菌藻共生處理豬場廢水的效果研究

杜學振，申 婷，邢冠潤，李君榮

(金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江 金華 321017)

養(yǎng)殖業(yè)廢水中COD、NH4+-N等含量高，給水生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響，因此，養(yǎng)殖業(yè)廢水資源化處理關(guān)系到農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的改善和畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。菌藻共生系統(tǒng)處理養(yǎng)殖業(yè)廢水近年來被廣泛關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)菌藻之間有共生協(xié)同作用，這種協(xié)同作用可以有效提高污水中氮、磷等物質(zhì)的去除效率[2]。

微藻具有高效的脫氮除磷能力，如柵藻、小球藻、單生卵囊藻等15種淡水微藻對豬場養(yǎng)殖廢水的除磷效果均可達90%以上[3]，朱新曼等[4]研究表明萊茵衣藻在污水中的生長狀態(tài)良好且對污水中總磷、總氮和COD 具有較好的處理效果，去除率分別可以達到98.7%、72.6%和81.5%。光合菌是指在厭氧條件下，能夠進行不放氧光合作用的一類細菌的總稱，它對食品加工、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)品加工、印染等所產(chǎn)生的高濃度有機廢水均有顯著的凈化效果[5-6]。有研究表明光合菌對養(yǎng)殖廢水中COD 及氨氮的去除率均達到85%以上[7]。吳向華[8]等在暗紋東方鲀養(yǎng)殖池中添加50 μg/L以上光合菌可以增加水中溶氧，凈化水體環(huán)境，將COD、BOD及氨氮濃度值降至正常范圍。結(jié)合微藻和光合菌自身對養(yǎng)殖業(yè)廢水處理的特點及優(yōu)勢，將兩者進行結(jié)合構(gòu)建菌藻共生系統(tǒng)來處理養(yǎng)殖業(yè)廢水，有望進一步提高處理效果。

為研究不同梯度比例菌-藻共生系統(tǒng)對豬場廢水中COD、TN、NH4+-N、TP等去除效果，本文對比研究了光合菌與普通小球藻、淡水卵囊藻、斜生柵藻、萊茵衣藻以不同梯度比例混合對豬場廢水的處理能力，以確定菌-藻共生系統(tǒng)的最佳比例，為菌藻共生系統(tǒng)應(yīng)用到實際生產(chǎn)提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1藻種與菌種 本研究中處理豬場廢水用的擴培藻種來自于樂清光語生物科技有限公司(樂清，中國)，其中普通小球藻的藻種庫編號為GY-D25，淡水卵囊藻的藻種庫編號為GY-D5，萊茵衣藻的藻種庫編號為GY-D55，斜生柵藻的藻種庫編號為GY-D13，光合菌為光合細菌混合菌。

1.2微藻馴化與擴繁 將純藻接種到BG-11培養(yǎng)液中,在無菌條件下進行，從50 mL到1 L錐形瓶中逐漸擴繁放大培養(yǎng)，具體操作如下：將一定量的藻液先接種于含有25 mL已滅菌培養(yǎng)液的50 mL錐形瓶中，在搖床上震蕩培養(yǎng)(溫度為25 ℃，全天光照，光照強度為100 lux，轉(zhuǎn)速為120 rpm)，待藻液顏色從黃綠到深綠時，吸取20 mL到含有150 mL的優(yōu)化BG-11的錐形瓶中，并且從150 mL到1 L逐級擴繁放大培養(yǎng)(重復(fù)以上操作)，以獲得大量的藻體，供試驗使用。期間定期在顯微鏡下觀察微藻的生長狀況，檢查藻種是否被污染。試驗前首先將微藻藻種進行離心濃縮(6000 rpm，5 min)，然后用超純水懸浮微藻細胞，再次離心、濃縮(6000 rpm，5 min)，重復(fù)操作3次，然后將藻液配置成藻細胞計數(shù)密度為1×106cells/mL左右，供試驗用。

1.3菌藻配比分組與廢水處理方法 豬場廢水取自浙江金華市某豬場育肥豬舍，接取排入沼氣池前的豬場尿糞沖洗廢水，通過離心機5000 r/min、3 min離心預(yù)處理，去除廢水中的渾濁固形物。經(jīng)預(yù)處理后的豬場廢水的pH、COD、TN、NH4+-N、TP的測定值分別為5.89、131.4 mg/L、267.5 mg/L、189.6 mg/L、44.3 mg/L。根據(jù)不同藻種分為4個大試驗組，每個大試驗組根據(jù)不同菌藻比例分為4個試驗組(表2)，分別為單一微藻組、菌藻比1∶350組、菌藻比1∶35組、菌藻比1∶3.5組。

各組分別取1000 mL錐形瓶，加入600 mL經(jīng)預(yù)處理后的豬場廢水和300 mL對應(yīng)的單一微藻或混合菌藻。將錐形瓶置于全天候提供人工光照的溫室環(huán)境內(nèi)(相對濕度、室內(nèi)溫度、光照強度分別為65%、25℃、100 lux左右)，采用小型空氣泵(功率20～25 W)及氣石提供1 min/h的連續(xù)通氣以提供水循環(huán)和微藻生長所需的二氧化碳。

1.4豬場廢水的水質(zhì)測定指標 各試驗組處理豬場廢水的試驗時間為14 d，試驗開展過程中每隔2 d抽取菌藻廢水混合溶液樣品，在離心機上以5000 r/min離心3 min去除廢水中的菌藻，取上清液進行豬場廢水的pH、COD、TN、NH4+-N、TP等水質(zhì)指標測定。pH(水質(zhì)酸堿度)依據(jù)GB 6920-1986采用玻璃電極法測定，COD(水質(zhì)化學需氧量)依據(jù)HJ 828-2017采用重鉻酸鹽法測定，TN(水質(zhì)總氮)依據(jù)HJ 636-2012采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，NH4+-N (水質(zhì)氨氮)依據(jù)HJ 535-2009采用納氏試劑分光光度法測定，TP(水質(zhì)總磷)依據(jù)GB 11893-89采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.5數(shù)據(jù)分析 每個試驗組分別設(shè)置3個平行試驗，試驗數(shù)據(jù)用 SPSS22.0 數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進行one-way ANOVA單因素方差分析，最終的試驗結(jié)果以平均數(shù)±標準差(X±SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1菌藻共生系統(tǒng)生物量外觀觀察 各試驗組間外觀顏色變化如圖1，菌藻共生組顏色總體較單一微藻組綠，特別是卵囊藻和斜生柵藻組，小球藻組菌藻1-4組較單一微藻組顏色更深。

2.2對豬場廢水水質(zhì)pH的影響 通過測定各組pH值發(fā)現(xiàn)，各試驗組pH值不斷上升最終趨于穩(wěn)定，除卵囊藻外，其他試驗大組中菌藻共生組在前8天pH上升幅度均顯著高于相對應(yīng)的單一微藻組(P<0.05)，卵囊藻試驗組中2-2組pH在第4-6 d上升幅度較大。

2.3對豬場廢水COD的處理能力 通過測定各組COD值發(fā)現(xiàn)，4-2組和4-3組及1-4組對廢水COD的處理效果最好，分別達到92.80%、92.70%和92.24%，其中4-3組在試驗前4 d的對廢水COD的處理速率最快。小球藻-光合菌組中，菌藻共生組對廢水COD的處理效果較單一小球藻組均有不同程度的提高，其中1-4組的處理效果(92.24%)較單一小球藻1-1組(85.73%)有顯著提高(P<0.05)。卵囊藻-光合菌組中， 2-2組處理 效果最好(90.53%)，2-4組處理效果最差(84.59%)。萊茵衣藻-光合菌組中，3-3組處理效果最好(91.10%)，但菌藻共生組和單一微藻組之間無顯著性差異(P>0.05)。斜生柵藻-光合菌組中，4-2組和4-3組對廢水COD的處理效果最好，分別達到92.80%和92.70%，顯著高于單一微藻組(P<0.05)。

2.4菌藻共生系統(tǒng)對豬場廢水TN和NH4+-N的處理能力 通過測定各組TN值發(fā)現(xiàn)，小球藻-光合菌組中，菌藻共生組對廢水TN的處理效果較單一小球藻組均有不同程度的提高，其中1-4組的處理效果(83.79%)較單一小球藻1-1組(73.70%)有顯著提高(P<0.05), 卵囊藻-光合菌組中,菌藻共生組對廢水TN 的處理效果較單一小球藻組均有不同程度的提高,且隨著光合菌比例的增加，對TN的處理效果趨于更好，2-4組的處理效果(84.97%)較單一卵囊藻2-1組(71.17%)有顯著提高(P<0.05)。萊茵衣藻-光合菌組中，各組對廢水中TN的處理速率較其他菌藻共生組速率更快，處理效果整體也更好，其中3-4組對廢水TN的處理效果最好達94.73%。斜生柵藻-光合菌組中，各組對廢水的處理效果整體較好，其中4-3組和4-4組對廢水TN的處理效果分別達94.78%和94.62%。

通過測定各組NH4+-N值發(fā)現(xiàn)，各大組中， 菌藻共生組對廢水中NH4+-N的處理效果均比單一微藻組的處理效果好。小球藻-光合菌組中， 菌藻共生組之間無顯著性差異(P>0.05)，但都顯著高于單一微藻組(P<0.05)，其中1-4組處理效果最好，達92.89%。卵囊藻-光合菌組中，2-3組和2-4組處理效果達95.08%和96.45%顯著高于單一微藻2-1組80.56%(P<0.05)。 萊茵衣藻-光合菌組中， 3-3組和3-4組對廢水中NH4+-N的處理效果達 97.82% 和 98.64% 顯著高于單一微藻3-1組(P<0.05)，是所有大組中處理效果最好的兩個小組。斜生柵藻-光合菌組中，菌藻共生組之間無顯著性差異(P>0.05)，但都顯著高于單一微藻組(P<0.05)，其中4-2組處理效果最好，達93.43%。

2.5菌藻共生系統(tǒng)對豬場廢水TP的處理能力 通過測定各組TP值發(fā)現(xiàn)，小球藻-光合菌組中，菌藻共生組對廢水中TP的處理效果均較單一微藻組的處理效果好，其中1-2組的處理效果(93.71%)較單一小球藻1-1組(87.03%)有顯著提高(P<0.05)。卵囊藻-光合菌組中，2-2組的處理效果最好，達94.34%。萊茵衣藻-光合菌組中，菌藻共生組對廢水中TP的處理效果均較單一微藻組處理效果差，且菌比例越高，處理效果越差，其中3-3組和3-4組處理效果分別為80.83%和80.04%，均顯著低于單一微藻組(P<0.05)。斜生柵藻-光合菌組中，4-2組和4-3組對廢水中TP的處理效果和單一微藻組無顯著性差異(P>0.05)，4-4組對廢水中TP的處理效果顯著性低于組內(nèi)其他試驗組(P<0.05)。

3 討論

本研究中，菌藻共生組生物量總體高于單一微藻組，特別是卵囊藻和斜生柵藻組，說明光合菌和微藻之間有協(xié)同共生關(guān)系。各試驗組pH值不斷上升最終趨于穩(wěn)定，在試驗前中期菌藻共生組pH較對應(yīng)的單一微藻組上升更快，迅速達到8.5-9.5之間，提升了微藻的活躍度，這與鄒古月[9]等研究一致。在去除廢水COD方面，斜生柵藻4-2組、4-3組及小球藻1-4組對廢水COD的處理效果最好，分別達到92.80%、92.70%和92.24%，但其他菌藻共生組較相對應(yīng)的單一微藻組并無明顯差異，說明小比例的光合菌對斜生柵藻及大比例的光合菌對小球藻均有顯著促進作用，這表明，光合菌對廢水中低濃度有機質(zhì)有較強的降解轉(zhuǎn)化能力，微藻可以促進廢水中有機物質(zhì)的去除，兩種物質(zhì)起到了協(xié)同作用[10]，這與鐘瑞[11]等人研究一致，隨著光合菌濃度的增加，小球藻對廢水COD的處理效果提高。但本試驗中光合菌只對斜生柵藻和小球藻的作用明顯，且斜生柵藻和小球藻與光合菌的最佳比例并不相同，這有可能不是最優(yōu)比例，有待后續(xù)研究確定。

各菌藻共生組對廢水中TN的處理效果均比相應(yīng)的單一微藻組處理效果好，這表明，光合菌可以促進微藻對豬場廢水中TN的處理效果。其作用機理是，光合菌在厭氧條件下，可以發(fā)生反硝化反應(yīng)，使硝酸氮還原為氣態(tài)氮從而去除廢水中的氮[12]。在去除廢水NH4+-N方面，各菌藻共生組對廢水中氨氮的處理效果均優(yōu)于單一微藻組，說明光合菌對微藻處理廢水中氨氮有促進作用。這可能和光合菌在好氧條件下的生長方式有關(guān)，在好氧條件下光合菌合成細胞原生質(zhì)，廢水中的氨氮可以被光合菌直接吸收消耗[13]。

菌藻共生系統(tǒng)中光合菌比例越大對廢水中TP的處理效果越差，小球藻和卵囊藻的菌藻共生組中，菌藻比1∶350組的處理效果均顯著高于對應(yīng)的單一微藻組。這表明，少量光合菌可以有效促進微藻對廢水中TP的處理效果。光合菌無論在好氧還是厭氧條件下,對磷的去除方式都是通過直接吸收分解去完成的[14]，但高比例的光合菌組并不能起到更好的除磷效果，這可能是因為高比例光合菌和微藻間產(chǎn)生了相互競爭關(guān)系，有研究表明在菌藻共生系統(tǒng)中，當環(huán)境中磷含量較低時，微藻可以產(chǎn)生抑制細菌生長或毒害細菌的物質(zhì)—藻毒素，從而導致細菌的裂解死亡[15]。

4 結(jié)論

菌藻共生系統(tǒng)對豬場廢水的凈化效果優(yōu)于單一微藻，其中斜生柵藻菌藻比1∶35組在去除豬場廢水COD、TN方面效果顯著，小球藻和卵囊藻菌藻比1∶3.5組在去除豬場廢水TP方面有顯著提高。