3種微藻在龜鱉養(yǎng)殖廢水中的生長與脫氮除磷特性

趙秀俠，楊 坤，方 婷，李 靜，盧文軒

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，安徽 合肥 230036)

我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，龜鱉養(yǎng)殖為新興特種養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，養(yǎng)殖廢水管理方式多采用直接排放方式，廢水處理與利用效率低下，對周邊水域環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)平衡造成嚴(yán)重危害。與龜鱉養(yǎng)殖規(guī)模逐漸加大相反，對于龜鱉養(yǎng)殖廢水生態(tài)凈化處理和資源化利用研究較少。目前，在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水資源化循環(huán)利用方面，國內(nèi)學(xué)者較多采用以生物膜法、人工濕地、固定化菌藻、微生物制劑等為主體的污水處理工藝[1-4]，這些方法均能有效去除懸浮物和有機(jī)物，但也存在投資規(guī)模大、運(yùn)行成本高、系統(tǒng)集成水平低等問題[5]。微藻是一類光能自養(yǎng)型單細(xì)胞生物，具有資源量豐富、光合效率高、生長速率快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。藻類生長能直接吸收廢水中有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)和無機(jī)物，促進(jìn)磷沉降和氨態(tài)氮降低，提高水體pH值[6]。利用微藻處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，一方面可以凈化污水，對水體有抑菌消毒作用，另一方面減輕養(yǎng)殖環(huán)境壓力，可以獲得有營養(yǎng)價值的藻類產(chǎn)物，為經(jīng)濟(jì)類水產(chǎn)品種提供餌料，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

本研究選取小球藻(Chlorellasp.)、柵藻(Scenedesmussp.)、螺旋藻(Spirulinasp.)3種常用微藻，比較其在經(jīng)沉淀池初步處理后排放的龜鱉養(yǎng)殖廢水和無任何處理直接排放的龜鱉養(yǎng)殖廢水中的生長特性及對氮磷去除效果，探討在不同養(yǎng)殖廢水中微藻的生長特性，篩選適合龜鱉養(yǎng)殖廢水凈化與規(guī)?；囵B(yǎng)的藻種，以期為微藻凈化龜鱉養(yǎng)殖廢水及廢水規(guī)?；锾幚硖峁├碚摶A(chǔ)。

表1 試驗(yàn)廢水主要水質(zhì)指標(biāo)

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

取自安徽省蕪湖市無為縣某龜鱉養(yǎng)殖場經(jīng)沉淀池初步處理后的廢水(簡稱WW廢水)；取自安徽省合肥市郊區(qū)大楊鎮(zhèn)某龜鱉養(yǎng)殖場無任何處理措施直接排放的廢水(簡稱DY廢水)。兩種廢水均經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾去除細(xì)菌、藻類和其他懸浮固體物質(zhì)后使用，過濾后廢水由于營養(yǎng)鹽濃度較高，用于微藻培養(yǎng)試驗(yàn)時，稀釋8倍后使用。兩種廢水主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)用小球藻、柵藻和螺旋藻由中國科學(xué)院武漢水生生物研究所提供。藻液經(jīng)BG-11培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)后用于試驗(yàn)。

1.2 研究方法

試驗(yàn)分為兩組，WW廢水與DY廢水各一組，試驗(yàn)于200 mL錐形瓶中進(jìn)行，每瓶加入150 mL過濾后廢水為培養(yǎng)基。在每個組別中均接種小球藻、柵藻和螺旋藻3種藻液，每種藻液設(shè)置3個平行，每組共9個錐形瓶。每個錐形瓶取1.0 mL試驗(yàn)藻種接種，接種藻液初始密度為1.0×105個/mL，放入人工氣候箱進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度為25℃，光照強(qiáng)度為2 000 lx，相對濕度為75%，光暗比為12 h∶12 h，每天搖瓶3次，培養(yǎng)至藻類處于對數(shù)增長期。

初始接種藻液的藻細(xì)胞計(jì)數(shù)方法采用0.1 mL藻類計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)藻細(xì)胞數(shù)目，運(yùn)用視野計(jì)數(shù)法換算成藻液中藻細(xì)胞密度。

采用干重法測定藻細(xì)胞生物量，用來反映藻類細(xì)胞生長狀況。首先將0.45 μm醋酸纖維濾膜預(yù)先烘干至恒重，其次取2.5 mL藻液進(jìn)行真空抽濾，將帶有藻體的濾膜放置到烘箱中，于105℃條件下烘干24 h至恒重。微藻生物量干重DW的計(jì)算公式[7]為

DW=400(M1-M0)

(1)

式中：M0為預(yù)先烘干至恒重的濾膜質(zhì)量；M1為烘干24 h后載有藻體的濾膜質(zhì)量。

利用藻類細(xì)胞密度反映藻類生長特性。由于小球藻、柵藻和螺旋藻分別與其在680 nm、650 nm、560 nm 處光密度值呈線性相關(guān)(P<0.01)[9]，利用可見分光光度計(jì)(B722s，上海棱光技術(shù)有限公司)定期測定3種藻液在對應(yīng)波長處光密度值代表細(xì)胞密度。

采用SPSS13.0和Origin8.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種微藻在龜鱉養(yǎng)殖廢水中生長特性

在DY廢水中，小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻細(xì)胞密度與生物量隨時間變化見圖1。由圖1(a)可見，試驗(yàn)初期，小球藻與柵藻的細(xì)胞密度增加較快，螺旋藻的細(xì)胞密度增加最慢，推測原因可能與不同藻類對培養(yǎng)液微環(huán)境營養(yǎng)需求、吸收能力及適應(yīng)過程有關(guān)。隨著培養(yǎng)時間增加，小球藻與柵藻細(xì)胞密度繼續(xù)增加，螺旋藻細(xì)胞密度開始降低，分析原因一方面在接種初期藻細(xì)胞密度基數(shù)較小，數(shù)量級為105左右；另一方面藻類生長對培養(yǎng)基中各種有機(jī)物和無機(jī)物逐漸適應(yīng)能力不同。由圖1(b)可見，隨著培養(yǎng)時間延長，藻類生物量逐漸增加，在14 d左右達(dá)到最大值，小球藻、柵藻和螺旋藻最大生物量分別為0.26 g/L、0.28 g/L和0.20 g/L，此后3種微藻的生物量均開始下降。

(a) 細(xì)胞密度

(b) 生物量

在WW廢水中，小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻細(xì)胞密度與生物量隨時間變化見圖2。由圖2(a)可見，柵藻在培養(yǎng)初期細(xì)胞密度增加最快，其次為小球藻，螺旋藻最慢；隨著培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，藻密度增加幅度減小。由圖2(b)可見，試驗(yàn)初期3種微藻的生物量均持續(xù)增加，螺旋藻的生物量在14 d后出現(xiàn)降低，柵藻和小球藻的生物量在16 d達(dá)到最大值。

比較小球藻、柵藻和螺旋藻在DY廢水與WW廢水中藻細(xì)胞密度和生物量變化特性發(fā)現(xiàn)，DY廢水更適合微藻生長。在兩種廢水中，都是柵藻的細(xì)胞密度增加較快，螺旋藻細(xì)胞密度增加最慢。對于藻生物量，3種微藻在兩種廢水中表現(xiàn)有所不同，3種微藻在DY廢水中均在14 d左右達(dá)到最大生物量，此后生物量均有所降低；在WW廢水中，小球藻和柵藻的生物量在試驗(yàn)期間一直持續(xù)增加，而螺旋藻的生物量在14 d達(dá)到最大值，之后開始下降。在培養(yǎng)12 d后，3種微藻在DY廢水的累積量均大于其在WW廢水中生物累積量，分析原因可能與不同廢水中營養(yǎng)鹽含量、比例及營養(yǎng)物質(zhì)消耗相關(guān)。

(a) 細(xì)胞密度

(b) 生物量

2.2 3種微藻對龜鱉養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除

(a) DY廢水

(b) WW廢水

3 討 論

藻類因自身特殊生理結(jié)構(gòu)和新陳代謝能力，具有良好凈化廢水功能，利用微藻處理龜鱉養(yǎng)殖廢水是一項(xiàng)污水資源化利用技術(shù)。有研究表明同濃度組蛋白核小球藻生長速率高于斜生柵藻，其葉綠素a含量高于斜生柵藻，既生物量累積較高，且蛋白核小球藻脫氮除磷效應(yīng)優(yōu)于斜生柵藻[10]；章斐等[11]在不同氮磷水平的城市二級出水中進(jìn)行純培養(yǎng)橢圓小球藻與斜生柵藻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橢圓小球藻生物量累積大于斜生柵藻；朱樹峰等[12]通過城市污水廠二級出水培養(yǎng)微藻試驗(yàn)結(jié)果表明，柵藻要高于小球藻生物質(zhì)累積量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同初始氮磷濃度條件下，柵藻與小球藻均具有較高的生物量，均高于同濃度組螺旋藻，柵藻生物量累積較高，說明柵藻比小球藻整體生長更好，更能耐受極端環(huán)境，適應(yīng)力更強(qiáng)。此外，不同微藻生長特性與光合作用相關(guān)，光合作用強(qiáng)弱與葉綠素含量相關(guān)，而綠藻門類群相對于其他微藻類群，葉綠素含量較高，所以光合作用旺盛[13]，在廢水中具有較強(qiáng)的生長優(yōu)勢。本研究結(jié)果也證明這點(diǎn)，綠藻門類群柵藻與小球藻細(xì)胞密度增長與生物量累積均大于同濃度組中藍(lán)藻門螺旋藻。螺旋藻除去其營養(yǎng)功能外還具有較好的凈化污水能力，Deshmane等[14]對螺旋藻凈化廢水效果研究發(fā)現(xiàn)，廢水總氮去除率可達(dá)85%左右，利用養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)螺旋藻不僅能凈化水質(zhì)，也可以達(dá)到收獲螺旋藻的目的，開展這方面研究很有必要。

一般來說，初始濃度低的氮磷組合有助于提高去除率，而高濃度氮磷會影響藻類生長，不利于氮磷去除[17]。在本研究中，微藻對不同初始濃度廢水氮磷源去除率有一定差異，對初始濃度較高DY廢水與初始濃度較低的WW廢水，3種微藻的去除能力差值50%左右。此結(jié)論與前人研究不同，分析原因可能與廢水pH值、氮磷源比例及不同形態(tài)相關(guān)，一方面，藻類光合作用會使水體pH增大而呈弱堿性[18]，而弱堿性水環(huán)境有利于氨揮發(fā)，在WW廢水中，氨態(tài)氮占總氮比例為93.36%，堿性環(huán)境下氨態(tài)氮揮發(fā)對總氮去除貢獻(xiàn)最大。因此，堿性水體、氨態(tài)氮揮發(fā)有利于微藻對總氮去除利用，極大提高微藻對氮磷吸收利用；另一方面，不同微藻對不同形態(tài)氮磷利用能力與廢水中氮磷源比例有關(guān)[19-20]，所以在初始氮磷濃度較低、pH值較高的WW廢水中，3種微藻對氮磷去除率均較高。

4 結(jié) 論

a. 小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻在不同龜鱉養(yǎng)殖廢水中生長特性不同，DY廢水中3種微藻細(xì)胞密度與生物量均大于WW廢水培養(yǎng)，最大生物量分別為0.26 g/L，0.28 g/L與0.20 g/L。

c. 微藻用于龜鱉養(yǎng)殖廢水水質(zhì)生物凈化有很好的應(yīng)用前景，但本試驗(yàn)是在室內(nèi)嚴(yán)格控制條件下，與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境具有一定的差異，在實(shí)際龜鱉養(yǎng)殖廢水的處理應(yīng)用與后續(xù)微藻收集等方面需要進(jìn)一步的研究。

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