莱茵衣藻Chlammydomonasreinhardtii净化酒糟废水研究

余 江， 王 萍, 冉宗信， 赵 亮， 杨 春

( 1. 四川大学 建筑与环境学院， 四川 成都 610065； 2. 四川大学 新能源与低碳技术研究院， 四川 成都 610065; 3. 成都市环境保护科学研究院 固体废物与危险化学品管理研究所， 四川 成都 610072; 4. 四川师范大学 化学与材料科学学院， 四川 成都 610066)

莱茵衣藻Chlammydomonasreinhardtii净化酒糟废水研究

余 江1，2， 王 萍1，2, 冉宗信1，2， 赵 亮3， 杨 春4

( 1. 四川大学 建筑与环境学院， 四川 成都 610065； 2. 四川大学 新能源与低碳技术研究院， 四川 成都 610065; 3. 成都市环境保护科学研究院 固体废物与危险化学品管理研究所， 四川 成都 610072; 4. 四川师范大学 化学与材料科学学院， 四川 成都 610066)

通过结合废水处理与能源微藻培养，既可以实现废水的无害化处理，也可以为微藻的培养提供营养组分和大量水源.以莱茵衣藻(Chlammydomonasreinhardtii)为实验材料，以酒糟废水为培养基，构建室内微型生态系统，考察了不同处理方法下的酒糟废水接种莱茵衣藻后的总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的去除情况以及微藻蛋白提取情况.结果表明：酒糟废水稀释液初始TN质量浓度位于9.39 ～30.86 mg·L-1时，废水总氮去除率在70%～80%之间；初始TP质量浓度位于3.45～10.93 mg·L-1时,总磷去除率较高，最高达到86.59%；不同稀释倍数的酒糟废水COD去除率均高于50%.而稀释80倍、50倍以及 50倍(氮磷质量浓度比为108∶7)的藻可溶性蛋白增长均比较明显，最大值可达到11.36 mg·L-1，同时也说明通过外加氮、磷调节氮磷的初始质量浓度比至108∶7,可大大提高其产量.总体上，在稀释倍数为50倍(TN、TP初始质量浓度分别为18.23、6.99 mg·L-1)时，莱茵衣藻生长良好，废水中TN、TP、COD去除效果均比较明显，对水质的净化效果最佳，同时可获得较高质量浓度的藻可溶性蛋白，这为酒糟废水与微藻耦合规模化培养提供了一种新的思路.

酒糟废水； 莱茵衣藻； 总氮； 总磷； COD； 可溶性蛋白

酒精行业产生的蒸馏废液-酒糟废水含有高浓度有机物(COD质量浓度达到30 000～80 000 mg·L-1)、高浓度悬浮物(SS质量浓度达到20～30 g·L-1)、高营养且难以处理和再利用的物质，是轻工业重要的污染性废水之一[1].由于酒糟废水可生化性强，属于易降解有机废水，通常采用物理、化学、生物等方法处理，其中生化法最具竞争力，如USAB-UBF-SBR法、UASB-生物接触氧化法、AFB-CASS法等[2-4].但由于生化法在处理能力和处理时间上仍存在很多难以攻克的问题，使其应用受到一定限制.随后又出现了如超临界水氧化法、高效浓缩燃烧法、光催化氧化法等，这些方法作为高效、快速的处理方法具有很大的发展潜力，但用于大规模处理中，费用较高，而且高温高压对设备具有很强腐蚀性，故目前还只是处于试验阶段.由于酿酒的原料均采用农作物，其中生产酒只利用了原料中的淀粉或糖分，其他成分不仅未能利用，而且在发酵过程中会产生多种氨基酸和蛋白质[5].这些成分是宝贵的物质资源，如果随废水一起处理，会因负荷高而耗费较多的基建投资和运行费用，影响企业治废的积极性,因此，寻求经济、实用、合适的酒糟废水处理手段对酒精产业的健康发展具有重要意义.

微藻是单细胞或多细胞光合微生物，具有繁殖速率快，光合效率高，产油量高，生长条件温和等优点.利用微藻处理废水，可降低废水中的有机物和营养物质(N、P)的质量浓度，达到净化废水水质的效果[6].同时，微藻由于其产油率高，体积小，易于干燥和粉碎，后续生产生物燃料要求较低，近些年常被称作是生产生物柴油最有潜力的替代原料[7].然而就利用微藻处理酒糟废水的试验，国内相关研究甚少.鉴于此，本研究尝试把酒糟废水处理与微藻养殖耦联，不仅能有效解决酒糟废水难以彻底处理的问题，同时还变“废”为“宝”，资源循环利用生产出另一种更具市场竞争力的高附加值产品.相比酒糟废水的其他处理方法，该方法无疑是一项成本低、能耗少、效益高、开发潜力巨大的环保工程.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 酒糟废水 选用四川省成都市某酒厂废水.将酒糟废水经中速分析滤纸抽滤后收集滤液，再经0.45 μm微孔滤纸二次抽滤至水样澄清，取滤液置于高压灭菌锅(T=121 ℃，t=30 min)中灭菌，待到清液温度降至室温后置于冰箱内冷藏备用.经分析得酒糟废水清滤液主要水质为:TN、TP、COD分别为928.3、342.8、32 392.5 mg·L-1.

1.1.2 藻种 莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)藻种来自四川大学生命科学学院藻种室，接种于WC medium培养基内，于光照培养箱(T=20 ℃,光照强度为2 000 lx)内静止培养.WC medium培养基配比见表1.

表 1 WC medium培养基各成分配比

1.2 酒糟废水接种莱茵衣藻预培养 于5只250 mL洁净三角瓶中分别加入稀释0倍、30倍、50倍、80倍、100倍的废水，培养20 d.期间观察藻的长势，为后期实验废水稀释倍数的选择作参考.

1.3 酒糟废水接种莱茵衣藻实验方案 在5只250 mL洁净三角瓶中分别加入稀释30倍、50倍、80倍、100倍、50倍(调节氮磷的初始质量浓度比至108∶7)的酒糟废水清滤液100 mL，在无菌条件下接入与预培养阶段相同量的莱茵衣藻，在设定温度为25 ℃，光照2 000 lx，光暗比12 h/12 h的光照培养箱内静置培养，以17 d为第一试验周期，定时摇瓶、取样用作测定各培养液TN、TP、COD、可溶性蛋白质量浓度，同时添加与取样时培养液质量浓度一致的废水稀释液于相应培养液中使得培养液体积不变.

将稀释50倍的废水通过外加氮磷调节至莱茵衣藻生长所需适宜的初始N、P质量浓度(根据前期实验所得氮磷的质量浓度比为108∶7)，旨在探究衣藻在营养充足的条件下对废水的净化能力.

1.4 分析方法 总氮、总磷的测定分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)和钼酸铵分光光度法 (GB11893-89)；COD质量浓度测定采用快速催化法；可溶性蛋白的测定应用考马斯亮蓝G-250染色法[8].

2 结果与分析

2.1 不同营养条件下莱茵衣藻对废水中TN、TP、COD去除 从图1(a)可以看出：不同稀释倍数的废水接种衣藻后TN质量浓度均呈不断下降的趋势.由此可以表示稀释倍数在由30到100倍的范围内，衣藻对废水均具有明显的TN去除作用，随着废水浓度的不断提高，TN总去除速率从0.409 mg·(L·d)-1(稀释100倍)增加到1.412 mg·(L·d)-1(稀释30倍)，具有稀释倍数越低，TN去除速率越高的大致规律.而将稀释50倍调节至50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7) 条件时，虽然TN质量浓度有下降趋势，但其终端TN质量浓度相对稀释50倍初始TN质量浓度高出太多，说明调节培养液的初始N，P质量浓度使废水初始TN质量浓度处于较高水平对废水TN的去除并无效果.

图2(a)的结果表示：当废水中TN初始质量浓度在9.39～30.86 mg·L-1时，衣藻细胞能吸收并同化大部分废水中的氮，总氮去除率在70%～80%之间.但随着废水中初始TN质量浓度的进一步升高，TN去除率急剧下降，由原来的72.1%(50倍，TN初始质量浓度为18.23 mg·L-1)降低至35.29%(50 倍 以及氮磷的质量浓度比为108∶7， 此时TN初始质量浓度为103.81 mg·L-1).说明高质量浓度含氮量的废水对总氮的吸收具有饱和性.邓旭等[9]利用莱茵衣藻处理含氮质量浓度在15 ～75 mg·L-1的人工废水试验中，当废水含氮质量浓度达到75 mg·L-1时，氮去除率降低到50%左右，说明藻细胞对氮的吸收达到基本饱和.

图1(b)和图2(b)表示衣藻对废水TP在3.45 ～10.93 mg·L-1时，具有明显的去除效果.当废水稀释50倍(TP初始质量浓度为6.99 mg·L-1)，TP去除率最高，达到86.59%，同时，调节氮磷的质量浓度比为108∶7(50倍)时，TP去除率从76.59%增加到85.47%，说明通过外加氮磷的方式改变废水的初始TP质量浓度在一定程度上能促进衣藻细胞对磷的同化，达到更好的去除效率.另外，100倍、80倍、50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7)3组均在衣藻生长第6天以后TP质量浓度趋于平缓并有小幅度的上升，这是因为到培养后期，培养基中的N、P难以满足微藻生长需求，部分微藻死亡又重新释放一定量的氮和磷[10].

图3结果表明，不同稀释倍数的废水COD去除率均高于50%，当废水稀释30倍(初始COD质量浓度为1 253 mg·L-1)时，COD去除率达到最高(67.04%).随着废水质量浓度的提高，衣藻对废水的COD的去除能力随之提高，说明在废水COD质量浓度位于351 ～1 253 mg·L-1时，适当提升废水的浓度有利于提高处理效率.梁锏文等[11]利用微藻处理丁醇废水的试验结果表示，随着培养基中废水质量浓度的增加(超过50%，CODcr质量浓度位于16 981 mg·L-1以上)，微藻对废水中总氮的去除能力随之下降，说明过高质量浓度废水会抑制小球藻的生长.莱茵衣藻降低酒糟废水COD的废水质量浓度也应存在转折点.

而调节50倍调节至50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7)反倒使得COD去除率最低，说明通过外加氮磷调节废水的初始氮磷至最佳虽然能促进藻细胞的生长，但对废水的COD去除并没有实际的贡献.

图4表明废水初始COD质量浓度相近时，COD下降趋势基本相同，且都在生长对数期(第3～6天)具有最高的去除速率，之后去除效果并不明显.

2.2 不同营养条件下酒糟废水对莱茵衣藻生化特性的影响 由图5可看出，不同稀释倍数条件下，莱茵衣藻可溶性蛋白质量浓度随培养时间大致呈现先逐渐上升直至平衡的趋势.

其中稀释80倍和50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7)的藻可溶性蛋白增长幅度高于其他实验组，到实验周期结束时，其可溶性蛋白质量浓度分别达到10.18 、11.36 mg·L-1，但并无显著性差异(P>0.05).结合不同稀释倍数下废水氮磷质量浓度变化及去除率变化趋势，稀释80倍的氮磷质量浓度下降幅度最大，莱茵衣藻细胞则可最大限度地利用培养液中的无机态氮通过光能自养的方式合成自身所需的各类蛋白质[12-14].而调节50倍至50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7)，衣藻细胞可溶性蛋白质量浓度从6.16 增加到11.36 mg·L-1，说明在酒糟废水中按照衣藻最佳生长N/P外加氮磷对其藻细胞生长有很大的促进作用.

3 结论

对莱茵衣藻净化酒糟废水的能力进行了分析，考察不同稀释倍数的酒糟废水以及外加氮磷调节初始N/P质量浓度的酒糟废水在接种莱茵衣藻后的TN、TP、COD去除情况和可溶性蛋白的产生情况.研究结果表明：

1) 当酒糟废水稀释液初始TN质量浓度位于9.39～30.86 mg·L-1时，废水总氮去除率均在70%～80%之间.但从稀释50倍(TN初始质量浓度为18.23 mg·L-1)调节至50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7，TN初始质量浓度为103.81 mg·L-1)，TN去除率急剧下降，由原来的72.1%降低至35.29%.

2) 酒糟废水初始TP质量浓度位于3.45～10.93 mg·L-1时TP去除效果明显，废水稀释50倍时(TP初始质量浓度为6.99 mg·L-1)，TP去除率最高，达到86.59%.

3) 不同稀释倍数的酒糟废水COD去除率均高于50%，当酒糟废水稀释30倍(初始COD质量浓度为1 253 mg·L-1)时，COD去除率达到最高，达到67.04%，其次是50倍和80倍，COD去除率分别为61.01%和60.03%.

4) 稀释80倍和50倍(氮磷的质量浓度比为108∶7)的藻可溶性蛋白增长比较明显，质量浓度最大值可分别达到10.18 、11.36 mg·L-1，同时也说明通过外加氮、磷调节氮磷的初始质量浓度比至108∶7,可大大提高其产量.

总体而言，当稀释倍数为50倍(TN、TP初始质量浓度分别为18.23、6.99 mg·L-1)条件下，莱茵衣藻生长良好，废水中TN、TP、COD去除效果均比较明显，对水质的净化效果最佳，同时可获得较高质量浓度的藻可溶性蛋白，这为酒糟废水与微藻耦合规模化培养提供了一种新的思路.

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(编辑 陶志宁)

Study on Purification of Vinasse Wastewater byChlamydomonasreinhardtii

YU Jiang1,2, WANG Ping1,2, RAN Zhongxing1,2, ZHAO Liang3, YANG Chun4

( 1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan; 2. Institute of New Energy and Low Carbon Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan; 3. Institute of Solid Waste and Hazardous Chemicals Management, Chengdu Academy of Environmental Science, Chengdu 610072, Sichuan; 4. College of Chemistry and Materials, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, Sichuan

It could realize innocent treatment of wastewater and provide culture of microalgae with nutrition and water resource by combining wastewater treatment with microalgae culture. In this research, indoor micro ecological system was set by usingChlammydomonasreinhardtiias experimental material and vinasse wastewater as culture medium to observe the removal rate of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chemical oxygen demand (COD) in vinasse wastewater, and the effect of microalgae protein extraction as well. The result showed that the final removal rate of TN reached up to 70% to 80% when the initial concentration of TN in vinasse wastewater was between 9.39 mg·L-1and 30.86 mg·L-1, it had a good removal rate even to 86.59% of TP when the initial content of TP was between 3.45 mg·L-1and 10.93 mg·L-1. C. reinhardtii could remove more than 50% COD of vinasse wastewater which had different dilution ratio. Meantime, the content of soluble protein increased obviously under the conditions of diluted 80×, 50×, and 50× (the rate of nitrogen and phosphorus being 108∶7). In general, at the condition of diluted 50× (TN, TP concentration being 18.23 mg·L-1, 6.99 mg·L-1, respectively),C.reinhardtiigrows well, and TN, TP, COD removal efficiency are more obvious, the water quality purification effect is the best, and it also can obtain a higher content of soluble protein, which provides a new way of thinking for co-cultivation between vinasse wastewater and microalgae.

vinasse wastewater;Chlammydomonasreinhardtii; total nitrogen; total phosphorus; COD; soluble protein

2015-11-21

国家自然科学基金(31100374)和成都市科技局项目(2015-HM01-00013-SF)

余 江(1974—)女，副教授，主要从事水污染控制工程方面的研究,E-mail：yujianggz@163.com

X52

A

1001-8395(2016)06-0900-05

10.3969/j.issn.1001-8395.2016.06.023