利用啤酒废水培养极大螺旋藻

王钰舟，杨 雷，张景来，苏仁杰，陈 龙，王婧超

（1. 中国人民大学 环境学院，北京 100872；2. 北京蓝宝酒业有限公司，北京 102407）

啤酒工业的规模化发展导致大量高浓度有机废水的产生。啤酒废水水质变化较大，富含糖类、氨基酸、蛋白质等有机污染物及钾、钙、镁的硅酸盐、磷酸盐等无机污染物，属较高浓度有机废水。该废水虽无毒，但直接排放易导致水体的重度污染。但另一方面，该废水可生化性好（BOD5/COD＞0.3），因此可作为良好的微生物培养基进行资源化利用［1］。

螺旋藻（Spirulinasp.）是一种水生光合放氧的多细胞原核生物，富含蛋白质、维生素、不饱和脂肪酸、多糖和矿物质，具有极其重要的营养、药理及能源化等开发利用价值。自Oswald［2］提出采用微藻处理污水以来，国内外各研究机构纷纷开展了利用废水培养微藻的研究［3-13］。啤酒废水作为一种高浓度有机废水近年来也成为废水培养微藻技术的研究热点。目前的研究都停留在小试阶段，主要通过对废水进行稀释并添加一定量的营养物质配成废水培养基，以探索适宜微藻生长的各种理化条件，而对废水水质对螺旋藻生长影响的研究相对缺乏。

本工作选用极大螺旋藻（Spirulina maxima）为藻种，进行啤酒废水的螺旋藻培养实验，主要目标是通过对培养基及培养条件进行优化，探索一种适合啤酒废水规模化培养螺旋藻的技术。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

NaOH，Na2NO3，Na2HPO4·12H2O：分析纯。

极大螺旋藻：中国科学院水生生物研究所，采用SP培养基纯种培养，培养温度（30±0.1）℃，光照度3 000 lx，光照周期12 h（明）：12 h（暗）。SP培养基的组成（ρ，g/L）：NaHCO313.61，NaCO34.03，K2HPO40.50，Na2HPO4·12H2O 2.50，K2SO41.00，NaCl 1.00，MgSO4·7H2O 0.20，CaCl2·H2O 0.04，FeSO4·7H2O 0.01，微量元素溶液 1 m L/L，pH=9～10。

啤酒废水取自北京某啤酒生产厂，经灭菌、稀释后作为废水培养基。啤酒废水的水质见表1。

表1 啤酒废水的水质 mg/L

721型可见分光光度计：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；CTL-12型化学需氧量速测仪：承德市华通环保仪器有限公司；LX-1010B型数字式照度计：深圳佳信仪器仪表贸易有限公司；PHS-25型pH计：上海精科仪器设备有限公司；JPB-607A型便携式溶解氧测定仪：上海雷磁仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 极大螺旋藻的培养

在1 L锥形瓶中加入 600 m L啤酒废水，用NaOH调节废水pH至9.50，以50 mg/L的接种量加入极大螺旋藻，置于光照度3 000 lx、培养温度30 ℃的光照培养箱中培养，每天测定藻生物量（每m L培养液中极大螺旋藻的质量，以干重计）及离心水样的COD、TN或TP，以COD去除率达到最大值时为一个培养周期。

1.2.2 生长条件实验

分别以稀释至不同初始COD的废水作为培养基，在光照周期为12 h（明）∶12 h（暗）的条件下培养极大螺旋藻10 d，考察初始COD对极大螺旋藻生长的影响。以SP培养基作为对照。

以稀释至适宜的初始COD的废水为培养基，通过氮气吹脱或曝气的方式改变废水的DO，分别在连续光照及黑暗条件下培养极大螺旋藻5 d，考察光照及DO对极大螺旋藻生长的影响。

以稀释至适宜的初始COD的废水为培养基，分别以2.5∶1，5∶1，15∶1，25∶1，35∶1的碳氮质量比添加NaNO3，在光照周期为12 h（明）∶12 h（暗）的条件下培养极大螺旋藻3 d，考察氮元素对极大螺旋藻生长的影响。以不添加NaNO3的相同废水培养基作为对照。

以稀释至适宜初始COD的废水为培养基，根据一定的碳氮质量比添加氮元素，再添加Na2HPO4·12H2O，使废水培养基中氮磷质量比分别为2.5∶1，5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，在光照周期为12 h（明）∶12 h（暗）的条件下培养极大螺旋藻3 d，考察磷元素对极大螺旋藻生长的影响。以不添加Na2HPO4·12H2O的相同废水培养基作为对照。

1.3 分析方法

藻生物量的测定采用分光光度计测定560 nm处培养液的吸光度，根据标准曲线计算培养液中极大螺旋藻的质量浓度（以干重计）。COD的测定采用快速消解分光光度法［14］。TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［15］。TP的测定采用钼酸铵分光光度法［16］。的测定采用紫外分光光度法［17］。的测定采用分光光度法［18］。光照度的测定采用照度计。pH的测定采用pH计。DO的测定采用便携式溶解氧测定仪。

2 结果与讨论

2.1 初始COD对极大螺旋藻生长的影响

在DO=4 mg/L、碳氮磷质量比为598∶8.5∶1的条件下，初始COD对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响见图1。由图1a可见：在初始COD为1 400 mg/L时，极大螺旋藻快速生长1～3 d后，藻生物量不断下降，直至藻种死亡；在初始COD为700，350，175 mg/L时，极大螺旋藻的生长状况较为相似，始终处于增长模式，且当初始COD为700 mg/L时最好。可能的原因是高浓度啤酒废水培养基颜色深，随着极大螺旋藻的快速繁殖，废水的透光性减弱，抑制了极大螺旋藻的进一步生长。由图1b可见：初始COD为1 400 mg/L时废水COD去除率最高仅为45.47%，而初始COD为700 mg/L时废水COD去除率最高可达88.69%。原因是过高的COD破坏了极大螺旋藻自养生长和异养生长之间的平衡机制，使极大螺旋藻在仅利用废水中少部分有机物后即开始死亡，说明极大螺旋藻不能在COD过高的废水中生长。因此，综合考虑藻生物量和废水COD去除率，以下实验采用初始COD为700 mg/L的废水作为极大螺旋藻的培养基。

图1 初始COD对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响

2.2 DO及光照对极大螺旋藻生长的影响

在初始COD为700 m g/L、碳氮磷质量比为598∶8.5∶1时，光照条件下DO对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响见图2。由图2a可见：当DO=2.5 mg/L、培养时间为3 d时，藻生物量最高，达150 mg/L；过高或过低的DO都不利于极大螺旋藻的生长。这是因为在光照条件下，极大螺旋藻的光合自养是一个放氧过程。废水DO过高时会抑制极大螺旋藻的光合自养过程，而DO过低则不利于极大螺旋藻利用废水中的有机物进行异养生长。由图2b可见，各个DO水平下废水COD去除率的差别并不大，说明废水培养基的DO水平不会影响极大螺旋藻对废水中有机物的利用。可能的原因是DO水平只影响极大螺旋藻光合作用的能力，而光合作用所产生的氧气已能满足极大螺旋藻利用有机物的异养生长。

图2 光照条件下DO对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响

在初始COD为700 mg/L、碳氮磷质量比为598∶8.5∶1时，黑暗条件下DO对藻生物量的影响见表2。由表2可见：在黑暗条件下，极大螺旋藻不能进行厌氧生长，即使在有氧的条件下也会在第二天死亡；但当DO=7.5 mg/L（饱和溶解氧）时，藻生物量可在一天内增长2倍，说明极大螺旋藻能在短时间内利用有机物进行繁殖。以上结果说明：极大螺旋藻能在光照条件下进行混养生长，DO既不宜过高也不宜过低；而在黑暗条件下只能当氧气充足时在短时间内进行异养生长。

表2 黑暗条件下DO对藻生物量的影响

2.3 添加氮磷营养元素对极大螺旋藻生长的影响

在初始COD为700 mg/L、DO=2.5 mg/L、氮磷质量比为25∶1的条件下，不同碳氮质量比对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响见图3。由图3a可见：与对照实验相比，向废水培养基中添加一定量的氮元素，培养1 d时极大螺旋藻的生长均加快；培养3 d后，碳氮质量比为15∶1的废水中极大螺旋藻的生长最快。由图3b可见，碳氮质量比为15∶1时废水COD去除率最高。因此，本实验适宜的碳氮质量比为15∶1。

图3 不同碳氮质量比对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响

在初始COD为700 mg/L、DO=2.5 mg/L、碳氮质量比为15∶1的条件下，不同氮磷质量比对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响见图4。由图4a可见：在前2 d的培养中，不同氮磷质量比的废水中的藻生物量差别较小；但在第3天时，氮磷质量比为15∶1的废水中极大螺旋藻生长最快，说明废水中磷元素含量过低或过高都不适宜极大螺旋藻的生长。由图4b可见，培养3 d后，不同氮磷质量比的废水的COD去除率差别也不大，但添加磷元素的废水的COD去除率均高于对照实验的结果，这可能是极大螺旋藻利用有机物代谢时主要通过磷酸戊糖途径，添加磷元素后能加快极大螺旋藻对有机物的利用。因此，本实验适宜的氮磷质量比为15∶1。

综上所述，在采用啤酒废水培养极大螺旋藻时，应以碳氮磷质量比为225∶15∶1的比例添加氮元素和磷元素。

图4 不同氮磷质量比对藻生物量（a）和废水COD去除率（b）的影响

2.4 极大螺旋藻的产量及啤酒废水的处理效果

在实验确定的最佳条件下用啤酒废水培养极大螺旋藻，培养3 d后的藻生物量为175.55 mg/L，即极大螺旋藻在啤酒废水中的产量为175.55 g/t。培养前后啤酒废水的水质见表3。由表3可见，经过培养极大螺旋藻后，啤酒废水的各项污染物指标都得到了改善，废水中COD，TN，NH3-N，NO3-，TP的去除率分别达到85.43%，94.54%，74.66%，94.53%，61.54%。说明利用啤酒废水培养极大螺旋藻，可在收获藻体生物资源的同时，对废水起到一定的净化作用，虽然不能完全达标排放，但也大幅降低了后续废水处理的污染负荷。

表3 培养前后啤酒废水的水质 mg/L

3 结论

a）啤酒废水中极大螺旋藻的最佳培养条件：初始COD 700 mg/L，DO 2.5 mg/L，pH= 9.50，添加氮磷元素至培养基的碳氮磷质量比225∶15∶1。

b）在最佳条件下培养3 d，藻生物量达175.55 mg/L，即极大螺旋藻的产量为175.55 g/t；废水中TP的去除率分别达到85.43%，94.54%，74.66%，94.53%，61.54%。

c）本方法在收获螺旋藻生物质的同时实现了啤酒废水的净化处理，说明利用啤酒废水培养螺旋藻是一个值得探索的废水资源化利用方向。

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