固定化菌藻處理海水養(yǎng)殖廢水試驗(yàn)研究

高凌鵬， 劉志宏， 李詩(shī)宣

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院總院有限公司， 天津 300381）

我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)正在向集約化方向迅速發(fā)展，但伴隨而來(lái)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。 海水養(yǎng)殖廢水中含有殘余餌料和動(dòng)物排泄物等污染物， 如不經(jīng)充分處理直接排放入海， 會(huì)使環(huán)境水體中溶解氧濃度降低， 氨氮、 亞硝氮等含量增加， 引起水體富營(yíng)養(yǎng)化， 破壞生態(tài)環(huán)境， 反過(guò)來(lái)也會(huì)影響海水養(yǎng)殖產(chǎn)品的生長(zhǎng)， 制約著海水養(yǎng)殖業(yè)的良性發(fā)展［1－3］。因此， 如何采用廉價(jià)、 高效且安全的工藝凈化海水養(yǎng)殖廢水， 已成為海水養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一， 受到人們的關(guān)注和重視［4－8］。

海水養(yǎng)殖廢水可生化性好， 采用生物法處理具有成本低、 無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)， 但由于鹽度效應(yīng)導(dǎo)致生化反應(yīng)系統(tǒng)啟動(dòng)緩慢、 周期較長(zhǎng)， 污染物去除效果往往不理想， 特別是對(duì)氮、 磷的處理效果較差。 菌藻共生技術(shù)［9-10］利用細(xì)菌生長(zhǎng)分解廢水中有機(jī)污染物產(chǎn)生CO2、 有機(jī)酸、 無(wú)機(jī)鹽等［11-12］， 同時(shí)利用微藻吸收水體中無(wú)機(jī)態(tài)離子和有機(jī)態(tài)氮、 磷元素［13-14］， 彌補(bǔ)了生物處理中氮、 磷去除的短板。 特別是可以選取海水藻種和耐鹽菌種， 通過(guò)搭配形成互利共生關(guān)系， 再采用固定化技術(shù)提高細(xì)菌和藻類濃度、 強(qiáng)化菌藻協(xié)同作用［15-16］， 在海水養(yǎng)殖廢水處理中具有較大的應(yīng)用潛力。 本研究通過(guò)篩選對(duì)海水養(yǎng)殖廢水凈化效果較好的藻種并搭配耐鹽菌種， 制成固定化菌藻共生小球， 并與傳統(tǒng)CAST 工藝相結(jié)合， 以期建立一種高效、 綠色的海水養(yǎng)殖廢水處理新工藝， 為海水養(yǎng)殖廢水凈化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1） 試驗(yàn)用水取自某工廠化海水養(yǎng)殖場(chǎng)的尾水排放口， 該養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)殖品種主要為南美白對(duì)蝦。養(yǎng)殖場(chǎng)廢水靜置沉淀后取上清液作為試驗(yàn)進(jìn)水， 其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Main water quality indexes

（2） 菌種由該海水養(yǎng)殖場(chǎng)尾水排放渠底泥中分離獲得， 在篩選時(shí)比較不同菌株對(duì)水樣CODMn、NH4＋－N、 NO2－－N 和NO3－－N 等主要指標(biāo)的去除效果， 獲得具有耐鹽特性并能夠降解CODMn或好氧反硝化功能的多個(gè)菌種， 采用16S rDNA 測(cè)序分析可知， 具體包括微小桿菌屬、 棒狀桿菌屬、 卓貝爾氏菌屬和芽孢桿菌屬。

（3） 藻種采用海水小球藻、 青島大扁藻、 杜氏鹽藻和等鞭金藻， 均購(gòu)自上海某公司。

（4） 活性污泥取自天津市某污水處理廠污泥回流池， 并由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行耐鹽馴化后獲得。 馴化用水為添加海水晶的市政污水， 逐步提高海水晶濃度直至馴化用水中鹽度與海水養(yǎng)殖廢水相近（2.9%）。海水晶主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為： 氯化鈉（65.0 ±3.2）%， 硫酸鎂（以MgSO4·7H2O 計(jì)）（13.0±2.1）%，氯化鈣（以CaCl2·2H2O 計(jì)）（4.0 ± 0.8）%， 氯化鉀（2.0±1.4）%， 氯化鎂（11.0±2.0）%， w（鉛） ≤1.0 mg／kg， w（砷）≤0.5 mg／kg， w（氟）≤3.0 mg／kg。

1.2 試驗(yàn)裝置

CAST 試驗(yàn)裝置示意如圖1 所示。 裝置總?cè)莘e30 L， 分為生物選擇區(qū)、 預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)3 部分， 其容積比為1 ∶4 ∶25。 主反應(yīng)區(qū)底部設(shè)置曝氣管路和微孔曝氣頭， 曝氣量為0.2 m3／h。 試驗(yàn)進(jìn)水由原水箱通過(guò)計(jì)量泵自生物選擇區(qū)液面以下進(jìn)入反應(yīng)器， 主反應(yīng)區(qū)底部設(shè)排泥管， 通過(guò)重力人工排泥。 緊貼主反應(yīng)器內(nèi)壁安裝LED 光源， 進(jìn)行照射。試驗(yàn)裝置由PLC 編程自動(dòng)控制。

圖1 CAST 試驗(yàn)裝置示意Fig. 1 Experimental apparatus of CAST

1.3 試驗(yàn)方法

（1） 菌種和藻種的培養(yǎng)。 菌種采用2216E 培養(yǎng)基， 溫度30 ℃， 160 r／min 振蕩培養(yǎng)24 h。 藻種采用F／2 培養(yǎng)基， 溫度25 ℃， 光照強(qiáng)度2 000 lx，光照12 h， 無(wú)光照12 h， 每天手動(dòng)搖瓶3 次。

（2） 藻種的篩選。 分別將4 種微藻培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期， 離心收集藻細(xì)胞， 用無(wú)菌水沖洗藻細(xì)胞2次， 以去除吸附在藻細(xì)胞表面的氮和磷， 并將藻密度調(diào)整至4×106cell／mL。 培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微生物菌種采用同樣方法收集、 洗滌細(xì)胞， 濃縮至4 g／L。 向250 mL 錐形瓶中加入150 mL 海水養(yǎng)殖廢水， 藻種和菌種均按照1%（體積比）的接種量接種。另外設(shè)置1 組不加菌藻的空白對(duì)照組。 將其置于光照培養(yǎng)箱中在25 ℃、 光照強(qiáng)度為2 000 lx、 12 h ∶12 h 光暗比條件下培養(yǎng)， 每天手動(dòng)搖瓶3 次。 每天取樣測(cè)定水質(zhì)， 根據(jù)微藻與細(xì)菌共培養(yǎng)對(duì)海水養(yǎng)殖廢水的處理效果， 篩選出最佳的菌藻共生體系。

（3） 固定化小球的制備。 按照前述方法收集濃縮微藻和細(xì)菌， 并按一定比例混合后， 加入3% 硅藻土制成菌藻懸液， 再加入8 倍體積的聚乙烯醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）和海藻酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）混合液， 之后用注射器將該菌藻混合液注入預(yù)冷4%的氯化鈣溶液中， 4 ℃靜置20 h 后用去離子水洗滌， 形成直徑約3 mm 的固定化菌藻小球。

（4） 固定化菌藻處理海水養(yǎng)殖廢水及菌藻比例優(yōu)選。 分別設(shè)定菌藻體積比為2 ∶1、 1 ∶1 和1 ∶2，按照前述固定化方法制作菌藻小球。 向250 mL 的錐形瓶中加入500 個(gè)固定化菌藻小球， 再加入150 mL 海水養(yǎng)殖廢水。 置于光照培養(yǎng)箱中在25 ℃、 光照強(qiáng)度為2 000 lx、 12 h ∶12 h 光暗比條件下培養(yǎng)，每天手動(dòng)搖瓶3 次。 試驗(yàn)以3 d 為1 個(gè)周期， 每周期末將剩余廢水倒出， 再次加入150 mL 海水養(yǎng)殖廢水， 共進(jìn)行3 個(gè)周期， 合計(jì)9 d。 每天取樣測(cè)定水質(zhì)， 根據(jù)每種菌藻比例固定化小球?qū)ＫB(yǎng)殖廢水的處理效果， 篩選出固定化小球中最佳的菌藻比例。

（5） 固定化菌藻耦合CAST 處理海水養(yǎng)殖廢水。 對(duì)活性污泥進(jìn)行耐鹽馴化， 具有耐鹽活性后，采用海水養(yǎng)殖廢水作為進(jìn)水， 進(jìn)行常規(guī)CAST 工藝處理海水養(yǎng)殖廢水的試驗(yàn)， 環(huán)境溫度保持在28 ℃，運(yùn)行周期為： 進(jìn)水與反應(yīng)共8 h（其中進(jìn)水約0.5 h），靜置沉淀2 h， 排水0.5 h， 閑置1.5 h， 合計(jì)12 h。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后連續(xù)運(yùn)行20 d， 每天測(cè)定裝置進(jìn)出水水質(zhì)。 固定化菌藻耦合CAST 處理海水養(yǎng)殖廢水是在常規(guī)CAST 運(yùn)行基礎(chǔ)上， 將2 000 g 固定化菌藻小球投加于裝置主反應(yīng)區(qū)內(nèi)， 光照強(qiáng)度為5 000 lx， 每天光照時(shí)間24 h， 在28 ℃環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行后連續(xù)運(yùn)行20 d， 每天測(cè)定裝置進(jìn)出水水質(zhì)。

1.4 分析方法

CODMn采用堿性高錳酸鉀法， NH4＋－N 采用靛酚藍(lán)分光光度法， NO2－－N 采用萘乙二胺分光光度法， NO3－－N 采用鋅－鎘還原法， 無(wú)機(jī)氮為NH4＋－N、NO2－－N 和NO3－－N 的總和， PO43－－P 采用鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻種篩選

海水小球藻、 青島大扁藻、 杜氏鹽藻及等鞭金藻分別與微生物共生時(shí)對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中CODMn、無(wú)機(jī)氮和磷的去除率隨時(shí)間的變化情況如圖2～ 圖4 所示。

圖2 不同菌藻共生對(duì)CODMn 的去除率Fig. 2 Removal efficiency of CODMn by bacteria-algae symbiotic systems

圖3 不同菌藻共生對(duì)無(wú)機(jī)氮的去除率Fig. 3 Removal efficiency of inorganic nitrogen by bacteriaalgae symbiotic systems

圖4 不同菌藻共生對(duì)磷的去除率Fig. 4 Removal efficiency of phosphorus by bacteria-algae symbiotic systems

從圖2 可以看出， 與對(duì)照組相比， 添加菌藻后可有效去除海水養(yǎng)殖廢水中的CODMn， 4 種菌藻共生體系對(duì)CODMn的去除趨勢(shì)基本相同， CODMn去除率相近。 其中， 小球藻－菌和等鞭金藻－菌2 個(gè)體系6 d 的CODMn去除率分別為65.94% 和65.85%，略高于青島大扁藻－菌和杜氏鹽藻－菌的去除率（分別為63.19% 和63.31%）。 在菌藻共生體系中，CODMn主要通過(guò)懸浮微藻和微生物的異養(yǎng)作用去除，還可在硝化和反硝化過(guò)程中作為碳源而去除［17］。

從圖3 可以看出， 添加菌藻后可有效去除海水養(yǎng)殖廢水中的無(wú)機(jī)氮， 4 種菌藻共生體系對(duì)無(wú)機(jī)氮的去除趨勢(shì)大致相同， 其中小球藻－菌共生時(shí)對(duì)無(wú)機(jī)氮去除率最高， 經(jīng)過(guò)6 d 的處理其去除率達(dá)到64.30%， 明顯高于另外3 種微藻與細(xì)菌共生時(shí)的無(wú)機(jī)氮去除率。 無(wú)機(jī)氮包括NH4＋－N、 NO2－－N 和NO3－－N 的總和， 它的去除， 一方面通過(guò)細(xì)菌硝化反應(yīng)將NH4＋－N 轉(zhuǎn)化為NO2－－N 和NO3－－N， 再通過(guò)反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛尫牛?另一方面， 通過(guò)微藻細(xì)胞的吸收利用和某些微生物的同化作用而去除［18-19］。

從圖4 可以看出， 菌藻共生體系可以有效去除海水養(yǎng)殖廢水中的磷， 小球藻、 等鞭金藻、 杜氏鹽藻、 青島大扁藻與細(xì)菌共生對(duì)磷的去除率依次降低， 分別是73.41%、 71.76%、 58.52% 和51.55%。細(xì)菌和微藻生長(zhǎng)過(guò)程中可以同化吸收活性磷酸鹽，用于合成蛋白質(zhì)、 ATP、 磷脂、 核酸等生物質(zhì)， 同時(shí)聚磷菌還可將磷以聚合形式貯存于體內(nèi)， 從而有效去除廢水中的磷［20］。 綜合評(píng)價(jià)上述對(duì)CODMn、 無(wú)機(jī)氮和磷的去除效果， 優(yōu)選海水小球藻作為菌藻共生體系中的水處理藻種， 進(jìn)一步進(jìn)行固定化菌藻的研究。

2.2 固定化菌藻的處理效果

為了優(yōu)選用于處理海水養(yǎng)殖廢水時(shí)固定化菌藻的比例， 分別比較了菌藻比（體積比）為2 ∶1、 1 ∶1和1 ∶2 時(shí)， 固定化菌藻對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中CODMn、無(wú)機(jī)氮和磷的去除率隨時(shí)間的變化情況， 結(jié)果如圖5 所示。

從圖5（a）可以看出， 使用海藻酸鈉固定化包埋菌藻共生體系， 當(dāng)菌藻比為2 ∶1、 1 ∶1 和1 ∶2時(shí)， 對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中CODMn的去除效果沒(méi)有明顯差別， 在每一個(gè)處理周期內(nèi)， CODMn去除率都是隨時(shí)間延長(zhǎng)而提高， 在每周期末CODMn去除率均能達(dá)到約90%。

從圖5（b）和（c）可以看出， 在這3 個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)， 菌藻比為1 ∶2 時(shí)制成的固定化菌藻小球?qū)o(wú)機(jī)氮和磷去除率明顯優(yōu)于另外2 種比例， 說(shuō)明更高的藻類濃度比例有利于更多地吸收廢水中的氮、磷［21］。 綜合評(píng)價(jià)上述對(duì)CODMn、 無(wú)機(jī)氮和磷的去除效果， 優(yōu)選細(xì)菌與海水小球藻接種比例為1 ∶2 制作固定化菌藻小球， 進(jìn)一步進(jìn)行固定化菌藻耦合CAST 工藝的研究。

圖5 固定化菌藻比例對(duì)CODMn、 無(wú)機(jī)氮、 磷去除率的影響Fig. 5 Effect of immobilized bacteria-algae ratio on CODMn,inorganic nitrogen, and phosphours removal

2.3 固定化菌藻耦合CAST 處理海水養(yǎng)殖廢水的效果

在常規(guī)CAST 運(yùn)行基礎(chǔ)上通過(guò)投加固定化菌藻小球及適當(dāng)光照， 形成耦合工藝處理海水養(yǎng)殖廢水， 并與常規(guī)CAST 進(jìn)行比較， 考察其處理效果，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 固定化菌藻耦合CAST 對(duì)CODMn、 無(wú)機(jī)氮、 磷的去除效果Fig. 6 Effect of immobilized bacteria-algae coupled with CAST on CODMn， inorganic nitrogen and phosphorus removal

由圖6 可以看出， 投加固定化菌藻后可顯著提高CAST 工藝對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中CODMn、 無(wú)機(jī)氮和磷的去除效果， 穩(wěn)定運(yùn)行后CODMn去除率維持在85% 以上， 出水CODMn的質(zhì)量濃度低于8 mg／L；無(wú)機(jī)氮去除率維持在95% 以上， 出水無(wú)機(jī)氮的質(zhì)量濃度低于0.5 mg／L； 磷的去除率維持在90% 以上， 出水磷酸鹽（以P 計(jì)）的質(zhì)量濃度低于0.1 mg／L。 與常規(guī)CAST 工藝相比， 采用固定化菌藻耦合的方法可以同時(shí)利用細(xì)菌和微藻對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中CODMn、 無(wú)機(jī)氮和磷的吸收、 合成、 代謝和轉(zhuǎn)化等過(guò)程， 充分發(fā)揮菌藻間協(xié)同作用， 使該工藝對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中污染物的去除率大幅度提高。

3 結(jié)論

（1） 采用海水小球藻與細(xì)菌構(gòu)成共生體系處理海水養(yǎng)殖廢水， 可有效去除CODMn、 無(wú)機(jī)氮和磷，去除率高于青島大扁藻、 杜氏鹽藻及等鞭金藻與細(xì)菌的搭配。

（2） 使用海藻酸鈉包埋法將菌藻制成固定化小球后， 菌藻比為1 ∶2 時(shí)的脫氮除磷效果優(yōu)于其他菌藻比例。

（3） 將固定化菌藻與常規(guī)CAST 工藝相耦合，可顯著提高CAST 工藝對(duì)海水養(yǎng)殖廢水中CODMn、無(wú)機(jī)氮和磷的去除效果， 穩(wěn)定運(yùn)行后出水CODMn的質(zhì)量濃度低于8 mg／L、 無(wú)機(jī)氮的質(zhì)量濃度低于0.5 mg／L、 磷酸鹽（以P 計(jì)）的質(zhì)量濃度低于0.1 mg／L。 采用固定化菌藻耦合CAST 的工藝可以有效利用細(xì)菌和微藻對(duì)污染物的協(xié)同去除作用， 可用于海水養(yǎng)殖廢水的凈化處理。