利用膜-光生物反應(yīng)器(MPBR)連續(xù)培養(yǎng)微藻去除海水養(yǎng)殖廢水中營養(yǎng)鹽的研究

崔 偉，高 鋒，朱 鳳，徐晶萍，鮑靜姣，郭遠明

(1.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江舟山 316021)

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對魚、蝦等海產(chǎn)品的需求量與日俱增，從而使國內(nèi)外海水養(yǎng)殖業(yè)得到了迅速發(fā)展。但是，海水養(yǎng)殖業(yè)的持續(xù)發(fā)展也帶來了一些問題，特別是海水養(yǎng)殖廢水的處理問題[1-5]。從海水養(yǎng)殖場排放出來的廢水，通常以含氮、磷的營養(yǎng)鹽為主，主要來自水產(chǎn)品的排泄物和飼料殘渣[6-7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對海水養(yǎng)殖廢水的處理方法進行了很多研究，如采用生物硝化/反硝化過程來去除其中的氮[8-9]，采用化學(xué)沉淀方法來除磷等[10]。這些方法雖然能有效的去除廢水中一定量的氮磷營養(yǎng)鹽，但也存在處理過程能耗較高、脫氮除磷不徹底、副產(chǎn)的剩余污泥需要進一步無害化處理等問題。

光自養(yǎng)微藻通過光合作用能有效的將無機營養(yǎng)鹽、CO2、H2O等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪等有機物質(zhì)。一些研究表明，微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中生長是可行的[11-15]。利用海水養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)微藻，在去除營養(yǎng)物質(zhì)的同時，能獲得有價值的微藻產(chǎn)品，如水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料和生物燃料原料等[16-19]。此外，微藻在生長過程中還能固定空氣中CO2為減輕溫室效應(yīng)做出貢獻，其光合作用產(chǎn)生的氧氣還能提高受納水體中溶解氧的含量。

但是到目前為止，微藻培養(yǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水營養(yǎng)鹽去除方面的競爭力還不夠強，尚難以成為經(jīng)濟高效的廢水處理工藝。主要問題在于由于水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中營養(yǎng)鹽濃度的限制，微藻在其中的生長較為緩慢，所以吸收廢水中的營養(yǎng)成分需要較長的水力停留時間(hydraulic retention time，HRT)。之前的一些研究表明，采用批次培養(yǎng)方式在海水養(yǎng)殖廢水中進行微藻培養(yǎng)，廢水中的大部分營養(yǎng)鹽可以通過微藻細胞的吸收作用去除[13，20]，但是也應(yīng)該指出，這些研究中批次培養(yǎng)需要的時間相當(dāng)長(約10 d)。因此，在實際工程中就需要體積較大的反應(yīng)器才能完成廢水處理過程。

通常在光生物反應(yīng)器(photobioreactor，PBR)中，微藻生物的高速生產(chǎn)需要通過反應(yīng)器內(nèi)較高的營養(yǎng)鹽負荷和較高的微藻濃度來實現(xiàn)。由于海水養(yǎng)殖廢水中的氮磷的濃度遠低于BG11等傳統(tǒng)的微藻培養(yǎng)基，因此要提高培養(yǎng)系統(tǒng)的營養(yǎng)負荷就需要提高海水養(yǎng)殖廢水的供應(yīng)流量。但是這在HRT和生物質(zhì)停留時間(biomass retention time，BRT)不是獨立控制的傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器中將導(dǎo)致微藻細胞的大量流失，而難以實現(xiàn)高濃度培養(yǎng)。

近年來，包括本課題組在內(nèi)的一些研究人員對一種新型的配備有浸沒式膜組件的光生物反應(yīng)器進行了初步的研究[21-23]，浸沒式膜組件作為水和微藻的分離單元，促使膜-光生物反應(yīng)器(membrane photobioreactor，MPBR)實現(xiàn)了HRT和BRT的獨立控制。在較高的水力負荷條件下，仍能使反應(yīng)器中微藻的停留時間延長，微藻濃度可不受其生長速率及水力負荷的影響。這不僅有利于微藻細胞的收獲，而且極大地提高了微藻光生物反應(yīng)器在污水氮磷深度去除領(lǐng)域的競爭力。

在本研究中，首先通過傳統(tǒng)的錐形瓶分批培養(yǎng)方式研究了小球藻和衣藻兩種微藻在海水養(yǎng)殖廢水中的生長情況，以評估微藻在海水養(yǎng)殖廢水中的生長速率和生物量生產(chǎn)能力。在此基礎(chǔ)上在MPBR反應(yīng)器中利用海水養(yǎng)殖廢水對2種微藻進行連續(xù)進出水培養(yǎng)，以研究MPBR中微藻連續(xù)進出水培養(yǎng)對海水養(yǎng)殖廢水中氮磷營養(yǎng)鹽的去除效果及微藻生長特性。

1 材料與方法

1.1 藻種和廢水

實驗所用藻種為小球藻Chlorella vulgaris和衣藻Chlamydomonas reinhartii，均購自中國科學(xué)院水生生物研究所，逐級在5.0、10.0、20.0鹽度下馴化后應(yīng)用于本實驗。本研究中使用的海水養(yǎng)殖廢水取自浙江省舟山市某海水養(yǎng)殖場對蝦養(yǎng)殖池出水，放置一夜，然后收集澄清的上清液并用于實驗。實驗用水水質(zhì)如表1 所示，鹽度為 20.7。

表1 實驗中所用海水養(yǎng)殖廢水水質(zhì)Tab.1 Characteristics of the saline aquaculture wastewater

由表1中數(shù)據(jù)可知，廢水中溶解性無機氮(DIN)與總氮(TN)的比值為0.91：1，溶解性無機磷(DIP)與總磷(TP)的比值為0.93：1，由此可見無機營養(yǎng)鹽是該廢水中主要的營養(yǎng)鹽形式。因此，在后續(xù)的研究中，采用DIN和DIP作為廢水的營養(yǎng)鹽指標(biāo)。

1.2 批次培養(yǎng)實驗

通過離心(6 000 r·min-1，15 min)收集對數(shù)生長期的微藻細胞，然后接種到含有250 mL海水養(yǎng)殖廢水的1 L錐形瓶中。對于每個藻種，使用3個重復(fù)錐形瓶，平均生物量濃度約為0.014 g·L-1。將所有錐形瓶放置在光照恒溫震蕩培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件與1.1部分相同。

1.3 MPBR 反應(yīng)器

實驗中使用的MPBR反應(yīng)器為圓柱形有機玻璃容器，內(nèi)徑8.0 cm(圖 1)。反應(yīng)器的總體積和工作體積分別為 1.5 L 和 1.0 L。反應(yīng)器中間放置一固液分離用的中空纖維超濾膜組件，材質(zhì)為聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)，膜孔徑為 0.01 μm，膜組件中膜表面的有效面積為0.02 m2。反應(yīng)器的光照由2個紅/藍光比為4：1、功率為9 W的LED燈提供，并放置在離反應(yīng)器表面2 cm的距離處。在反應(yīng)器的底部，安裝了兩個氣體分配器。其中一個氣體分配器連接空壓機進行曝氣，在反應(yīng)器中起到攪拌的作用。通過另一個氣體分配器向反應(yīng)器注入純二氧化碳(99.9%)，以調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的pH。

圖1 MPBR實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the MPBR

1.4 微藻在MPBR反應(yīng)器中的連續(xù)進出水培養(yǎng)

將處于對數(shù)生長期的小球藻和衣藻細胞經(jīng)離心收集(6 000 r·min-1，15 min)后分別接種至MPBR反應(yīng)器中，接種濃度均約為0.23 g·L-1。接種完成后連續(xù)向反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)海水養(yǎng)殖廢水，出水通過超濾膜組件和抽濾泵排出反應(yīng)器，進水流量和出水流量相等，反應(yīng)器內(nèi)的HRT控制為1.0 d。在整個實驗階段，反應(yīng)器表面的最大光強度約為180 μmol·m-2·s-1，空氣流量控制在0.5 L·min-1。所有反應(yīng)器放置在溫度保持在25±2℃的室內(nèi)，培養(yǎng)液pH值在6.8～7.2。實驗過程中每日對反應(yīng)器內(nèi)的微藻濃度及進出水水質(zhì)進行分析測定。

1.5 分析測試方法

實驗過程中微藻濃度的測定采用重量法。離心收集微藻細胞(7 000 g，10 min，4℃)，然后冷凍干燥并稱重[24]。

對于廢水水質(zhì)分析，反應(yīng)器進水水樣在測試分析前用0.45 μm孔徑濾膜過濾處理。實驗中廢水水質(zhì)的測定依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.4-2007)進行，另外pH測定采用一pH計(PHB4，REX)，水樣中的鹽度采用鹽度計(US61M/YSI-30)直接測定。

1.6 計算

實驗過程中微藻比生長速率(specific growth rate，SGR)的計算如公式(1)所示[23]。

其中W1和W2分別為培養(yǎng)開始時(t1)和t2時的微藻生物量。

微藻倍增時間(Td)的計算如公式(2)所示[23]。

MPBR反應(yīng)器中微藻生產(chǎn)速率的計算如公式(3)所示。

其中X1為培養(yǎng)開始時的微藻濃度，Xmax為培養(yǎng)過程中微藻濃度達到的最大值，△t為從實驗開始至微藻濃度達到最大值所經(jīng)歷的時間間隔。

MPBR反應(yīng)器獲得的營養(yǎng)鹽去除速率的計算如公式(4)所示。

其中Cinf和Ceff分別為反應(yīng)器進出水的營養(yǎng)鹽濃度(DIN或DIP)，Q為反應(yīng)器的進水流量(4.0 L·d-1)，V為反應(yīng)器的有效容積(4.0 L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微藻在海水養(yǎng)殖廢水中的批次培養(yǎng)

圖2為用海水養(yǎng)殖廢水分批培養(yǎng)小球藻和衣藻的微藻生長曲線。從圖2可以看出，接種完成后小球藻和微藻均實現(xiàn)了快速生長，從2個藻種的生長曲線中均沒有觀察到停滯期，這表明這2種淡水微藻對于所使用的海水養(yǎng)殖廢水具有良好的適應(yīng)性。從2種微藻的生長曲線可知，對于小球藻和衣藻，前期為指數(shù)生長階段，在第7天小球藻和衣藻濃度均達到最高值，之后進入穩(wěn)定生長期和衰亡期?？梢杂嬎愠鲂∏蛟搴鸵略逶谥笖?shù)生長階段的生物量生產(chǎn)速率分別為11.0和8.9 mg·L-1·d-1(表 2)。由表 2 中的數(shù)據(jù)可知，本次實驗微藻在海水養(yǎng)殖廢水中培養(yǎng)獲得的生物量生產(chǎn)速率遠遠低于文獻中微藻在其他營養(yǎng)鹽含量較高廢水中培養(yǎng)所獲得的微藻生產(chǎn)速率。表明利用批次培養(yǎng)的方法，以低營養(yǎng)鹽含量的海水養(yǎng)殖廢水為培養(yǎng)基，無法獲得較高的微藻生物量生產(chǎn)速率。

圖2 小球藻和衣藻在海水養(yǎng)殖廢水中批次培養(yǎng)的生長曲線Fig.2 Growth curves of Chlorella vulgaris and Chlamydomonas reinhartii batch cultured in saline aquaculture wastewater

表2 本實驗所得結(jié)果與一些文獻中研究結(jié)果的比較Tab.2 Comparison of the experimental results with the previous studies

如果采用持續(xù)供應(yīng)海水養(yǎng)殖廢水的方式進行微藻培養(yǎng)，則可以為微藻培養(yǎng)系統(tǒng)維持較高的營養(yǎng)鹽供應(yīng)負荷，但同時懸浮培養(yǎng)的微藻將從培養(yǎng)系統(tǒng)中大量流失，從而難以將系統(tǒng)中的微藻濃度維持在理想的水平。TANG Haiying，et al[25]對連續(xù)進出水的微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器進行了研究，結(jié)果表明，稀釋率(進水流量與反應(yīng)器中液體體積的比值)的變化對光生物反應(yīng)器中的微藻濃度和生物量生產(chǎn)均具有重要的影響，隨著稀釋率的逐漸增大，反應(yīng)器內(nèi)的微藻濃度呈逐漸降低的趨勢。在本研究中，前6天的小球藻和衣藻平均比生長速率(SGR)分別為0.29 d-1、0.26 d-1(從圖2的數(shù)據(jù)計算得出)。可以計算出本研究中分批培養(yǎng)小球藻和衣藻的倍增時間分別為2.39和2.67 d。因此，假設(shè)連續(xù)培養(yǎng)中微藻的生長速度與批次培養(yǎng)相似，要保持培養(yǎng)

系統(tǒng)中微藻濃度的大體穩(wěn)定，培養(yǎng)系統(tǒng)的HRT將不得低于微藻的倍增時間，也就是需要保持在3 d以上，此時光生物反應(yīng)器將需要比較大的體積。此外，從圖2可以看出，通過批次培養(yǎng)微藻的生物量濃度增加量非常低。小球藻和衣藻指數(shù)生長期的生物量增長量分別為0.066和0.053 g·L-1，這將導(dǎo)致培養(yǎng)后微藻細胞的收獲成本非常高。因此，可以得出結(jié)論，如果沒有培養(yǎng)過程中HRT和BRT的獨立控制，低營養(yǎng)鹽含量的海水養(yǎng)殖廢水難以作為微藻培養(yǎng)的適宜培養(yǎng)基。

2.2 微藻在MPBR中的連續(xù)進出水培養(yǎng)

圖3 小球藻和衣藻在MPBR中連續(xù)進出水培養(yǎng)的生長曲線Fig.3 Growth curves of C.vulgaris and C.reinhartii continuously cultured in MPBR

小球藻和衣藻在MPBR連續(xù)進出水運行過程中的生長情況如圖3所示。MPBR反應(yīng)器中的超濾膜組件能實現(xiàn)對反應(yīng)器內(nèi)微藻細胞的完全截留，因而促使反應(yīng)器能以連續(xù)進出水方式進行微藻的連續(xù)培養(yǎng)。在本實驗中MPBR反應(yīng)器的HRT控制為1.0 d，連續(xù)進水的低氮磷含量水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水為反應(yīng)器內(nèi)微藻的生長提供了充足的生長所需的營養(yǎng)鹽。在32 d的培養(yǎng)過程中，小球藻和衣藻在MPBR反應(yīng)器內(nèi)均實現(xiàn)了長期的連續(xù)生長，最高生物量濃度分別達到1.44和1.28 g·L-1(圖3)，經(jīng)過計算可知在MPBR的連續(xù)培養(yǎng)過程中，小球藻和衣藻的生物量生產(chǎn)速率分別為37.9和32.4 mg·L-1·d-1，是采用同樣的藻種和廢水在批次培養(yǎng)中指數(shù)生長階段微藻生物量生產(chǎn)速率的3.4倍和3.6倍(表2)，表明這2種微藻在MPBR反應(yīng)器連續(xù)進出水的培養(yǎng)過程中對海水養(yǎng)殖廢水都變現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，不存在明顯的差異。另外，值得注意的是實驗所獲得的這一微藻生物量生產(chǎn)速率也高于或接近于以往研究中使用市政，工業(yè)或家禽養(yǎng)殖廢水批次培養(yǎng)微藻所獲得的微藻生物量生產(chǎn)速率，盡管這些廢水中的氮磷濃度遠高于本研究中使用的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水(表2)。因此，可以認為MPBR利用低氮磷含量的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水實現(xiàn)了微藻的濃縮培養(yǎng)同時也取得了較高的微藻生物量生產(chǎn)速率?？梢姡捎肕PBR反應(yīng)器能較好的解決海水養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)微藻過程中存在的氮磷濃度低導(dǎo)致微藻生產(chǎn)受限的問題，使低氮磷含量的海水養(yǎng)殖廢水成為了潛在的微藻培養(yǎng)液，這對于海水養(yǎng)殖行業(yè)和微藻培養(yǎng)行業(yè)都具有一定的價值。

2.3 MPBR對廢水中營養(yǎng)鹽的去除效果

實驗過程中對小球藻MPBR反應(yīng)器和衣藻MPBR反應(yīng)器每日進出水的氮、磷濃度進行了監(jiān)測。對于實驗所用的養(yǎng)殖廢水，由表1中的數(shù)據(jù)可知，廢水中氮的主要形式為NH4+-N。對于廢水中NH4+-N的去除，如圖4和圖5所示，兩反應(yīng)器在最初的5 d運行過程中，出水NH4+-N濃度呈逐漸下降的趨勢，在之后的運行過程中，兩反應(yīng)器出水NH4+-N濃度穩(wěn)定在較低的水平。在穩(wěn)定運行階段，實驗過程中兩反應(yīng)器出水的平均NH4+-N濃度分別為0.29和0.31 mg·L-1。實驗所用養(yǎng)殖廢水中NO2--N和NO3--N的濃度均較低 (表1)，經(jīng)MPBR反應(yīng)器中微藻培養(yǎng)處理后，出水NO2--N和NO3--N濃度均仍然保持在較低的水平(圖4，圖5)，表明在MPBR反應(yīng)器處理廢水的過程中，并沒有發(fā)生明顯的微生物的硝化反應(yīng)，廢水中的NH4+并未被氧化為NO2--N和NO3--N。

圖4 小球藻MPBR運行過程中出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度的變化Fig.4 Effluent concentrations of NH4+-N、NO2--N、NO3--N of the C.vulgaris MPBR throughout the continuous cultivation period

圖5 衣藻MPBR運行過程中出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度的變化Fig.5 Effluent concentrations of NH4+-N、NO2--N、NO3--N of the C.reinhartii MPBR throughout the continuous cultivation period

實驗過程中兩反應(yīng)器對廢水中DIP的去除效果如圖6所示。從圖6可以看出，出水中DIP的變化情況與NH4+-N的變化情況較為類似。在最初的3 d運行過程中，出水DIP濃度呈逐漸下降的趨勢，在之后的運行過程中，兩反應(yīng)器出水DIP濃度穩(wěn)定維持在較低的水平。

圖6 小球藻和衣藻MPBR運行過程中出水DIP濃度的變化Fig.6 Effluent DIP concentrations of the C.vulgaris MPBR and C.reinhartii MPBR throughout the continuous cultivation period

對于兩反應(yīng)器所取得的脫氮除磷效果，本研究計算了穩(wěn)定運行階段MPBR反應(yīng)器對廢水中DIN和DIP的去除率和去除速率，結(jié)果如表3所示。兩反應(yīng)器對廢水中DIN的去除率分別達了93.9%和93.6%，對DIP的去除率分別達到98.8%和99.0%，可見在MPBR反應(yīng)器中進行微藻的連續(xù)進出水培養(yǎng)實現(xiàn)了對養(yǎng)殖廢水中氮磷的高效去除，并且2種微藻對廢水中氮、磷的去除能力非常接近，說明，兩者在海水養(yǎng)殖廢水中營養(yǎng)鹽的去除能力上并不存在明顯的差異。另外，值得注意的是本實驗所取得的對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除效果類似或優(yōu)于文獻報道中采用傳統(tǒng)批式微藻培養(yǎng)方法所取得的對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除效果[20-21]，而在這些批次培養(yǎng)的微藻處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水實驗中，廢水的停留時間(HRT)通常在10 d以上，遠高于本實驗中所采用的MPBR反應(yīng)器1.0 d的HRT。MPBR反應(yīng)器較短的HRT也促使本實驗獲得了較高的對廢水中營養(yǎng)鹽的去除速率，兩反應(yīng)器對DIN的去除速率分別達到5.28和5.26 mg·L-1·d-1，對 DIP 的去除速率分別達到 0.395 和 0.396 mg·L-1·d-1(表 3)。由此可見，采用膜法微藻濃縮培養(yǎng)方法既實現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)微藻的高效生產(chǎn)，同時也實現(xiàn)了對進水中氮磷等營養(yǎng)鹽的高效去除，有利于促進微藻培養(yǎng)方法在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理工程中發(fā)揮更大的作用，同時也為循環(huán)海水養(yǎng)殖行業(yè)提供了一種新的水處理方法。

表3 穩(wěn)定運行階段MPBR對廢水中營養(yǎng)鹽的去除效果Tab.3 Nutrient removal performance of MPBR after stabilization

3 結(jié)論

(1)MPBR反應(yīng)器中的超濾膜組件能實現(xiàn)對反應(yīng)器中微藻細胞的完全截留，從而實現(xiàn)了采用低氮磷含量的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水進行微藻的連續(xù)進出水培養(yǎng)。

(2)相比于傳統(tǒng)的批次培養(yǎng)方式，MPBR反應(yīng)器連續(xù)進出水的培養(yǎng)方式取得了更高的微藻生物量生產(chǎn)速率。反應(yīng)器水力停留時間控制為1.0 d，小球藻和衣藻的生物量生產(chǎn)速率分別達到批次培養(yǎng)時的3.4和3.6 倍。

(3)通過在MPBR反應(yīng)器中進行微藻的連續(xù)進出水培養(yǎng)實現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的深度脫氮除磷操作，為循環(huán)海水養(yǎng)殖行業(yè)提供了一種新的水處理方法。