柵藻貼壁培養(yǎng)處理沼液效果的研究

程鵬飛，潘璐，王愿珠，劉天中，劉德富*

（1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.九江學(xué)院鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心，江西九江 332005；3.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430072；4.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；5.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東青島 266101）

柵藻貼壁培養(yǎng)處理沼液效果的研究

程鵬飛1，2，潘璐3，王愿珠4，劉天中5，劉德富3*

（1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.九江學(xué)院鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心，江西九江 332005；3.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430072；4.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；5.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東青島 266101）

以柵藻（Scendesmus dimorphus）為研究對(duì)象，將微藻培養(yǎng)和養(yǎng)豬沼液廢水處理相結(jié)合，通過(guò)貼壁培養(yǎng)在處理沼液廢水的同時(shí)耦合藻類(lèi)油脂生產(chǎn)，并比較了柵藻貼壁培養(yǎng)與懸浮培養(yǎng)藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況及對(duì)N的利用效率，為藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)及降低沼液廢水處理成本提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：貼壁培養(yǎng)下藻細(xì)胞生物產(chǎn)率為6.15 g·m-2·d-1，高于柵藻懸浮培養(yǎng)的生物產(chǎn)率5.48 g·m-2·d-1；貼壁培養(yǎng)下藻細(xì)胞對(duì)N的吸收率為85.23%，高于懸浮培養(yǎng)N的利用率77.84%。在初始NH3-N、TP及COD濃度分別為281.2、29.1、551mg·L-1的沼液廢水中貼壁培養(yǎng)柵藻，藻類(lèi)生長(zhǎng)狀況與正常BG11培養(yǎng)相近，生物產(chǎn)率分別為6.26 g·m-2·d-1與6.23 g·m-2·d-1；油脂含量相差不大，分別占細(xì)胞干重的34.6%、35.2%；沼液廢水中NH3-N、TP及COD去除效率分別為99.04%、73.06%和72.32%。

柵藻；貼壁培養(yǎng)；沼液廢水；油脂生產(chǎn)；處理

生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染，尤其是養(yǎng)豬沼液中N、P等污染給水體生態(tài)環(huán)境與人類(lèi)安全健康造成嚴(yán)重危害，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)生豬養(yǎng)殖廢水出水標(biāo)準(zhǔn)基本執(zhí)行畜禽污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，其出水COD仍高達(dá)400mg·L-1，且含有大量N、P等元素。隨著國(guó)家對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的重視，沼液廢水排放標(biāo)準(zhǔn)提高是必然趨勢(shì)。

當(dāng)前，生豬養(yǎng)殖廢水主要采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣處理技術(shù)，雖然在廢水凈化效果與經(jīng)濟(jì)效益方面均有一定優(yōu)勢(shì)，但處理后的沼液仍含有豐富的N、P等大量元素及各種微量元素[3-4]。傳統(tǒng)“豬-沼-果”、“豬-沼-魚(yú)”等沼液利用模式能夠有效提高土壤肥力、改善果蔬與魚(yú)苗的生長(zhǎng)品質(zhì)，但是這些沼液的規(guī)模化利用面臨土地不足以消納及農(nóng)戶(hù)不接受等問(wèn)題，加大了養(yǎng)殖污水處理難度，造成資源的浪費(fèi)和對(duì)社會(huì)、環(huán)境的不良影響[5-6]。因此，沼液廢水的處理迫切需要能使其處理后得以資源化利用的集成技術(shù)。

比較而言，利用某些生物本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)與成分特性來(lái)非定向或選擇性的吸附、富集或去除廢水中N、P及COD等則具有明顯的優(yōu)勢(shì)。各種生物質(zhì)資源中，藻類(lèi)光合效率高、油脂產(chǎn)率高、固碳效率好及含有豐富的高附加值產(chǎn)品，相比于細(xì)菌、霉菌、植物等具有更好的優(yōu)勢(shì)，因而被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)資源之一[7-8]。微藻在光合作用生長(zhǎng)過(guò)程中能夠吸收大量的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，或通過(guò)富集與結(jié)合作用對(duì)水體環(huán)境中金屬離子、微量元素等進(jìn)行吸附，合成自身脂質(zhì)及其他附加值產(chǎn)品，進(jìn)而降低水體中的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，凈化水質(zhì)[9]。

利用液體懸浮培養(yǎng)微藻進(jìn)行養(yǎng)豬沼液廢水處理的研究已有報(bào)道。Franchino等[10]和阮榕生等[11]國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用微藻進(jìn)行沼液廢水的處理，取得了較好的效果。但傳統(tǒng)的微藻懸浮培養(yǎng)凈化廢水技術(shù)因占地面積大、處理效果不穩(wěn)定、采收成本高等原因一直未能成為污水處理的主流工藝。Ji等[12]將小球藻（Chlorella vulgaris YSW-04）在傳統(tǒng)的PBRs反應(yīng)器中懸浮培養(yǎng)并凈化沼液廢水，結(jié)果藻細(xì)胞的生長(zhǎng)因廢水的濃度高而受到抑制，生物產(chǎn)率較低，而且培養(yǎng)后的藻細(xì)胞需離心分離才能最終凈化水質(zhì)。因此，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)（反應(yīng)器）的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)微藻污水處理工程化應(yīng)用的關(guān)鍵?；诖耍狙芯坷觅N壁技術(shù)培養(yǎng)微藻處理沼液廢水。貼壁培養(yǎng)是根據(jù)光稀釋與固定化的原理，將藻細(xì)胞與培養(yǎng)基相分離，并固定在一定生物膜材料上，將極少量的培養(yǎng)基液體通過(guò)附著在多孔材料的背面或內(nèi)部滴入以使藻細(xì)胞處于半干濕潤(rùn)狀態(tài)，并在一定光照強(qiáng)度與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下進(jìn)行生長(zhǎng)的培養(yǎng)方式[13]。利用貼壁方式培養(yǎng)微藻處理沼液廢水，培養(yǎng)結(jié)束后省去了藻細(xì)胞離心的高能耗過(guò)程，大幅降低成本。但貼壁培養(yǎng)微藻藻細(xì)胞生長(zhǎng)狀況與懸浮培養(yǎng)相比是否有優(yōu)勢(shì)，以及兩種培養(yǎng)方式下對(duì)培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效率還需要作比較研究。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上再對(duì)貼壁培養(yǎng)微藻處理沼液廢水的效果進(jìn)行研究才具意義。

藻細(xì)胞用于生產(chǎn)生物柴油是微藻沼液廢水處理重獲新生的主要驅(qū)動(dòng)力之一。微藻培養(yǎng)將污水處理和生物柴油生產(chǎn)相結(jié)合，在一定程度上解決了藻類(lèi)培養(yǎng)的成本以及污水處理問(wèn)題。選擇油脂含量高、生長(zhǎng)速率快的微藻在整個(gè)技術(shù)中至關(guān)重要。眾多微藻中，由于柵藻在其培養(yǎng)過(guò)程中可積累較多油脂，且對(duì)污水耐受能力強(qiáng)，是一種典型的生產(chǎn)生物柴油的藻種資源[14]。

本文首先在正常BG11培養(yǎng)基下比較柵藻貼壁培養(yǎng)與傳統(tǒng)懸浮培養(yǎng)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽利用效率。通過(guò)采集武漢某地區(qū)養(yǎng)豬沼液廢水，利用貼壁方式培養(yǎng)柵藻，考察柵藻在沼液廢水中生長(zhǎng)、油脂積累及對(duì)NH3-N、TP及COD的去除效率，以期探究柵藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水的效果，為沼液污染控制及現(xiàn)代畜禽生態(tài)發(fā)展提供“綠色生態(tài)”途徑。

1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)基

本實(shí)驗(yàn)所用柵藻（Scendesmus dimorphus）藻種由湖北工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室保藏。柵藻種子培養(yǎng)過(guò)程所用培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基[15]。

1.2 沼液廢水

本實(shí)驗(yàn)藻類(lèi)貼壁培養(yǎng)沼液廢水取自武漢市某畜禽企業(yè)經(jīng)厭氧發(fā)酵后的污水，取水時(shí)間為2016年3 月15日14：00。廢水經(jīng)自然沉降2 d后，取上清液測(cè)定其初始NH3-N、TP、COD等指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 反應(yīng)器與培養(yǎng)方法

本實(shí)驗(yàn)柵藻種子培養(yǎng)所用反應(yīng)器為玻璃柱式反應(yīng)器，內(nèi)直徑0.05m，柱高0.55m，工作體積0.9 L。反應(yīng)器內(nèi)部放置直徑5mm的玻璃通氣管，混合有1.5% CO2（V/V）的壓縮空氣（0.1MPa），以0.1 vvm的速率通過(guò)通氣管從反應(yīng)器底部鼓泡，從而將藻液攪動(dòng)并補(bǔ)充碳源。培養(yǎng)過(guò)程中連續(xù)光照，培養(yǎng)柱表面光強(qiáng)100 μmol·m-2·s-1，培養(yǎng)溫度（25±1）℃。

表1 沼液廢水的參數(shù)指標(biāo)特征（mg·L-1）Table 1 The characteristicsand featuresof the raw piggery wastewater（mg·L-1）

貼壁培養(yǎng)反應(yīng)裝置如圖1所示。將一長(zhǎng)0.4m、寬0.2m、厚3mm的玻璃板置于0.5m×0.3m×0.05m的玻璃腔中，玻璃板的一面附有濾紙，并接受正上方的光照。將柵藻藻種接種于醋酸纖維素膜上，貼于附著在玻璃板的濾紙上，將附有藻種的玻璃板放入玻璃腔室內(nèi)，為保持玻璃腔室內(nèi)的穩(wěn)定環(huán)境，用保鮮膜封住玻璃腔的一面，培養(yǎng)基液體通過(guò)循環(huán)泵滴加（循環(huán)使用）。為了保證培養(yǎng)液均勻滲入藻細(xì)胞內(nèi)，將玻璃培養(yǎng)腔放置一定傾角，熒光燈置于培養(yǎng)腔正上方提供光源。沼液廢水貼壁培養(yǎng)柵藻未通CO2，以空氣鼓泡代替，其他培養(yǎng)條件與種子液培養(yǎng)條件相同。

為了便于比較正常BG11培養(yǎng)基下柵藻貼壁培養(yǎng)與液體培養(yǎng)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及N鹽利用情況，柵藻液體培養(yǎng)置于體積1 L的玻璃缸中（長(zhǎng)50 cm、寬20 cm、厚1 cm），在相同條件下進(jìn)行比較研究。

圖1 微藻貼壁培養(yǎng)裝置示意圖Figure 1 Device ofattached culture formicroalgae

1.4 分析方法

1.4.1 藻細(xì)胞生物量測(cè)定

將0.45μm（直徑50mm）的醋酸纖維濾膜煮沸3次后，在105℃烘箱中烘至恒重（W1），將待測(cè)藻樣用去離子水沖至燒杯中，并倒入抽濾裝置中抽至已稱(chēng)重的濾膜上，將附著藻的濾膜放入105℃烘箱中烘至恒重（W2），用分析天平稱(chēng)量可得藻樣重量（DW/ g·m-2）。

1.4.2 藻細(xì)胞油脂含量測(cè)定

柵藻總脂含量的測(cè)定采用改進(jìn)的氯仿-甲醇法[16]。收集藻細(xì)胞，用一定量蒸餾水沖洗離心后冷凍干燥。稱(chēng)取約50mg（重量W1）藻粉于研缽中，加入200mg已烘干的石英砂，研碎后加入5mL甲醇，2.5mL氯仿，高速振蕩5min。搖床12 h，離心取上清7.5mL至以新管1。向固相中再加入5mL甲醇，2.5mL氯仿，高速振蕩5min，搖床2 h，離心取上清7.5mL至以新管1，后加入5mL氯仿和9mL濃度1%NaCl，保證最終體系為甲醇∶氯仿∶1%NaCl=2∶2∶1.8，振蕩混勻。將新管1于8000 r·min-1下離心10min，去上清，下層液轉(zhuǎn)移入20mL干凈玻璃管（已稱(chēng)重W2）。吹氮?dú)庥?1℃水浴，約10min待氯仿?lián)]發(fā)殆盡后，于105℃烘3 h，冷卻后，稱(chēng)重W3。

1.4.3 正常BG11培養(yǎng)基中N濃度測(cè)定

分別測(cè)定0、24、48、72、96 h時(shí)BG11培養(yǎng)液中N濃度，在相同條件下比較柵藻液體培養(yǎng)與貼壁培養(yǎng)對(duì)N的吸收效率。培養(yǎng)液中N含量測(cè)定方法參照Collos 等[17]的實(shí)驗(yàn)研究。準(zhǔn)確量取2mL培養(yǎng)基，10 000×g下離心5min，收集上清液在220 nm下分光光度計(jì)測(cè)定，N的摩爾濃度（C，mmol·L-1）參照以下公式計(jì)算：

1.4.4 NH3-N、TP及COD的測(cè)定

取貼壁培養(yǎng)循環(huán)裝置中沼液廢水，每2 d分別進(jìn)行NH3-N、TP及COD測(cè)定。NH3-N測(cè)量采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）；TP測(cè)量采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）；COD的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化處理法（GB 11914—1989）。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS10.0進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA），采用LSD和Tukey HSD法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 柵藻貼壁培養(yǎng)與懸浮培養(yǎng)的比較

將培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期（經(jīng)3～4 d）的柵藻種子液分別接種于貼壁反應(yīng)器與懸浮培養(yǎng)缸中，在溫度（25±1）℃，光照強(qiáng)度（100±10）μmol·m-2·s-1，1%CO2（V/V）及相同光面積下培養(yǎng)8 d。柵藻的生物量變化情況如圖2所示。結(jié)果表明，貼壁培養(yǎng)下柵藻生長(zhǎng)狀況優(yōu)于懸浮培養(yǎng)，培養(yǎng)8 d后懸浮培養(yǎng)的生物產(chǎn)率為5.48 g·m-2· d-1，而貼壁培養(yǎng)生物產(chǎn)率為6.15 g·m-2·d-1，高于文獻(xiàn)報(bào)道的傳統(tǒng)液體懸浮培養(yǎng)柵藻的結(jié)果[18]。

圖2 柵藻懸浮培養(yǎng)與貼壁培養(yǎng)生長(zhǎng)比較Figure 2 Comparison of the growth of Scendesmus sp.under attached and aqueous-suspension cultivation

從圖3可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)（0、24、48、72、96 h），柵藻懸浮培養(yǎng)與貼壁培養(yǎng)BG11培養(yǎng)基中N濃度均由最初17.6mmol·L-1逐漸降低。柵藻懸浮培養(yǎng)下培養(yǎng)液中N的變化不顯著，貼壁培養(yǎng)下藻細(xì)胞對(duì)N的吸收效率略高，變化較為顯著。培養(yǎng)96 h后，貼壁培養(yǎng)下培養(yǎng)液中N的最終濃度為2.6mmol·L-1，懸浮培養(yǎng)N的濃度為3.9mmol·L-1；貼壁培養(yǎng)柵藻對(duì)N的去除率為85.2%，顯著高于懸浮培養(yǎng)N的去除效率77.8%。貼壁培養(yǎng)下柵藻的生長(zhǎng)及對(duì)N的吸收效率均優(yōu)于傳統(tǒng)懸浮培養(yǎng)，而養(yǎng)豬沼液廢水中富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物（表1）。因此，利用柵藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水有待進(jìn)一步嘗試。

2.2 沼液廢水貼壁培養(yǎng)柵藻的生長(zhǎng)狀況

圖3 柵藻貼壁培養(yǎng)與液體培養(yǎng)下培養(yǎng)基中N含量的變化Figure3 Consumption ofnitrate concentrations in cultivation broth for Scendesmus sp.underattached and aqueous-suspension cultivation

將對(duì)數(shù)期柵藻種子液接種于貼壁反應(yīng)器中，每2 d取樣，培養(yǎng)8 d后考察柵藻在沼液廢水中生長(zhǎng)情況（圖4a），并與正常BG11培養(yǎng)情況比較（圖4b）。由圖4a得知，柵藻在養(yǎng)豬沼液廢水原水中能較好生長(zhǎng)，尤其在培養(yǎng)前2 d生長(zhǎng)較快，生物產(chǎn)率為12.5 g·m-2·d-1，顯著高于正常BG11培養(yǎng)基。相同條件下培養(yǎng)8 d后，沼液廢水中柵藻生物產(chǎn)率為6.26 g·m-2·d-1，與正常BG11培養(yǎng)基的差異不明顯（6.23 g·m-2·d-1）。

2.3 沼液廢水對(duì)柵藻貼壁培養(yǎng)油脂積累的影響

相同條件下，柵藻分別在沼液廢水和BG11培養(yǎng)基中貼壁培養(yǎng)，收集培養(yǎng)8 d后的藻細(xì)胞，分別考察油脂積累情況。由圖5可知，柵藻在沼液廢水中的油脂含量略低于BG11培養(yǎng)基，分別是34.6%、35.2%。由于藻細(xì)胞在兩種培養(yǎng)液中生物產(chǎn)率相近（圖4），其油脂產(chǎn)率也相近，分別為2.17、2.19 g·m-2·d-1。

2.4 柵藻貼壁培養(yǎng)去除沼液廢水中NH3-N、TP及COD情況

圖4 沼液廢水與正常BG11培養(yǎng)基柵藻貼壁生長(zhǎng)狀況Figure 4 The growth of Scendesmus sp.with attached culture in swinewastewaterand BG11medium

圖5 沼液廢水與正常BG11培養(yǎng)基柵藻貼壁培養(yǎng)油脂積累情況Figure 5 Lipid accumulation Scendesmus sp.with attached culture in swinewastewaterand BG11medium

在光照強(qiáng)度100μmol·m-2·s-1、溫度（25±1）℃、通空氣條件下貼壁培養(yǎng)柵藻去除沼液廢水。同時(shí)，在相同條件下貼壁培養(yǎng)裝置中不添加?xùn)旁遄鳛閰⒄眨疾煺右簭U水中NH3-N、TP及COD變化情況。由圖6 a可知，廢水中NH3-N濃度在最初2 d內(nèi)降低較快，培養(yǎng)8 d后，由初始的281.2mg·L-1降為2.7mg·L-1；由圖6 b可知，廢水中TP濃度也是在前4 d內(nèi)下降最快，培養(yǎng)8 d后，由初始濃度29.1mg·L-1降為7.8mg·L-1；由圖6 c可知，廢水中COD去除較顯著，培養(yǎng)8 d后，由初始542.1mg·L-1降為150.2mg·L-1?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析，柵藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水8 d內(nèi)，廢水中NH3-N、TP及COD去除效率分別是99.1%、73.1%和72.3%（圖6 d）。圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沼液廢水在貼壁培養(yǎng)裝置中不添加藻類(lèi)下運(yùn)行8 d，廢水中NH3-N、COD濃度變化不明顯，去除效率分別是13.9%、12.2%；TP去除效率雖然略高（28.2%），但遠(yuǎn)低于柵藻培養(yǎng)下的去除率（73.1%）。

圖6 貼壁培養(yǎng)柵藻去除NH3-N、TP及COD情況Figure 6 The removalofNH3-N，TPand COD ofwastewater for Scendesmus sp.with biofilm attached cultivation

3 討論

當(dāng)前，養(yǎng)豬廢水污染嚴(yán)重，經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液仍有部分未能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。沼液廢水中大量N、P 及COD等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)應(yīng)用于藻類(lèi)的培養(yǎng)，不僅節(jié)省微藻培養(yǎng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且保護(hù)了養(yǎng)豬生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)微藻的培養(yǎng)方式主要是懸浮式的跑道池與各種PBRs反應(yīng)器，這些反應(yīng)裝置構(gòu)建成本高，利用其培養(yǎng)微藻生物產(chǎn)率低，而且培養(yǎng)后需離心、分離等高能耗采收，通過(guò)液體懸浮式培養(yǎng)微藻處理沼液的工藝化還未成熟[19]。

本文首先在正常BG11培養(yǎng)基中比較了柵藻貼壁培養(yǎng)與懸浮培養(yǎng)的生長(zhǎng)及對(duì)培養(yǎng)液中N的吸收情況，結(jié)果表明，柵藻貼壁培養(yǎng)的生物產(chǎn)率高于懸浮培養(yǎng)，貼壁培養(yǎng)下藻細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)液中N的吸收率也高于懸浮培養(yǎng)。傳統(tǒng)懸浮培養(yǎng)，藻類(lèi)培養(yǎng)初期由于光抑制或培養(yǎng)后期光衰減等原因，使藻細(xì)胞不能充分有效地利用光能，藻細(xì)胞生物產(chǎn)率較低[20]。在貼壁培養(yǎng)方式下，藻細(xì)胞與培養(yǎng)基分離，光直接照在細(xì)胞生物膜表面，沒(méi)有光衰減，單位藻細(xì)胞光子利用率增加，即可加快柵藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，同時(shí)也提高了藻細(xì)胞對(duì)N等營(yíng)養(yǎng)鹽的利用[21]。

圖7 貼壁裝置無(wú)藻類(lèi)下NH3-N、TP及COD變化情況（空白對(duì)比）Figure 7 The removalofNH3-N，TPand COD ofwastewater in controlwith biofilm attached cultivation

柵藻的貼壁培養(yǎng)對(duì)培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率高于懸浮培養(yǎng)，表明利用柵藻貼壁培養(yǎng)處理富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的養(yǎng)豬沼液廢水是有意義的。柵藻在沼液廢水中生物產(chǎn)率與正常培養(yǎng)基相當(dāng)，而培養(yǎng)前期藻細(xì)胞在起始NH3-N濃度較高的沼液中生長(zhǎng)較好，遠(yuǎn)高于正常培養(yǎng)基的生長(zhǎng)狀況。這表明一定濃度范圍內(nèi)，NH3-N可以促進(jìn)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。微藻可直接利用的氮源形式主要是NH3-N，其他形態(tài)的氮源都要經(jīng)過(guò)氧化還原轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮供藻類(lèi)利用。微藻雖對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮都能吸收和利用，但在吸收速度和利用情況方面均有差異。硝酸鹽的還原需要能量，在能量不足時(shí)，硝酸鹽對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的效用低于銨鹽[22]。但NH3-N濃度過(guò)高也會(huì)對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，主要體現(xiàn)在破壞胞內(nèi)pH值平衡，造成放氧復(fù)合體的損傷，以及打破了細(xì)胞內(nèi)部的碳氮平衡等[23]。

微藻因其獨(dú)特的組成及結(jié)構(gòu)成為獲得生物柴油和生物質(zhì)油的優(yōu)良原料來(lái)源。相比于其他動(dòng)植物，利用藻類(lèi)生產(chǎn)油脂生物燃料因具有增值迅速、含油量高以及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)而更具發(fā)展?jié)摿Α５绾谓档臀⒃逵椭剂系纳a(chǎn)成本仍然是國(guó)內(nèi)外商業(yè)化開(kāi)發(fā)面臨的主要問(wèn)題。培養(yǎng)基是藻類(lèi)生活的直接介質(zhì)，對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和其他生命活動(dòng)起到重要的作用。養(yǎng)豬沼液廢水富含N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在一定程度上或可替換傳統(tǒng)的培養(yǎng)液。本研究證實(shí)，養(yǎng)豬沼液廢水貼壁培養(yǎng)柵藻，藻細(xì)胞油脂含量、產(chǎn)率與正常BG11培養(yǎng)相當(dāng)（圖5），是柵藻貼壁培養(yǎng)較好的培養(yǎng)基替代介質(zhì)。因此，利用柵藻貼壁培養(yǎng)處理養(yǎng)豬沼液廢水并耦合油脂生產(chǎn)，可以降低培養(yǎng)成本，提高藻類(lèi)生物燃料工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

Zhu等[24]通過(guò)微藻進(jìn)行畜禽廢水的處理研究，但其采用傳統(tǒng)懸浮培養(yǎng)方式處理沼液廢水，藻細(xì)胞生物產(chǎn)率低，而且處理后還需離心等高能耗方法收集，經(jīng)濟(jì)成本較高。在傳統(tǒng)沼液廢水處理過(guò)程中，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣法可以處理廢水中那些不易溶解的懸浮物和膠體等污染物，達(dá)到廢水的初步凈化效果。由于該技術(shù)不能進(jìn)行廢水的深度脫氮除磷，排放的沼液仍然危害環(huán)境。微藻貼壁培養(yǎng)不同于傳統(tǒng)的懸浮培養(yǎng)，光幾乎直接照到細(xì)胞表面而很少有光的衰減，藻類(lèi)生物產(chǎn)率較高。更為重要的是，貼壁培養(yǎng)處理廢水后藻細(xì)胞無(wú)需離心，只需簡(jiǎn)單刮取等方法即可收集，節(jié)省了能耗，提高了藻類(lèi)生產(chǎn)效益，降低了廢水處理成本[25]。

藻細(xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中可利用底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化三種形式將廢水中的有機(jī)氮、磷等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成自身所需的高能有機(jī)化合物，進(jìn)而有效地降低廢水中有機(jī)物的含量[26]。本研究證實(shí)，通過(guò)貼壁培養(yǎng)柵藻處理沼液廢水中NH3-N、TP及COD達(dá)到較好的效果，培養(yǎng)一個(gè)周期后各自濃度分別降到2.7、7.8、150.2mg·L-1，達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家環(huán)保對(duì)畜禽排放標(biāo)準(zhǔn)要求。將微藻應(yīng)用于養(yǎng)豬沼液廢水處理同時(shí)生產(chǎn)油脂生物燃料，不僅可以有效降低水體富營(yíng)養(yǎng)化，而且具低成本、低能耗、低污染、高效率、高收益和高溶氧量等優(yōu)勢(shì)，為治理污水中N、P提供了廣闊的應(yīng)用前景，是一項(xiàng)非常有潛力的生態(tài)環(huán)保技術(shù)。本文以養(yǎng)殖廢水為原料耦合柵藻貼壁培養(yǎng)的油脂生產(chǎn)，把微藻生產(chǎn)和廢水處理相結(jié)合，可以創(chuàng)造額外經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，為實(shí)現(xiàn)藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)與廢水處理系統(tǒng)從“處理工藝”向“生產(chǎn)工藝”的轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）相比于傳統(tǒng)的懸浮培養(yǎng)，柵藻貼壁培養(yǎng)生物產(chǎn)率更高，且貼壁培養(yǎng)藻細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)液中N的利用更具優(yōu)勢(shì)，利用藻類(lèi)貼壁培養(yǎng)處理沼液廢水是一種新的有潛力的處理技術(shù)。

（2）利用柵藻貼壁培養(yǎng)處理沼液廢水是可行的。培養(yǎng)后生物產(chǎn)率與正常BG11培養(yǎng)相當(dāng)，柵藻貼壁培養(yǎng)處理沼液廢水的同時(shí)還可以產(chǎn)生油脂，油脂含量和正常培養(yǎng)基相近，貼壁培養(yǎng)下柵藻對(duì)沼液中NH3-N、TP及COD去除效率較高，達(dá)到國(guó)家現(xiàn)行環(huán)保排放的要求。

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The treatmentof piggery biogasslurryw ith Scenedesmus sp.by attached culture

CHENGPeng-fei1,2,PAN Lu3,WANGYuan-zhu4,LIU Tian-zhong5,LIUDe-fu3*
（1.School ofWater Resources and Hydropower Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Poyang Lake Eco-economy Research Center of Jiujiang University,Jiujiang 332005,China;3.School of Architectural and Environment,Hubei University of Technology, Wuhan 430072,China;4.SchoolofWater Conservancy and Environment,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;5.Qingdao InstituteofBioenergy and Bioprocess Technology,Chinese Academy ofSciences,Qingdao266101,China）

The current study investigated the treatment of swine（piggery）wastewater with Scenedesmus sp.by using attached cultivation technique,coupled with lipid production.Firstly,we compared the attached culture of Scenedesmus sp.with aqueous-suspension cultivation in BG11 medium,and studied the growth of algae and nitrogen removal efficiency.Results showed that the biomass productivity of Scenedesmus sp.with attached culturewas6.15 g·m-2·d-1,as compared with the 5.48 g·m-2·d-1of the aqueous-suspension cultivation.The nitrogen removalefficiency of the attached culturewas also significantly higher than thatof the aqueous-suspension cultivation,which were 85.23%and 77.84%,respectively.In addition,results showed that Scenedesmus sp.could grow well in swinewastewater at light intensity of 100μmol·m-2·s-1and temperature of（25±1）℃.Compared with algae cultured in BG11medium,the biomass productivity and lipid contentwere 6.26 g·m-2·d-1vs 6.23 g·m-2·d-1and 34.6%vs 35.2%,respectively.Notably,Scenedesmus sp.with attached culture could treat swine wastewater efficiently,with ammonia nitrogen,total phosphorus（TP）and COD removal efficiency of 99.04%,73.06%and 72.32%. Based on the results,a process combining algae-based wastewater treatmentwith attached cultivation and biodiesel production can be proposed asan effectiveway to treat raw swinewastewateraswellas produce profitable byproducts.

Scenedesmus sp.;attached culture;swinewastewater;lipid product;treatment

X713

A

1672-2043（2017）05-0996-07

10.11654/jaes.2016-1506

2016-11-25

程鵬飛（1984—），男，江西婺源人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生物技術(shù)。E-mail：pfcheng1792@163.com潘璐與程鵬飛同等貢獻(xiàn)

*通信作者：劉德富E-mail：dfliu@189.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31560724）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016M600616）

Project supported：TheNationalNaturalScience FoundationofChina（31560724）；ChinaPostdoctoralScience Foundation（2016M600616）

程鵬飛，潘璐，王愿珠，等.柵藻貼壁培養(yǎng)處理沼液效果的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（5）：996-1002.

CHENGPeng-fei,PAN Lu,WANGYuan-zhu,etal.The treatmentofpiggerybiogasslurrywith Scenedesmus sp.by attached culture[J].Journalof Agro-EnvironmentScience,2017,36（5）:996-1002.