精確稱取K2HPO4260 mg、MgSO4·7H2O 125 mg、NaCl 625 mg、MnSO412.5 mg、FeSO4·7H2O 12.5 mg、NH4Cl 148.3 mg、葡萄糖250 mg溶于1 000 mL魚塘水中（養(yǎng)殖草魚，COD為17 mg/L，氨氮0.1 mg/L，pH 為7.4），該模擬廢水的氨氮質(zhì)量濃度為50 mg/L。

1.2主要實驗儀器

SW-CJ-1G超凈工作臺，蘇州凈化設(shè)備有限公司；AL104型電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；ZWY-110X30水浴振蕩器，上海智城分析儀器制造有限公司；722可見分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司；GL-20G-Ⅱ型離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3活化

微生物經(jīng)包埋固定化后活性會降低，實驗前需將固化小球投入模擬廢水中活化48 h，活化在水浴振蕩器中進行，常溫，振速為150 r/min。

1.4氨氮去除實驗

在一定條件下，將活化后的固化小球與模擬廢水共同置入250 mL錐形瓶，于恒溫水浴振蕩器中振蕩反應(yīng)（振速150 r/min）。待實驗結(jié)束后取10 mL溶液于離心管中，在8 000 r/min的條件下離心分離10 min。將分離出的上清液用納氏試劑比色法在420 nm處測定氨氮〔9〕。按式（1）計算去除率（η）。

式中：c0——氨氮起始質(zhì)量濃度，mg/L；

ce——實驗結(jié)束時的氨氮質(zhì)量濃度，mg/L。

為保證準(zhǔn)確性，實驗均重復(fù)2次。

2　結(jié)果與分析

2.1海藻酸鈣對氨氮的吸附

固化小球?qū)Π钡娜コㄒ韵?個過程：（1）海藻酸鈣的載體對水中氨氮的吸附；（2）固化小球內(nèi)部生物對吸附進來的氨氮進行去除。所以需要載體對氨氮具有一定吸附能力，對此筆者展開研究。取20 g純固化小球（未加入小球藻和硝化細(xì)菌）與100 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的模擬氨氮廢水一起倒入250 mL錐形瓶中，在室溫、pH為8的條件下振蕩吸附，氨氮隨時間的變化情況如圖1所示。

圖1　純固化小球?qū)Π钡奈角闆r

如圖1可知，海藻酸鈣小球?qū)Π钡哂幸欢ǖ奈侥芰?，在實驗條件下4 h左右可達到吸附平衡。這是由于形成的海藻酸鈣小球內(nèi)部多孔，比表面積較大，當(dāng)其投入廢水中時，氨氮會被吸附至小球表面，然后慢慢向內(nèi)擴散，并逐漸達到吸附平衡。

2.2溫度和時間對氨氮去除效果的影響

分別稱取20g固化小球A、固化小球B與100mL質(zhì)量濃度為 50 mg/L的模擬氨氮廢水一起倒入250 mL錐形瓶中，控制實驗溫度為20、25、28、32、36℃，在pH=8條件下振蕩，考察溫度和時間對氨氮去除效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　溫度和時間對氨氮去除率的影響

由圖2可知，固化小球A、B均能去除廢水中的氨氮，溫度是影響氨氮去除率的重要因素。這是因為溫度的變化將直接影響生物的生長，溫度過高會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，從而降低微生物的活性〔10〕，所以高溫下氨氮去除率急劇降低。而低溫則會使微生物生長緩慢，也會影響去除效率。由實驗可知28℃是硝化細(xì)菌和菌藻系統(tǒng)的最適工作溫度。在此溫度下，24 h固化小球A的氨氮去除率可達96.51%，固化小球B的氨氮去除率可達92.62%。

對比固化小球A、B可知，固化菌藻小球在各個溫度段的氨氮去除率均高于固化硝化細(xì)菌小球的去除率。這是因為小球藻不僅能通過同化作用去除氨氮，還能通過光合作用給硝化細(xì)菌提供額外的氧供應(yīng)，而硝化細(xì)菌去除氨氮的產(chǎn)物又是小球藻的營養(yǎng)物質(zhì)，兩者具有一定共生關(guān)系，在去除氨氮時有協(xié)同效應(yīng)。

圖2還反映了時間對氨氮去除率的影響。以28℃時的小球A為例，整個反應(yīng)可分為如下階段：前6 h內(nèi)反應(yīng)過程十分迅速，氨氮去除率快速增加（由0至66.05%）；6 h后反應(yīng)變緩，第24 h氨氮去除率為96.51%，第48 h氨氮去除率為98.53%，因此在實際使用過程中，24 h的反應(yīng)時間即可。

2.3pH對氨氮去除效果的影響

分別稱取20g固化小球A、固化小球B與100mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的模擬氨氮廢水倒入250 mL錐形瓶中，控制pH為6、7、8、9，28℃下振蕩24 h后氨氮去除率如圖3所示。

圖3　pH對氨氮去除率的影響

如圖3所示，pH的變化會嚴(yán)重影響氨氮去除率。pH在7～8的弱堿性環(huán)境對硝化細(xì)菌和菌藻系統(tǒng)去除氨氮最為有利，而酸性或強堿性環(huán)境都不利于生物去除氨氮，這與文獻報道一致〔4，10〕。此外，各個pH下菌藻體系也比單一的硝化細(xì)菌具有更高的氨氮去除率。

2.4氨氮與固化小球的質(zhì)量比對氨氮去除效果的影響

稱取一定質(zhì)量的固化菌藻小球加入到100 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的模擬氨氮廢水中，控制小球用量為0.5、1、1.5、2、2.5 g/L（相應(yīng)的氨氮與固化小球質(zhì)量比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50），在pH為8條件下振蕩，24 h后氨氮去除率如圖4所示。

圖4　氨氮與固化小球質(zhì)量比對氨氮去除率的影響

由圖4可知，隨著固化小球用量的增加，氨氮去除率隨之提高，這是因為一定時間內(nèi)單位質(zhì)量小球的去除能力是有限的，要想獲得更好的去除效果，需要提高固化小球的用量，或延長處理時間。但當(dāng)質(zhì)量比達到1∶40后（2 g/L）氨氮去除率提升變得緩慢，雖然1∶50時氨氮去除率更高，但1∶40的質(zhì)量比顯然更為經(jīng)濟。

為考察1∶40質(zhì)量比的適應(yīng)性，保持氨氮與固化菌藻小球質(zhì)量比為1∶40不變，改變模擬氨氮廢水的初始質(zhì)量濃度，其他實驗條件與圖4實驗相同，結(jié)果如圖5所示。

圖5　氨氮初始質(zhì)量濃度對氨氮去除率的影響

實驗證實，1∶40的質(zhì)量比在不同初始氨氮下均能保持較好的去除率，說明固化菌藻小球的適應(yīng)性強，對氨氮濃度的變化有較強的適應(yīng)能力。

3　結(jié)論

（1）海藻酸鈉和氯化鈣形成的固化小球具有較好的機械強度和穩(wěn)定性，且對氨氮有一定的吸附能力。經(jīng)海藻酸鈉-氯化鈣固化處理后，硝化細(xì)菌和小球藻對外界環(huán)境的適應(yīng)性變強。

（2）在相同實驗條件下，相比于固化硝化細(xì)菌小球，固化菌藻小球的氨氮去除效果更佳。在28℃、pH為8、氨氮起始質(zhì)量濃度為50 mg/L、氨氮與固化菌藻小球質(zhì)量比為1∶40的實驗條件下，24 h后能去除96.51%的氨氮。

上述實驗結(jié)果表明，硝化細(xì)菌和小球藻具有一定的共生關(guān)系，在去除氨氮時有協(xié)同效應(yīng)，固化菌藻小球在養(yǎng)殖廢水脫氮中具有一定的應(yīng)用前景。

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Study on the treatment of ammonia nitrogen in aquacultural wastewater by the immobilized algal-bacterial system

Zhou Ming1，Tang Hongyan1，Jia Xiaoping2，Miao Juan1，Zhu Shufa1
（1.School of Chemical Engineering and Pharmaceutics，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China；2.Key Laboratory of Fishery Ecology and Environment，Guangdong Province，Guangzhou 510300，China）

Solo nitrifying bacteria and the mixture of nitrifying bacteria and chlorella immobilized by sodium alginate and CaCl2have been used for treating the ammonia nitrogen pollution in aquacultural wastewater.The influences of treatment time，temperature，pH and the dosage ratio of ammonia nitrogen/immobilized balls on the removing effects of ammonia nitrogen are investigated.The experimental results show that these immobilized balls（solo nitrifying bacteria and the mixture of nitrifying bacteria and chlorella）can effectively remove ammonia nitrogen from aquacultural wastewater.However，the removing effect of the immobilized bacteria-algal balls are better.Under the following conditions：temperature is 28℃，pH 8，initial ammonia nitrogen mass concentration 50 mg/L and dosage ratio of ammonia nitrogen/immobilized bacteria-algal balls 1∶40，95%of ammonia nitrogen can be removed in 24 hours.These results show that nitrifying bacteria and chlorella have certain symbiotic relationship，and synergistic effect occurs while ammonia nitrogen is being removed.Therefore，the immobilized bacteria-algal balls applied to the denitrification in aquacultural wastewater have certain application prospects.

ammonia nitrogen；aquacultural wastewater；nitrifying bacteria；chlorella；sodium alginate

X703

A

1005-829X（2016）08-0020-04

國家自然科學(xué)基金（41471256）；廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室開放基金項目（LFE-2014-6）；河南省高等學(xué)校重點科研項目（15A610003）

周鳴（1980—），博士，副教授。E-mail：axore@163.com。

2016-07-07（修改稿）