兩種海藻對模擬海水養(yǎng)殖廢水脫氮、除磷能力研究

王紹遷 張恩棟 王思涵

摘? ? 要：利用固定化海洋微藻進(jìn)行海水水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氮、磷的去除能力研究。首先探討了海洋微藻小球藻（Chlorella sp.）和綠色巴夫藻（Pavlova viridis）對高濃度氨氮的耐受性。其次研究了海藻的脫氮、除磷能力。結(jié)果表明：2～10 d微藻生長與對照比無抑制現(xiàn)象，表明兩種海洋微藻對20～100 mg·L-1氨氮具有強(qiáng)耐受力。固定化膠球中細(xì)胞密度對氮磷去除有影響，對氮去除的適宜藻細(xì)胞密度是250萬·膠球-1，對磷高去除的細(xì)胞密度是1 000萬·膠球-1。小球藻的脫氮除磷能力大于綠色巴夫藻，在50 mg·L-1初始濃度下，5 d氨氮去除率為33.8%。5 d磷最高達(dá)到32.0%。去污結(jié)束時(shí)，藻細(xì)胞均有生長，固定化細(xì)胞1 000萬·膠球-1增長率最低。本研究可為藻類凈化海水養(yǎng)殖廢水提供一定參考。

關(guān)鍵詞：固定化;海藻;海水養(yǎng)殖廢水;污水處理

中圖分類號：X173;X55? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.04.017

Research of Removal Capacity of Ammonia-Nitrogen and Phosphate-Phosphorus from Simulated Mariculture Wastewater by Two Species of Marine Microalgae

WANG Shaoqian1，2，ZHANG Endong1，WANG Sihan1

（1.School of Life Science， Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116081， China; 2.Yutai No. 1 Senior High School， Jining， Shandong 272300， China）

Abstract：The purpose of this study is to clarify the removal ability of ammonia-nitrogen and phosphate-phosphorus from marine aquaculture wastewater by immobilized marine microalgae. Firstly， the tolerance of marine microalgae Chlorella sp. and Pavlova viridis to high concentrations of ammonia-nitrogen was studied. Secondly，the removal rates of ammonia-nitrogen and phosphate-phosphorus were detected. The results showed that the growth of microalgae was not inhibited by ammonia-nitrogen during 2-10 d， indicating that the two marine microalgae had strong tolerance to 20-100 mg·L-1 ammonia-nitrogen. Nitrogen and phosphorus removal efficiency can be influenced by cell density of immobilized beads. The optimal cell density of algae for nitrogen removal was 2.5 million·bead-1， and the optimal cell density for high phosphorus removal was 10 million·bead-1. The nitrogen and phosphorus removal capacity of Chlorella sp. was higherthan that of Pavlova viridis.While， the ammonia-nitrogen removal rate had reached 33.8% at the initial concentration of 50 mg·L-1 ammonia-nitrogen after 5 d and phosphate-phosphorus removal rate was 32.0%. After wastewater treatment， the counts of cells increased under each condition.The immobilized cells had the lowest growth rate at density of 10 million per bead. Some reference for the purification of marine aquaculture wastewater by algae maybe provided.

Key words： immobilized; marine algae; marine aquaculture wastewater; wastewater treatment

隨著人們對海產(chǎn)品需求量增大，海水養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展。沿海育苗場及養(yǎng)殖場廢水排放量與日俱增，導(dǎo)致近岸海域水質(zhì)惡化。由于海水鹽度效應(yīng)增加了處理難度和海水養(yǎng)殖廢水中殘余飼料和排泄物中有機(jī)物、氨氮、磷的積累[1-2]，對水體造成嚴(yán)重污染。同時(shí)氨氮也是水產(chǎn)養(yǎng)殖的脅迫因子，對集約化養(yǎng)殖牙鲆[3]、青鳉[4]、刺參[5]等動(dòng)物[6]的生長、能量代謝和免疫力等造成不良影響，甚至導(dǎo)致死亡。藻類處理方法已廣泛應(yīng)用于營養(yǎng)物質(zhì)去除研究中[7-8]，利用藻類去除氮、磷的生物處理方法與物理、化學(xué)方法相比具有高效、低耗和不帶來二次污染的特點(diǎn)[9]。此外，與傳統(tǒng)活性污泥法比，藻類處理產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的生物量可以用來制備生物燃料使得該方法具有經(jīng)濟(jì)效益[8]。除了作為可再生資源的生物質(zhì)[10]，使用微藻在污水處理中可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳生物固定[11-12]，微藻直接吸收氨和磷酸鹽，并協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞生長和代謝功能，具有成本效益和可行性。固定化技術(shù)使得藻細(xì)胞濃度高，有利于藻類的收獲，同時(shí)減少有毒物質(zhì)的毒性而使體系更穩(wěn)定[13]。適宜藻種的篩選、處理?xiàng)l件的選擇、處理系統(tǒng)的優(yōu)化都將影響到污染物處理效果和生物質(zhì)能的獲得。有一些利用小球藻[13-16]、綠色巴夫藻[17]、江蘺[18]等進(jìn)行海水養(yǎng)殖廢水氮磷去除研究的實(shí)例，包括對藻細(xì)胞數(shù)量、養(yǎng)殖水體稀釋率、溫度、光照和鹽度等[19-20]。但仍有很多需要解決的問題[21]，其中具有較好氮磷去除能力的藻種的獲得也是一個(gè)關(guān)鍵，本文研究了小球藻和綠色巴夫藻對高氨氮的耐受性和固定化藻膠球細(xì)胞密度對污水中氮、磷去除能力影響，旨在為藻類海水養(yǎng)殖廢水凈化技術(shù)提供一定參考。

1 材料和方法

（1）藻種及培養(yǎng)：小球藻（Chlorella sp.，遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院），綠色巴夫藻（Pavlova viridis，遼寧師范大學(xué)藻類生理生化實(shí)驗(yàn)室）。使用f/2培養(yǎng)基，溫度為（24±2）℃，光強(qiáng)為2 500±100 lux，光周期10∶14（光∶暗），光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，繪制生長曲線，取靜止初期材料進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）氨氮耐受試驗(yàn)：以f/2培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，添加氯化銨和磷酸二氫鈉，使NH4 + -N濃度為0，20，40，80，100 mg·L-1，PO4? 3? ? ?--P 1.5 mg·L-1，高壓滅菌后使用。藻離心（3 000 r·min-1，10 min）后，培養(yǎng)在200 mL人工污水中，使接種細(xì)胞密度為1.0×106 cell·mL-1，同藻培養(yǎng)相同條件培養(yǎng)后，每24 h測定生長狀況。

（3）固定化和脫固定化方法：藻細(xì)胞用無氮、磷f/2培養(yǎng)基懸浮，與6%海藻酸鈉溶液等體積混合。用帶7號針頭注射器滴入0.1 M CaCl2中，靜置1 h后用無氮、磷培養(yǎng)基洗滌后使用。固定化海洋微藻細(xì)胞膠球密度分別為2.5×106，5.0×106，1.0×107 cell·膠球-1，膠球靜止培養(yǎng)，培養(yǎng)條件同材料培養(yǎng)。脫固定時(shí)取海藻膠球加入3%的檸檬酸鈉溶液定容，膠球溶解后計(jì)數(shù)。

（4）模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水：模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中其他條件同藻培養(yǎng)，氨氮濃度為50 mg·L-1，使PO4? 3? ? ?--P濃度為5 mg·L-1，每24 h測定氮、磷。

（5）指標(biāo)測定：生物量采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)藻細(xì)胞密度，氨氮采用靛酚藍(lán)法[22]，PO4? 3? ? --P采用磷鉬藍(lán)分光光度法[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種海藻對氨氮的耐受性

小球藻、綠色巴夫藻隨時(shí)間生長狀況如圖1所示，小球藻（圖1-A）、綠色巴夫藻（圖1-B）在0，20，40，80和100 mg·L-1氨氮模擬廢水中生長。20～100 mg·L-1氨氮添加后的第1天均出現(xiàn)生長延滯，第2～10天微藻生長良好，與對照比無明顯抑制現(xiàn)象，表明兩種海洋微藻對高濃度氨氮具有強(qiáng)耐受能力。

2.2 固定化小球藻和綠色巴夫藻脫氮、除磷研究

2.2.1 膠球細(xì)胞密度對脫氮、除磷的影響 靜止培養(yǎng)條件下考察兩種藻去除氮、磷能力（圖2）。隨時(shí)間增加，氨氮去除率逐漸增大。

當(dāng)膠球細(xì)胞密度為250萬·膠球-1（圖2A），小球藻5 d氨氮去除率達(dá)到33.8%，去除量達(dá)到16.9 mg·L-1，而500萬·膠球-1，1 000萬·膠球-1去除率低于250萬·膠球-1。去除氨氮能力優(yōu)于已發(fā)表的小球藻[13]。綠色巴夫藻細(xì)胞膠球密度為250萬·膠球-15 d氨氮去除率最高達(dá)到28.0%（圖2B），去除量達(dá)到14.0 mg·L-1。去除氨氮能力優(yōu)于已發(fā)表的綠色巴夫藻[18]?？瞻啄z球?qū)Π钡幸欢ㄎ阶饔茫?00萬·膠球-1，1 000萬·膠球-1密度下由于光的相互遮擋影響對高膠球細(xì)胞條件下對氮的吸收下降，也可能是膠球的傳質(zhì)效率下降[23]。

小球藻細(xì)胞膠球密度為1 000萬·膠球-1時(shí)（圖3-A），5 d磷去除率最高達(dá)到31.1%。綠色巴夫藻細(xì)胞膠球密度為1 000萬·膠球-1最高達(dá)到21.2%（圖3-B）?？瞻啄z球?qū)α子幸欢ǖ奈阶饔谩煞N海藻適宜除磷膠球細(xì)胞密度1 000萬·膠球-1。

2.2.2 藻細(xì)胞生存力? ?2種海藻污水處理前后細(xì)胞數(shù)見圖4。固定化后海藻生長狀況良好，細(xì)胞有增量，隨著初始細(xì)胞負(fù)載增大，綠色巴夫藻生長速率下降明顯。綠色巴夫藻在1 000萬cell·膠球-1條件下，很明顯其生長受到抑制，原因可能是因高細(xì)胞密度導(dǎo)致光照減少生長受到影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 兩種海藻對氨氮的耐受性

廢水中的氨氮毒性是限制藻類技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用的因素之一[24]。高濃度的氨氮中游離氨和NH4 + 互相轉(zhuǎn)換，對微藻起毒害做用的主要是游離氨[25]。游離氨為不帶電荷的脂溶性物質(zhì)，容易通過膜擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，對大多數(shù)微藻產(chǎn)生毒害作用[26-27]，抑制藻類生長。姜人源等[25]研究利用藻類對沼液高氨氮去除時(shí)，當(dāng)ρ（NH3-N）為126 mg·L-1，小球藻生長良好，生物質(zhì)濃度為4. 91 g·L-1。當(dāng)ρ（NH3-N）為205 mg·L-1時(shí)，小球藻生長明顯受抑制。而本試驗(yàn)小球藻、綠色巴夫藻對20～100 mg·L-1氨氮具有耐受性。藻類生長良好，沒有受到明顯的抑制。

3.2 固定化小球藻和綠色巴夫藻脫氮、除磷研究

固定化能夠顯著提高藻細(xì)胞的穩(wěn)定性和壽命等，有利于后續(xù)的收獲。而包埋法因操作簡單、成本低、對細(xì)胞傷害小而廣泛被使用[28-29]。藻細(xì)胞的包埋密度和藻球用量影響污染物的去除效果。已有研究均表明，NH4 +? -N 和PO4? 3? --P 的去除率隨著淡水藻細(xì)胞包埋密度的增加而增加。但是低包埋密度條件下單位細(xì)胞對氮、磷的去除效果優(yōu)于高密度[30-31]。與丁一等[13]和本研究關(guān)于密度對小球藻凈化海水養(yǎng)殖廢水試驗(yàn)結(jié)論一致。

氮營養(yǎng)鹽水平對微藻生長及營養(yǎng)鹽代謝有重要影響，可被利用并合成蛋白質(zhì)、核酸等。小球藻生物量、比生長速度、生物量生產(chǎn)率均隨氨氮濃度的增加先增加后降低[31]。磷也是微藻生長必需的營養(yǎng)元素之一，廢水中磷的去除效果直接受藻類生長狀況影響。藻類因自身特殊生理結(jié)構(gòu)和新陳代謝能力，能利用污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)，本文中的小球藻的脫氮除磷能力大于綠色巴夫藻。藻類生理是一個(gè)復(fù)雜的過程，對氮磷的吸收利用也跟代謝水平、碳、氮、磷比[32]、溫度、光等內(nèi)外因素有關(guān)。因此，在進(jìn)行污水資源化利用過程中注意培養(yǎng)方式既能高效凈化污染物，又能達(dá)到與生物質(zhì)積累的耦合。

固定化藻細(xì)胞技術(shù)能保持較高的藻細(xì)胞負(fù)載。在試驗(yàn)中細(xì)胞負(fù)載需要調(diào)整到適合的大小，密度增加可導(dǎo)致光照減少而影響細(xì)胞生長。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)的低光照條件下，光照強(qiáng)度與藻類光合作用效率成正比[33]，但有關(guān)海水固定化微藻報(bào)道較少。對新月菱形藻制備參數(shù)對藻球性質(zhì)研究表明，不同褐藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同溶劑對固定化藻球藻細(xì)胞生長及去氮磷效率影響顯著，其中以3.0%褐藻酸鈉加海水的藻細(xì)胞生長最快，去除氮磷效率最佳[34]。與本研究采用3.0%的褐藻酸鈉載體濃度一致。小球藻和綠色巴夫藻在試驗(yàn)條件下生長良好。

在微藻中，無機(jī)氮在微藻中的同化作用與碳代謝相關(guān)，需要酮酸形式的碳骨架將N轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物。磷是參與無數(shù)代謝途徑的重要元素，是磷脂、核苷酸的結(jié)構(gòu)成分，也是生物能量貨幣ATP的組成部分。N、P可轉(zhuǎn)化并用與藻類生長和代謝。本研究中兩種海藻在靜置模擬模式中具有良好的脫氮、除磷能力，為后續(xù)氣升式反應(yīng)器研究奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，小球藻、綠色巴夫藻對20～100 mg·L-1氨氮具有耐受性，在50 mg·L-1初始濃度氨氮和5 mg·L-1磷酸磷的模擬海水養(yǎng)殖廢水中，靜置模式下5 d具有良好的脫氮、除磷潛能，可作為海水養(yǎng)殖廢水脫氮除磷備選藻種。

參考文獻(xiàn)：

[1] LU S L， WANG Q Z， GAO M C， et al. Effect of aerobic/anoxic duration on the performance，microbial activity and microbial community of sequencing batch biofilm reactor treating synthetic mariculture wastewater[J]. Bioresource Technology， 2021， 333： 125198.

[2] 尹延明， 高怡菲， 李伊晗， 等. 電氧化法去除海水養(yǎng)殖循環(huán)水中氨氮機(jī)制研究[J]. 水處理技術(shù)， 2021， 47（6）： 70-74， 79.

[3] 韓英， 藺佳文， 呂曉楠， 等. 氨氮急性脅迫下二、三倍體雌性虹鱒應(yīng)激耐受性比較[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 52（5）： 49-58.

[4] 高娜， 朱麗梅， 于德良， 等. 長期高氨氮暴露對海水青鳉毒理效應(yīng)的蛋白質(zhì)組學(xué)研究[J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào)， 2017， 36（5）： 40-48.

[5] 胡煒， 趙斌， 李成林， 等. 慢性氨氮脅迫對刺參攝食與消化酶活性的影響[J]. 中國水產(chǎn)科學(xué)， 2018， 25（1）： 137-146.

[6] 韓朝婕， 陳屹洋， 賀振楠， 等. 氨氮脅迫對水產(chǎn)動(dòng)物生長、消化酶及免疫影響的研究進(jìn)展[J]. 河北漁業(yè)， 2021（5）： 32-35.

[7] 馬航， 李之鵬， 柳峰， 等. 微藻膜反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖廢水性能及膜污染特性[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2019， 40（4）： 1865-1870.

[8] ARUN S， SINHAROY A， PAKSHIRAJAN K， et al. Algae based microbial fuel cells for wastewater treatment and recovery of value-added products[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2020， 132： 110041.

[9] CHAN A SALSALI H， MCBEAN E. Nutrient removal （nitrogen and phosphorous） in secondary effluent from a wastewater treatment plant by microalgae[J]. Canadian Journal of Civil Engineering， 2014， 41（2）： 118-124.

[10] DAS S， NATH K， CHOWDHURY R. Comparative studies on biomass productivity and lipid content of a novel blue-green algae during autotrophic and heterotrophic growth[J]. Environmental Science and Pollution Research International， 2021， 28（10）： 12107-12118.

[11] KONG W W， SHEN B X， LYU H H， et al. Review on Carbon dioxide fixation coupled with nutrients removal from wastewater by microalgae[J]. Journal of Cleaner Production， 2021， 292： 125975.

[12] HU X， LIU B， ZHOU J， et al. CO2 fixation， lipid production， and power generation by a novel Air-Lift-Type microbial Carbon capture cell system[J]. Environmental Science & Technology， 2015， 49（17）： 10710-10717.

[13] 丁一， 侯旭光， 郭戰(zhàn)勝， 等. 固定化小球藻對海水養(yǎng)殖廢水氮磷的處理[J]. 中國環(huán)境科學(xué)， 2019， 39（1）： 336-342.

[14] 王偉偉， 陳書秀， 錢瑞， 等. 海水養(yǎng)殖廢水預(yù)處理方法與微藻藻種篩選[J]. 水產(chǎn)科學(xué)， 2014， 33（3）： 181-185.

[15] 陳凡雨， 徐仲， 尤宏， 等. 缺氧MBR-MMR處理海水養(yǎng)殖廢水性能及膜污染特性[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2020， 41（6）： 2762-2770.

[16] 崔偉， 高鋒， 朱鳳， 等. 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[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019， 38（1）： 68-75.

[17] 馬冬冬. 基于微藻的光-膜組合式生物反應(yīng)器處理海水養(yǎng)殖業(yè)廢水[D]. 青島： 中國海洋大學(xué)， 2005.

[18] 鐘非， 黎慧， 仲霞銘， 等. 四種餌料微藻對海水養(yǎng)殖水體N、P的去除研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2011， 34（11）： 113-117.

[19] CHEN X， XIANG Z Z， HUANG X， et al. Effect of C/N ratio on Nitrogen removal of A/O-MBBR process for treating MaricultureWastewater[J]. Journal of Ocean University of China， 2021， 20（4）： 879-885.

[20] GAO Y， GUO L， LIAO Q， et al. Mariculture wastewater treatment with Bacterial-Algal Coupling System （BACS）： Effect of light intensity on microalgal biomass production and nutrient removal[J]. Environmental Research， 2021， 201： 111578.

[21] JIAQI S， LIFEN L， FENGLIN Y. Successful bio-electrochemical treatment of nitrogenous mariculture wastewater by enhancing Nitrogen removal via synergy of algae and cathodic photo-electro-catalysis[J]. The Science of the Total Environment， 2020， 743： 140738.

[22] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分： 海水分析：GB 17378.4-2007[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2008.

[23] TANAKA H， MATSUMURA M， VELIKY I A. Diffusion characteristics of substrates in Ca-alginate gel beads[J]. Biotechnology and Bioengineering， 1984， 26（1）： 53-58.

[24] LU Q， CHEN P， ADDY M， et al. Carbon-dependent alleviation of ammonia toxicity for algae cultivation and associated mechanisms exploration[J]. Bioresource Technology， 2018， 249： 99-107.

[25] K?LLQVIST T， SVENSON A. Assessment of ammonia toxicity in tests with the microalga， Nephroselmis pyriformis， Chlorophyta[J]. Water Research， 2003， 37（3）： 477-484.

[26] 姜人源， 朱順妮， 王忠銘， 等. 不同pH條件下小球藻氨氮處理及生物質(zhì)生產(chǎn)能力[J]. 環(huán)境工程， 2021， 39（9）： 42-47.

[27] 羅龍?jiān)恚?林小愛， 朱峰， 等. 曝二氧化碳?xì)怏w對近具刺鏈帶藻在高氨氮廢水中生長的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2019， 31（9）： 1541-1548.

[28] 楊坤， 侯冠軍， 趙秀俠， 等. 固定化柵藻對養(yǎng)殖廢水的凈化效果及生長研究[J]. 漁業(yè)研究， 2019， 41（6）： 509-513.

[29] 丁玉惠， 黃晨， 陳鏘， 等. 固定化新月菱形藻的制備及其對N、P吸收的影響[J]. 寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2017， 30（3）： 12-18.

[30] 梁晶晶， 蔣霞敏， 江茂旺， 等. 固定化微綠球藻去除NH4 + -N、PO4? 3 --P效果的研究[J]. 水生生物學(xué)報(bào)， 2016， 40（5）： 1033-1040.

[31] 孔佳， 沈伯雄， 孔文文， 等. 微藻在不同氨氮條件下固定CO2耦合凈化廢水的實(shí)驗(yàn)研究[J/OL]. 環(huán)境工程： 1-15. （2022-01-11）[2022-01-12]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2097.X.20220110.1759.004.html.

[32] 商洪國， 吳楠， 韓飛， 等. 微藻對海水養(yǎng)殖循環(huán)水高效碳氮磷一體化去除的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 41（9）： 3408-3417.

[33] 婁孝飛， 杜延生， 張海平. 基于細(xì)胞尺度的光照對四尾柵藻生長的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué)， 2020， 40（11）： 5020-5026.

[34] 黃晨， 蔣霞敏， 韓慶喜， 等. 新月菱形藻（Nitzschia closterium）制備參數(shù)對藻球性質(zhì)及去氮磷效果的影響[J]. 寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2020， 33（1）： 32-37.