沼液處理液養(yǎng)殖普通小球藻的試驗(yàn)研究

喬 慧， 陳 灝， 趙玉柱

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

沼液處理液養(yǎng)殖普通小球藻的試驗(yàn)研究

喬 慧1, 2， 陳 灝1, 2， 趙玉柱1, 2

(1.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100； 2.鄂爾多斯市城市礦產(chǎn)研究開發(fā)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

試驗(yàn)利用沼液處理液養(yǎng)殖目標(biāo)藻種普通小球藻(Chlorellavulgaris)，考查普通小球藻的生長狀況和其對(duì)沼液中總氮、氨氮、總磷和COD等主要污染物的去除情況。結(jié)果表明：沼液經(jīng)梯度處理后普通小球藻總體生長情況逐漸增強(qiáng)，依次為：沉淀上清液<沼液沉淀-混凝出水液<沼液沉淀-混凝-吸附出水液。沼液處理液能有效促進(jìn)藻體葉綠素的積累，總脂積累情況介于6.94%～23.82%之間。對(duì)沼液的凈化效果，沼液處理液稀釋組中沼液吸附出水稀釋液(X-W)25%組的表現(xiàn)最好，總氮、氨氮、總磷和COD去除率分別為80.32%，83.88%，93.90%和20.00%，沼液處理液與BG11培養(yǎng)基的調(diào)配液組中表現(xiàn)最好的是沼液吸附出水調(diào)配液(X-B)10%組，去除率分別為88.37%，93.57%，97.40%和22.05%。試驗(yàn)的研究將為沼液的資源化處理提供理論依據(jù)。

普通小球藻； 沼液； 混凝； 吸附； 去除率

隨著各類大中型沼氣工程的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了將多種廢棄物轉(zhuǎn)化為清潔能源沼氣和有機(jī)肥料，同時(shí)改善了生態(tài)環(huán)境，是進(jìn)行生態(tài)環(huán)境重建的重要舉措。然而，發(fā)酵產(chǎn)物沼渣沼液的妥善消納卻逐漸成為限制其發(fā)展的瓶頸問題[1]。沼液產(chǎn)生量大，全部就地消納存在難度，若隨意排放，不僅會(huì)導(dǎo)致氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)流失，而且會(huì)引起水體的富營養(yǎng)化[2]。因此，沼液的資源化處理是一個(gè)亟需解決的問題。目前，沼液的資源化利用一般包括制作沼肥或飼料、農(nóng)作物浸種或作殺蟲劑、作調(diào)節(jié)劑或吸附劑以及培養(yǎng)微藻等方式[3]。

利用沼液培養(yǎng)微藻是一項(xiàng)具有多重效益的技術(shù)，藻體生長會(huì)消耗沼液中的氮、磷等營養(yǎng)成分和有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)沼液的凈化，是一種低成本的水處理技術(shù)； 同時(shí)沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)可滿足微藻的基本需求，收獲的藻細(xì)胞可用于開發(fā)飼料或作為添加劑，而且隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，以微藻為原料進(jìn)行生物燃料的生產(chǎn)也受到了廣泛關(guān)注[4]，實(shí)現(xiàn)與提取生物質(zhì)能源方面的耦合，降低了藻類養(yǎng)殖的成本[5]。小球藻作為常見藻種具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長周期短、生物質(zhì)能含量高、養(yǎng)殖過程可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；囵B(yǎng)等特點(diǎn)[6]。迄今為止，國內(nèi)外在利用藻類處理生活污水以及各種工業(yè)廢水方面已進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著成效[7-9]，利用普通小球藻凈化厭氧發(fā)酵沼液的報(bào)道卻較少。

因此，試驗(yàn)選擇普通小球藻(Chlorellavulgaris)為目標(biāo)藻種，研究沼液梯度處理的稀釋液及其與BG11培養(yǎng)基調(diào)配液對(duì)普通小球藻生長的影響，觀察受試對(duì)象的生長情況和藻體的品質(zhì)，同時(shí)分析其對(duì)沼液中有機(jī)物的吸收、降解作用，為實(shí)現(xiàn)沼液的達(dá)標(biāo)排放做基礎(chǔ)研究，并在某種程度上實(shí)現(xiàn)沼液的資源化處理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 藻種來源

藻種：普通小球藻(Chlorellavulgaris，F(xiàn)ACB-8)，購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫。

1.1.2 沼液及預(yù)處理

供試沼液采自鄂爾多斯市沙圪堵村鎮(zhèn)有機(jī)固體廢棄物綜合處理廠。沼液中雖然含有適合普通小球藻生長的基本營養(yǎng)成分，但其濁度和pH值較高，對(duì)藻體的生長產(chǎn)生不利影響[10]。因此對(duì)供試沼液經(jīng)充分自然沉降后取上清液進(jìn)行沼液梯度處理，處理工藝采用“自然沉降-混凝-吸附”的梯度處理[11]，沼液及處理液的常規(guī)指標(biāo)見表1。

表1 沼液處理液的常規(guī)指標(biāo)

1.2 儀器與設(shè)備

SW-CJ-1D型超凈工作臺(tái)，PQX-300型人工氣候箱，HJ-6S型六聯(lián)攪拌器，T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)，PHS-25C型pH計(jì)，SHZ-82型數(shù)顯氣浴恒溫振蕩器等。

1.3 試驗(yàn)分組

(1)CK組：蒸餾水作培養(yǎng)液。

(2)BG11組，BG11培養(yǎng)基配方，每1 L培養(yǎng)基中含有：1.5 g NaNO3，0.04 g K2HPO4，0.075 g MgSO4·7H2O，0.036 g CaCl2·2H2O，0.006 g檸檬酸，0.006 g檸檬酸鐵銨，0.001 g EDTANa2，0.02 g Na2CO3，1 mL A5微量元素溶液，調(diào)節(jié)pH值為7.0，121℃滅菌30 min。

A5微量元素溶液：每1 L溶液中含有2.86 g H3BO3，1.86 g MnCl2·4H2O，0.22 g ZnSO4·7H2O，0.39 g Na2MoO4·2H2O，0.08 g CuSO4·5H2O，0.05 g Co(NO3)2·6H2O。

(3)沼液處理液包括充分自然沉降的沼液(Z)，沼液混凝出水液(H)和沼液吸附出水液(X)。

沼液處理液的蒸餾水稀釋液(分別縮寫為Z-W，H-W，X-W)，稀釋比例為2%, 5%, 10%, 25%和50%，共15組。

沼液處理液與BG11培養(yǎng)基混合來培養(yǎng)微藻，不僅可以達(dá)到稀釋沼液的目的，而且能保證營養(yǎng)元素的種類完備[12]。因此，另外添加沼液處理液與BG11培養(yǎng)基的調(diào)配液(Z-B，H-B，X-B)，調(diào)配比例為2%，5%，10%，25%和50%，共15組。

綜上，共有普通小球藻實(shí)驗(yàn)組32組，每組300 mL，另設(shè)置平行一組，并進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，備用。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 藻種接種與培養(yǎng)

獲取藻種后，將藻種在無菌條件下進(jìn)行活化與擴(kuò)培。取活化好的藻種接種于已滅菌的培養(yǎng)液中，接種50 mL(約15%接種量)，在恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：溫度28℃，光照強(qiáng)度4000 lux，晝夜比12 h/12 h。每日光照期間搖瓶3～4次，并隨機(jī)調(diào)整位置，保證光照均勻。

1.4.2 觀測分析

(1)藻類指標(biāo)觀測：通過測定光密度值OD680，繪制普通小球藻的生長曲線； 試驗(yàn)結(jié)束后通過離心取沉淀，洗滌烘干恒重，測定干重[10]，以此來衡量藻體生物量。

培養(yǎng)結(jié)束后藻液高速離心并洗滌獲得藻泥，提取測定葉綠素含量[11](三色法)，藻泥在80℃烘干至恒重獲得干藻粉，測定總脂含量[13](氯仿-甲醇共溶劑提取重量法)。

(2)培養(yǎng)液指標(biāo)觀測：將培養(yǎng)液10000 r·min-1離心5 min，取上清液用于水質(zhì)分析，分別測定培養(yǎng)液中總氮(參照HJ 636-2012)，氨氮(參照HJ 535-2009)，總磷(參照GB 11893-89)和COD(參照HJ/T 399-2007)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通小球藻生長狀況

2.1.1 普通小球藻的生長曲線

在波長680 nm下測定普通小球藻培養(yǎng)液的光密度值，為校正培養(yǎng)液對(duì)光的吸收，扣除高速離心(10000 r·min-1，10 min)后上清液在680 nm下的吸光度值。

圖1 普通小球藻Z-W試驗(yàn)組的生長曲線

圖2 普通小球藻 Z-B試驗(yàn)組的生長曲線

由圖1～圖6可知，CK和BG11在接種后5 d內(nèi)處于調(diào)整期，隨后進(jìn)入對(duì)數(shù)生長，分別在29 d和33 d時(shí)達(dá)到最大值0.812和1.595。CK中藻種帶入一部分營養(yǎng)物質(zhì)供普通小球藻生長，在29天后營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足，由穩(wěn)定期進(jìn)入衰亡期。BG11培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)充足，因此，BG11的OD680始終高于CK。

由圖1和圖2沼液原液試驗(yàn)可知，試驗(yàn)初期由于不適應(yīng)培養(yǎng)液，藻細(xì)胞出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，OD680明顯下降，Z-W 50%和Z-B 50%由于沼液濁度、色度較高，不利于光的透過，影響光合作用[10]，藻細(xì)胞全部衰亡。隨沼液所占比例降低，抑制作用減輕，其中Z-W 2%在25 d達(dá)到最大，但僅為0.328。隨BG11比例增大，營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)充足，抑制作用減弱，Z-B 2%在31 d達(dá)最大值1.193，大于CK，小于BG11。

由圖3和圖4沼液混凝出水試驗(yàn)可知，與沼液原液試驗(yàn)組相似，試驗(yàn)初期藻細(xì)胞出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，其中H-W 25%，H-W 50%，H-B 50%到試驗(yàn)結(jié)束均維持在0.1左右。同樣，隨沼液混凝出水比例降低，抑制作用減弱，H-W 5%在21 d達(dá)最大值0.438。H-B 2%和H-B 5%分別在29 d和33 d超過CK，其中H-B 2%從第11d開始出現(xiàn)持續(xù)生長，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值1.440，略小于BG11。

圖3 普通小球藻H-W試驗(yàn)組的生長曲線

圖4 普通小球藻H-B試驗(yàn)組的生長曲線

圖5 普通小球藻X-W試驗(yàn)組的生長曲線

圖6 普通小球藻X-B試驗(yàn)組的生長曲線

由圖5和圖6沼液吸附出水試驗(yàn)可知，經(jīng)過5 d左右調(diào)整期后，普通小球藻開始進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期，OD680不斷升高，X-W 2%，X-W 5%，X-W 10%在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)由穩(wěn)定期進(jìn)入衰亡期，生物量減少。X-W 25%在結(jié)束時(shí)仍在上升，達(dá)到最大值1.284。X-B試驗(yàn)組在結(jié)束時(shí)均大于CK組，其中X-B 2%，X-B 5%，X-B 10%在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)大于BG11。

綜上，從沼液梯度處理角度來看，總體長勢(shì)隨沼液原液、混凝出水液、吸附出水液逐漸增強(qiáng)； 從沼液處理液的稀釋角度來看，3種處理液中生長狀況最好的分別為Z-W 2%，H-W 5%和X-W 25%，說明隨沼液梯度處理，沼液原液的抑制作用減弱，營養(yǎng)物質(zhì)更易吸收； 從沼液處理液與BG11調(diào)配液角度來看，除了X-B 2%，X-B 5%，X-B 10%，隨沼液處理液在培養(yǎng)液中所占比例增加，普通小球藻生長能力降低。為試驗(yàn)?zāi)茱@示出典型性，選擇各處理中生長狀況較好的試驗(yàn)組進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，即CK，BG11，Z-W 2%，H-W 5%，X-W 25%，Z-B 2%，H-B 2%和X-B 10%，共8組。

2.1.2 普通小球藻的生物量

光密度法和干重法都可以用來表示普通小球藻的生物量，它們之間存在一定的關(guān)系，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)普通小球藻的生物量進(jìn)行測定，測定結(jié)果見圖7。

將普通小球藻干重與OD680之間進(jìn)行線性關(guān)系擬合，可得擬合方程y=0.4708x+0.0978，相關(guān)系數(shù)R2=0.9871。說明普通小球藻OD680和干重之間存在良好的線性關(guān)系，即可用OD680來表征普通小球藻的生物量。

圖7 普通小球藻的生物量

圖8 普通小球藻葉綠素含量

圖9 普通小球藻葉總脂含量

2.2 普通小球藻藻體基本指標(biāo)

在試驗(yàn)結(jié)束后測定培養(yǎng)液中普通小球藻葉綠素含量和總脂含量，結(jié)果見圖8和圖9。

葉綠素是最主要的光合色素, 其含量在某種程度上反應(yīng)著藻體生物量的大小[14]，各試驗(yàn)組葉綠素含量見圖8和圖9。由圖可知，除了Z-W 2%和H-W 5%，其他試驗(yàn)組葉綠素含量均高于CK和BG11，說明利用沼液處理液培養(yǎng)普通小球藻能有效促進(jìn)葉綠素的積累，這可能與沼液中含有一定量的氨基酸有關(guān)[15]。葉綠素含量最高的是X-B 10%組3.01 mg·L-1，表明吸附出水液的色度低、透光性好，光合作用能力強(qiáng)。此外，比較各試驗(yàn)組的葉綠素a和葉綠素b含量，葉綠素a/葉綠素b 介于1.063～1.644，均大于1，說明普通小球藻主要依靠葉綠素a進(jìn)行光合作用。

微藻在對(duì)沼液中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用的同時(shí)，還可為能源微藻生產(chǎn)油脂提供豐富廉價(jià)的營養(yǎng)與水資源[13]，作為可再生能源生物柴油的原料，解決能源危機(jī)和環(huán)境問題。由圖4可知，各試驗(yàn)組總脂積累情況表現(xiàn)為X-B 10%最高，占干重的23.82%，H-B 2%次之為19.56%，Z-W 2%最低為6.94%。

圖10 普通小球藻對(duì)沼液的總氮去除率效果圖

圖11 普通小球藻對(duì)沼液的氨氮去除率效果圖

圖12 普通小球藻對(duì)沼液的總磷去除率效果圖

圖13 普通小球藻對(duì)沼液的COD去除率效果圖

2.3 普通小球藻對(duì)沼液的凈化效果

微藻對(duì)沼液中氮化合物的去除主要是通過其吸收作用，將含氮化合物通過自養(yǎng)作用合成藻細(xì)胞中氨基酸以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)[10]。由圖10可知，總氮去除效果明顯。CK中含有少量藻種帶入的氮源，但含量較低，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總氮去除率達(dá)83.07%，BG11的初始總氮含量為319.51 g·L-1，隨藻體大量生長消耗較大的氮，去除強(qiáng)度為278.46 mg·L-1?？偟慕到饴逝c普通小球藻的生物量相一致，說明普通小球藻的生長能有效降解總氮。

微藻對(duì)培養(yǎng)液中氨氮的去除方式有兩種，一是藻類的生長吸收消耗的易吸收氮源主要是氨氮，用于合成自身細(xì)胞所需的有機(jī)物； 二是微藻光合作用時(shí)，使溶液中pH值升高，從而導(dǎo)致氨氮的揮發(fā)[16]。由圖11可知，氨氮去除率總體上略高于總氮。由于BG11培養(yǎng)基中氨氮含量很小，而普通小球藻在生長過程不形成氨氮，CK和BG11氨氮去除率分別為92.47%和94.36%。X-W 25%和X-B 10%初始氨氮含量為別為203.37 mg·L-1和82.38 mg·L-1，氨氮含量均較高，但普通小球藻仍可以較好生長，說明普通小球藻對(duì)高濃度氨氮的培養(yǎng)液具有較好的處理效果。

微藻對(duì)磷的去除也包括兩種方式：一是微藻生長同化培養(yǎng)液中磷元素，合成自身的營養(yǎng)物質(zhì)； 二是藻的光合作用使溶液中pH 值上升，磷元素以難溶鹽的形式沉淀下來[16]。由圖12可知，培養(yǎng)液中總磷含量介于1.47～12.38 mg·L-1，普通小球藻對(duì)總磷的去除效果明顯，均大于80%。去除率最高的是X-B 10% 97.40%，去除強(qiáng)度為12.06 mg·L-1。CK，Z-W 2%和H-W 5%在試驗(yàn)后期普通小球藻進(jìn)入衰亡期，藻細(xì)胞開始裂解，釋放出磷元素，因此總磷去除率相對(duì)降低。

微藻對(duì)培養(yǎng)液中COD的去除主要是在光照不足或者無機(jī)碳源供應(yīng)不足的情況下，利用培養(yǎng)液中的有機(jī)化合物充當(dāng)碳源進(jìn)行異樣培養(yǎng)。由圖13可知，普通小球藻對(duì)COD的凈化效果不明顯，說明普通小球藻在生長中利用的碳源主要是空氣和沼液中的無機(jī)碳源，部分有機(jī)碳源可能吸附在藻的細(xì)胞表面而被脫除[17]。同樣，CK，Z-W 2%和H-W 5%在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)藻細(xì)胞分解增加了水質(zhì)中的COD含量。COD降解率最高的是BG11為25.09%，X-B 10%次之為22.05%。

因此，綜合考慮對(duì)沼液的凈化效果，沼液處理液稀釋組中X-W 25%表現(xiàn)最好，總氮、氨氮、總磷和COD去除率分別為80.32%，83.88%，93.90%和20.00%，沼液處理液與BG11調(diào)配液組中表現(xiàn)最好的是X-B 10%，去除率分別為88.37 %，93.57%，97.40%和22.05%。

3 結(jié)論

普通小球藻在沼液梯度處理液中總體長勢(shì)隨沼液原液、混凝處理液、吸附處理液逐漸增強(qiáng)。從沼液處理液稀釋液角度來看，Z-W 2%，H-W 5%，X-W 25%長勢(shì)較好，說明隨沼液梯度處理，原沼液中的抑制物質(zhì)減弱，營養(yǎng)物質(zhì)更易吸收； 從沼液處理液與BG11調(diào)配液角度來看，Z-B 2%，H-B 2%，X-B 10%長勢(shì)較好。沼液處理液能有效促進(jìn)藻體葉綠素的積累，總脂積累情況介于6.94%～23.82%之間。

普通小球藻能有效降解培養(yǎng)液中總氮，總氮去除效果明顯，降解率與普通小球藻的生物量相一致； 氨氮去除率總體上略高于總氮，且在氨氮含量較高的培養(yǎng)液中仍可以較好生長； 總磷的去除效果明顯，均大于80%； COD的凈化效果不明顯，介于7.45%～25.09%之間，其中CK，Z-W 2%，H-W 5%在試驗(yàn)后期進(jìn)入衰亡期，藻細(xì)胞裂解，增加了培養(yǎng)液中的磷含量和COD含量，因此去除率相對(duì)較低。

綜合考慮普通小球藻的生長情況和品質(zhì)指標(biāo)，認(rèn)為沼液處理液稀釋組中X-W 25%和沼液處理液與BG11調(diào)配液組中X-B 10%作為培養(yǎng)液時(shí)，最適宜用作藻類培養(yǎng)液，此時(shí)可以得到較高的生物量，且藻體的葉綠素含量和總脂含量均較高，對(duì)沼液中的氮磷等營養(yǎng)物也有良好的去除效果。

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Chlorella vulgaris Cultivation with Treated Biogas Slurry /

QIAO Hui1, 2，CHEN Hao1, 2，ZHAO Yu-zhu1, 2/

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Science, Ordos 017100, China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017100, China)

The culture of target algaeChlorellavulgarisusing treated biogas slurry was carried out. The growth ofChlorellavulgaris, the removal rate of total nitrogen, ammonia nitrogen, total phosphorus and COD in the biogas slurry were detected. The results showed that the overall growth ofChlorellavulgariswas improved gradually with slurry gradient treatment level increased, which were in the order of sedimentation treatment

Chlorellavulgaris； biogas slurry； coagulation； adsorption； removal rate

2015-11-16

項(xiàng)目來源： “十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC25B03)

喬 慧(1987-)，女，內(nèi)蒙古包頭市人，研究方向?yàn)檎右禾幚砑百Y源化利用，E-mail:qiaohui9163@163.com

S216.4; X703

B

1000-1166(2016)06-0115-06