溫度、照度和接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮和磷的影響

蕭銘明，黃翔鵠，黃 強，陳柏安，車明曉，李擎天

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溫度、照度和接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮和磷的影響

蕭銘明1,2，黃翔鵠1,2，黃 強3，陳柏安1，車明曉1，李擎天1

（1. 廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 廣東省藻類養(yǎng)殖及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524025；3. 國投廣東生物能源有限公司，廣東 湛江 524000）

【】確定鈍頂螺旋藻（）最大程度去除酒精廢水中氮、磷的最佳溫度、照度和接種量。通過單因子實驗與正交實驗研究不同溫度、照度和接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中氮、磷的效果。單因子實驗結(jié)果顯示，不同溫度、照度和接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中的氮、磷有顯著影響（< 0.05）。溫度為 30℃時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中總氮和總磷的去除率平均值最高，分別為38.0%和59.0%；照度為 3 000 lx時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中總氮和總磷的去除率平均值最高，分別為40.9%和60.4%；接種量為（培養(yǎng)基的）50%時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中總氮的去除率平均值最高，為43.6%；接種量為30%時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中總磷的去除率平均值達到最高，為62.7%。正交實驗結(jié)果顯示，溫度是影響鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中氮、磷的最主要因素。溫度30℃、照度2 500 ~ 3 000 lx、接種量20%為鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮和磷的最優(yōu)組合條件。適宜的溫度、照度和接種量可有效提高酒精廢水中氮、磷的去除率。

鈍頂螺旋藻；酒精廢水；溫度；照度；接種量；去除氮磷

近年來，隨著煤炭、石油能源危機，空氣污染、全球變暖等環(huán)境問題日益嚴重，開發(fā)清潔、可再生新能源是發(fā)展趨勢。乙醇汽油是一種替代化石燃料的新型清潔燃料，為當(dāng)前世界上可再生能源的發(fā)展重點[1]。燃料乙醇生產(chǎn)污染主要是水污染，生產(chǎn)1 t燃料乙醇約需排放13～16 t高濃度、難降解、無毒有害的有機酸廢水[2]。經(jīng)預(yù)處理、好氧厭氧工藝法和膜生物反應(yīng)器等處理可去除廢水中大部分有機物，但仍含有較高的氮、磷等元素[3]，如處理不當(dāng)則導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的嚴重后果，也造成資源浪費。螺旋藻可利用光照和有機碳源提供生長所需的能量，進行混合營養(yǎng)生長[4-5]，利用酒精廢水培養(yǎng)螺旋藻，廢水中的氮、磷和有機物可全部或部分替代螺旋藻的培養(yǎng)基，降低廢水中的有機物和氮、磷濃度，達到凈化水質(zhì)的目的[6-8]。近年來利用廢水養(yǎng)殖螺旋藻已成為資源循環(huán)利用的研究熱點之一，已有利用味精發(fā)酵廢水、啤酒廠廢水、餐廚廢水和城市污水等配置培養(yǎng)基進行螺旋藻培養(yǎng)的報道[9-12]，酒精廢水經(jīng)過一系列處理后仍含較多的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[13]，需進一步深度處理，目前鮮見用鈍頂螺旋藻去除酒精廢水膜生物反應(yīng)器出水氮、磷等營養(yǎng)鹽的研究報道。筆者研究不同溫度、照度、接種量對鈍頂螺旋藻（）酒精廢水氮、磷的去除效果，為鈍頂螺旋藻在凈化酒精廢水的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗藻種與酒精廢水

實驗用鈍頂螺旋藻（）購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫，編號FACHB-439，接種于Spirulina培養(yǎng)基內(nèi)，于溫度（25±1）℃、照度為1 500 ~ 2 000 lx的光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d，每天定時手搖3次。

1.2 實驗用酒精廢水

取自廣東省湛江市遂溪國投廣東生物能源有限公司膜生物反應(yīng)器出水口，水體總氮（Total nitrogen，TN）（60±10）mg·L-1、總磷（Total phosphorus，TP）（20±5）mg·L-1，pH 9.4±0.2。取回后置于冰箱內(nèi)冷藏備用。

1.3 方法

1.3.1 單因子實驗設(shè)置 設(shè)置溫度梯度為20、25、30、35、40℃，接種量20%，即調(diào)節(jié)螺旋藻密度[光密度(470 nm) = 0.6]，使接種后藻體（干基）質(zhì)量濃度為0.06 g·L-1，下同。培養(yǎng)7 d，照度（2 500 ± 100）lx，24 h連續(xù)光照。每個梯度設(shè)置3個平行組。

設(shè)置照度梯度為2 000、2 500、3 000、4 000、5 000 lx，溫度（30±1）℃，其余條件同溫度梯度實驗。每個梯度設(shè)置3個平行組。

設(shè)置接種量梯度為10%、20%、30%、40%、50%，即調(diào)節(jié)螺旋藻密度[光密度(470 nm) = 0.6]，使接種后藻體質(zhì)量濃度（干基）分別為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15 g·L-1，溫度（30±1）℃，照度（2 500±100）lx，24 h連續(xù)光照。每個梯度設(shè)置3個平行組。

1.3.2 正交實驗設(shè)計 在單因子實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，各自選擇鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN、TP去除率較高的溫度、照度和接種量，進行3因素3水平正交實驗（表1），每個處理分別設(shè)置3個平行組。

表1 正交實驗設(shè)計

1.3.3 實驗方法 采用500 mL錐形瓶，每瓶加入300 mL酒精廢水，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)15 d，每天定時搖動3次。每隔3 d定時取樣，抽濾后按《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]的方法測定水樣中總氮和總磷的含量。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 TN、TP的去除率分別記為TN和為TP。

TN= (TN,0－TN, t)/TN,0×100%，

TP= (TP,0－TP, t)/TP,0×100%。

式中，TN,0為初始總氮含量；TN, t為處理后總氮含量；TN,0為初始總磷含量；TP, t為處理后總磷含量。

1.3.5 統(tǒng)計分析 所得數(shù)據(jù)用統(tǒng)計軟件SPSS 19.0進行方差分析和Duncan多重比較，顯著水平為0.05或0.01。采用prism 7.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN和TP的去除率

由圖1可見，溫度對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TN效果的影響極顯著（=268.895，<0.01）。隨溫度的升高，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN的去除率先升后降，培養(yǎng)12 d，30℃組對TN的去除率最高，為38.0%±2.8%，TN從最初的61.7 mg·L-1下降到36.3 mg·L-1，去除速率為2.1 mg·L-1·d-1。溫度高于30℃組，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN的去除率隨溫度增加而降低，40℃組的去除率為負值。Duncan多重比較顯示，鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TN的適宜溫度為25 ~ 35℃。

由圖2可見，溫度對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TP效果的影響極顯著（= 502.225，<0.01）。隨溫度的升高，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TP的去除率先升后降，培養(yǎng)12 d，溫度30℃組對TP的去除率最高，為59.0%±1.9%，TP從最初的21.7 mg·L-1下降到8.6 mg·L-1，去除速率為1.1 mg·L-1·d-1。溫度高于30℃組去除率隨溫度增加而降低，40℃組的去除率為負值。Duncan多重比較顯示，鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TP的適宜溫度為30 ~ 35℃。

凡含一個相同字母者表示差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P > 0.05)

凡含一個相同字母者表示差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P > 0.05)

2.2 不同照度下鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN和TP的去除率

由圖3可見，照度對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TN效果的影響極顯著（=14.616，<0.01）?？傮w來說，隨照度的升高，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN的去除率呈先升后降變化，培養(yǎng)12 d，照度為2 500 ~ 4 000 lx組對TN的去除率較高，照度3 000 lx組去除率平均值最高，為40.9%，TN從最初的61.7 mg·L-1下降到34.7 mg·L-1，去除速率為2.2 mg·L-1·d-1。照度5 000 lx組的去除率恢復(fù)至初始水平。Duncan多重比較顯示，鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TN的適宜照度為2 500 ~ 4 000 lx。

凡含一個相同字母者表示差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P > 0.05)

由圖4可見，照度對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TP效果的影響極顯著（= 99.98，< 0.01）。隨照度的升高，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TP的去除率先升后降，培養(yǎng)12 d，照度3 000 lx組對TP的去除率最高，為60.4%±1.5%，TP從最初的21.7 mg·L-1·d-1下降到8.3 mg·L-1·d-1，去除速率為1.1 mg·L-1·d-1。照度大于3 000 lx時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TP的去除率隨照度增加逐漸降低。照度5 000 lx組的去除率恢復(fù)至初始水平。Duncan多重比較顯示，鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中TP的適宜照度為2 500 ~ 4 000 lx。

凡含一個相同字母者表示差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P > 0.05)

2.3 不同接種量鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN和TP的去除率

由圖5可見，接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TN效果的影響顯著（= 5.153，< 0.05）。隨接種量的升高，鈍頂螺旋藻對酒精廢水TN的去除率總體呈上升趨勢，培養(yǎng)12 d，接種量40%、50%組對TN的去除率較高，50%組去除率平均值最高，為43.6%，TN從最初的61.7 mg·L-1下降到32.8 mg·L-1，去除速率為2.4 mg·L-1·d-1。Duncan多重比較顯示，鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中TN適宜的接種量為20% ~ 50%。

凡含一個相同字母者表示差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P > 0.05)

圖6可見，接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中TP效果的影響極顯著（= 9.296，< 0.01）。隨接種量的升高，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TP的去除率呈下降趨勢，培養(yǎng)12 d，接種量10% ~ 40%組對TP的去除率差異無統(tǒng)計學(xué)意義，30%組去除率平均值最高，為62.7%，TP從最初的21.7 mg·L-1降至7.3 mg·L-1，去除速率為1.2 mg·L-1·d-1。50%組去除率降低（< 0.05）。多重比較顯示，鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中TP的適宜接種量為10% ~ 40%。

凡含一個相同字母者表示差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P > 0.05)

2.4 正交實驗結(jié)果

鈍頂螺旋藻對酒精廢水中總氮去除率正交實驗結(jié)果見表2。溫度、照度、接種量的平均TN去除率在水平1分別為23.9%、34.7%、27.5%，水平2分別為45.4%、38.2%、34.9%，水平3分別為30.6%、28.4%、30.4%；極差值分別為21. 5%、9.8%、7.4%。溫度是影響鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN去除效果的主要因子，其次是接種量和照度。鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中TN的最優(yōu)組合為溫度30℃、照度3 000 lx、接種量20%。

鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TP去除率正交實驗結(jié)果見表3。溫度、照度、接種量的平均TP去除率在水平1分別為38.4%、37.6%、37.1%，水平2分別為63.7%、55.4%、57.9%，水平3分別為48.3%、44.4%、47.5%；極差值分別為25.3%、17.8%、20.8%。溫度是影響鈍頂螺旋藻對酒精廢水TP去除效果的主要因子，其次是照度和接種量。鈍頂螺旋藻去除酒精廢水TP的最優(yōu)組合為溫度30℃、照度2 500 lx、接種量20%。

表2 鈍頂螺旋藻總氮去除率正交實驗L9（33）結(jié)果

表3 鈍頂螺旋藻總磷去除率正交實驗L9（33）結(jié)果

正交結(jié)果表明，影響鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN、TP去除率的主要因子為溫度，在溫度30℃、照度2 500 ~ 3 000 lx、接種量20%條件下，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TN、TP的去除率最高。

3 討論

3.1 溫度對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮和磷的影響

溫度是影響微藻生長和繁殖的重要環(huán)境因子之一。溫度會影響螺旋藻的生長發(fā)育、細胞酶活性、營養(yǎng)物的吸收利用和細胞分裂周期等[15-16]。酶活性對溫度變化最為敏感，溫度較低時，藻體內(nèi)酶活性較低，生長、光合速率較低；溫度升高，藻細胞酶活性增強，代謝速率加快，藻體對營養(yǎng)物的消耗增強，從而提高廢水中氮、磷的去除率。但溫度過高會導(dǎo)致藻細胞呼吸速率大于光合速率，不利于藻細胞吸收利用營養(yǎng)鹽，易導(dǎo)致對廢水中氮、磷去除率的下降[17-19]。據(jù)報道，多數(shù)螺旋藻是喜高溫藻種，適宜生長溫度一般為28~37℃[21-22]，鈍頂螺旋藻某些品系甚至可耐受42℃的高溫。本研究中，溫度為30 ~ 35℃時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水總氮、總磷有較高的去除率，而溫度低于25℃或高于35℃時，總氮、總磷去除率均顯著降低，與前人研究基本一致[23-24]。當(dāng)溫度為40℃時，酒精廢水中的總氮、總磷含量高于接種前，這是因為40℃超過了該株鈍頂螺旋藻的耐受溫度，溫度過高導(dǎo)致螺旋藻細胞組分、蛋白質(zhì)和核酸受到不可逆的化學(xué)損害，藻細胞死亡破裂，藻細胞內(nèi)所固定的氮、磷被釋放入水體，水體氮、磷含量上升。在我國華南地區(qū)（熱帶和亞熱帶地區(qū)），較高的氣溫可滿足鈍頂螺旋藻對溫度的需求，為用酒精廢水室外培養(yǎng)鈍頂螺旋藻創(chuàng)造了有利條件。

3.2 照度對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮磷的影響

螺旋藻是光合原核生物，光照會影響螺旋藻光合碳固定的速率和藻細胞呼吸強度、能量水平[25]。魯純養(yǎng)等[26]研究表明，當(dāng)溫度低于25℃時，溫度是影響螺旋藻生長的主導(dǎo)因子，當(dāng)溫度在螺旋藻生長的適溫范圍內(nèi)時，照度是影響螺旋藻生長的主導(dǎo)因子。照度較低會抑制螺旋藻的光合作用，導(dǎo)致藻細胞生長較慢，對氮、磷等營養(yǎng)元素吸收利用的較少；隨照度增加，螺旋藻光合作用增強，藻細胞增殖速率加快，生長所需要的氮、磷等營養(yǎng)鹽消耗增加；照度過高時微藻細胞受到光損傷，光合速率降低；也可能是照度過高使光系統(tǒng)II中的D1蛋白質(zhì)降解，核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶活性被抑制，藻細胞固定的部分能量被光呼吸消耗，導(dǎo)致藻的生物量和比生長率下降[27-28]，不利于藻體生長和對營養(yǎng)鹽的利用。余秋陽等[29]研究表明，照度在3 000 lx時小球藻對人工污水中氮、磷去除效果最佳；當(dāng)照度大于3 000 lx時，去除率隨照度增加而降低。本研究中，照度為2 500 ~ 3 000 lx時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中的TN、TP有較高的去除率，而照度低于2 500 lx或高于4 000 lx時，TN、TP的去除率均明顯降低，進一步表明照度過低或過高均影響藻類對氮磷的去除效果。本研究培養(yǎng)鈍頂螺旋藻的最適照度顯著高于常規(guī)培養(yǎng)條件下的最適照度（1500 ~ 2000 lx），可能原因是本研究所用的酒精廢水有一定色度，透光性較弱，大部分藻細胞獲得的光照不夠，需更強的照度。酒精廢水色度較高，因此在大規(guī)模室外培養(yǎng)螺旋藻時可能需添加光源，讓鈍頂螺旋藻得到適宜的光照，以提高對TN、TP的去除率。

3.3 接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮磷的影響

在其他培養(yǎng)條件不變的情況下，藻類接種量與氮、磷等營養(yǎng)鹽的去除直接相關(guān)，接種量過低會導(dǎo)致微藻對新環(huán)境的適應(yīng)期較長，生長緩慢，進入指數(shù)生長期所需時間較長，對氮、磷的去除效果較差。接種量過高，微藻雖可較快進入指數(shù)生長期，但過高的藻濃度會讓藻細胞間相互遮光，光合作用效率降低，影響生長和葉綠素合成[30-31]，也不利于氮、磷的去除。石峰[32]用平板式光生物反應(yīng)器高密度培養(yǎng)螺旋藻時發(fā)現(xiàn)，接種量10%是最佳接種量。田立丹[34]研究表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)螺旋藻時，接種量10%時生長速率和藻粉產(chǎn)量較高。本研究中，當(dāng)鈍頂螺旋藻接種量為20% ~ 50%時，對酒精廢水TN有較高的去除率，接種量為10% ~ 40%時，鈍頂螺旋藻對酒精廢水中TP去除率較高，當(dāng)接種量為50%時TP去除率則下降。接入較高濃度的鈍頂螺旋藻，雖可更好地適應(yīng)酒精廢水，較快進入指數(shù)生長期，但高濃度藻細胞間會相互遮光，導(dǎo)致藻細胞光合速率下降。因此認為，接種量為20%時，鈍頂螺旋藻即可有效去除酒精廢水中的TN、TP。

3.4 鈍頂螺旋藻對酒精廢水中N、P的去除

酒精廢水中含有較多的N、P等營養(yǎng)物，如處理不當(dāng)，可能會造成水體富營養(yǎng)化的嚴重后果。微藻生長迅速，對環(huán)境適應(yīng)能力強，可通過對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)利用達到去除水體營養(yǎng)鹽的目的[6-7]。溫度、照度、接種量等因素影響微藻的生理代謝速率和細胞活性，從而影響微藻的生物質(zhì)積累量和對廢水的凈化效率[23,29]。本研究表明，溫度是影響鈍頂螺旋藻去除酒精廢水中氮、磷的主要因子，去除酒精廢水中氮、磷的最優(yōu)條件組合為溫度30 ℃、照度2 500 ~ 3 000 lx、接種量20%。用未稀釋的酒精廢水培養(yǎng)鈍頂螺旋藻，鈍頂螺旋藻可生長良好，并可有效去除廢水的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，收獲的螺旋藻生物質(zhì)可制成微藻蛋白，用于飼料和化工原料等。本研究可為鈍頂螺旋藻凈化酒精廢水的實際生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)資源的充分利用。

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Effects of Temperature, Light Intensity and Inoculation Volume on Nitrogen and Phosphorus Removal from Alcohol Wastewater by

XIAO Ming-ming1,2, HUANG Xiang-hu1,2, HUANG Qiang3, CHEN Bo-an1, CHE Ming-xiao1, LI Qing-tian1

（1.,,524088,; 2.,524025,; 3.,524000,）

【】To determine the optimal temperature, light intensity and inoculation volume for eliminating nitrogen and phosphorus from alcohol wastewater by.【】The effects of different temperatures, light intensity and inoculation volume on the removal of nitrogen and phosphorus from alcohol wastewater bywere studied using one-factor experiment and orthogonal experiments. 【】The One-factor experiment showed that different temperatures, light intensity and inoculation volume had significant effects on the removal of nitrogen and phosphorus from alcohol wastewater by(0.05). When the temperature was at 30 °C, the average removal rate of total nitrogen and total phosphorus in alcohol wastewater was the highest, which were 38.0% and 59.0%, respectively. When the light intensity was 3 000 lx, the average removal rate of total nitrogen and total phosphorus in alcohol wastewater was maximized and the removal rate was 40.9% and 60.4%, respectively. The removal rate of total nitrogen in alcohol wastewater reached the maximum when inoculation volume was 50%, and the average removal rate was 43.6%. It had the highest average removal rate of total phosphorus when the inoculation volume was 30%, which was 62.7%. The results of orthogonal experiments show that temperature is the most important factor affecting the removal of nitrogen and phosphorus from alcohol wastewater by. The optimal combination condition for removing nitrogen and phosphorus from alcohol wastewater was when temperature was at 30℃, light intensity was 2 500 – 3 000 lx and inoculation volume was 20%.【】Appropriate temperature, light intensity and inoculation volume can effectively improve the removal rate of nitrogen and phosphorus from alcohol wastewater.

; alcohol wastewater; temperature; light intensity; inoculation volume; removal of nitrogen and phosphorus

X702；S968.41

A

1673-9159（2019）03-0054-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.03.008

2019-01-14

蕭銘明（1994—），男，碩士研究生，海洋生物學(xué)。E-mail:940480506@qq.com

黃翔鵠（1962—），男，教授，從事水域生態(tài)學(xué)研究。E-mail:hxh166@126.com

蕭銘明，黃翔鵠，黃強，等. 溫度、照度和接種量對鈍頂螺旋藻去除酒精廢水氮和磷的影響[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報，2019，39（3）：54-60.

（責(zé)任編輯：劉慶穎）