利用膜-光生物反应器(MPBR)连续培养微藻去除海水养殖废水中营养盐的研究

2019-05-17徐晶萍鲍静姣郭远明

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2019年1期

崔伟，高锋，朱凤，徐晶萍，鲍静姣，郭远明

(1.浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋水产研究所，浙江舟山 316021)

随着人们生活水平的不断提高，人们对鱼、虾等海产品的需求量与日俱增，从而使国内外海水养殖业得到了迅速发展。但是，海水养殖业的持续发展也带来了一些问题，特别是海水养殖废水的处理问题[1-5]。从海水养殖场排放出来的废水，通常以含氮、磷的营养盐为主，主要来自水产品的排泄物和饲料残渣[6-7]。目前，国内外学者已经对海水养殖废水的处理方法进行了很多研究，如采用生物硝化/反硝化过程来去除其中的氮[8-9]，采用化学沉淀方法来除磷等[10]。这些方法虽然能有效的去除废水中一定量的氮磷营养盐，但也存在处理过程能耗较高、脱氮除磷不彻底、副产的剩余污泥需要进一步无害化处理等问题。

光自养微藻通过光合作用能有效的将无机营养盐、CO2、H2O等物质转化为蛋白质、碳水化合物、脂肪等有机物质。一些研究表明，微藻在水产养殖废水中生长是可行的[11-15]。利用海水养殖废水培养微藻，在去除营养物质的同时，能获得有价值的微藻产品，如水产养殖的饲料和生物燃料原料等[16-19]。此外，微藻在生长过程中还能固定空气中CO2为减轻温室效应做出贡献，其光合作用产生的氧气还能提高受纳水体中溶解氧的含量。

但是到目前为止，微藻培养在水产养殖废水营养盐去除方面的竞争力还不够强，尚难以成为经济高效的废水处理工艺。主要问题在于由于水产养殖废水中营养盐浓度的限制，微藻在其中的生长较为缓慢，所以吸收废水中的营养成分需要较长的水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)。之前的一些研究表明，采用批次培养方式在海水养殖废水中进行微藻培养，废水中的大部分营养盐可以通过微藻细胞的吸收作用去除[13，20]，但是也应该指出，这些研究中批次培养需要的时间相当长(约10 d)。因此，在实际工程中就需要体积较大的反应器才能完成废水处理过程。

通常在光生物反应器(photobioreactor，PBR)中，微藻生物的高速生产需要通过反应器内较高的营养盐负荷和较高的微藻浓度来实现。由于海水养殖废水中的氮磷的浓度远低于BG11等传统的微藻培养基，因此要提高培养系统的营养负荷就需要提高海水养殖废水的供应流量。但是这在HRT和生物质停留时间(biomass retention time，BRT)不是独立控制的传统光生物反应器中将导致微藻细胞的大量流失，而难以实现高浓度培养。

近年来，包括本课题组在内的一些研究人员对一种新型的配备有浸没式膜组件的光生物反应器进行了初步的研究[21-23]，浸没式膜组件作为水和微藻的分离单元，促使膜-光生物反应器(membrane photobioreactor，MPBR)实现了HRT和BRT的独立控制。在较高的水力负荷条件下，仍能使反应器中微藻的停留时间延长，微藻浓度可不受其生长速率及水力负荷的影响。这不仅有利于微藻细胞的收获，而且极大地提高了微藻光生物反应器在污水氮磷深度去除领域的竞争力。

在本研究中，首先通过传统的锥形瓶分批培养方式研究了小球藻和衣藻两种微藻在海水养殖废水中的生长情况，以评估微藻在海水养殖废水中的生长速率和生物量生产能力。在此基础上在MPBR反应器中利用海水养殖废水对2种微藻进行连续进出水培养，以研究MPBR中微藻连续进出水培养对海水养殖废水中氮磷营养盐的去除效果及微藻生长特性。

1 材料与方法

1.1 藻种和废水

实验所用藻种为小球藻Chlorella vulgaris和衣藻Chlamydomonas reinhartii，均购自中国科学院水生生物研究所，逐级在5.0、10.0、20.0盐度下驯化后应用于本实验。本研究中使用的海水养殖废水取自浙江省舟山市某海水养殖场对虾养殖池出水，放置一夜，然后收集澄清的上清液并用于实验。实验用水水质如表1 所示，盐度为 20.7。

表1 实验中所用海水养殖废水水质Tab.1 Characteristics of the saline aquaculture wastewater

由表1中数据可知，废水中溶解性无机氮(DIN)与总氮(TN)的比值为0.91：1，溶解性无机磷(DIP)与总磷(TP)的比值为0.93：1，由此可见无机营养盐是该废水中主要的营养盐形式。因此，在后续的研究中，采用DIN和DIP作为废水的营养盐指标。

1.2 批次培养实验

通过离心(6 000 r·min-1，15 min)收集对数生长期的微藻细胞，然后接种到含有250 mL海水养殖废水的1 L锥形瓶中。对于每个藻种，使用3个重复锥形瓶，平均生物量浓度约为0.014 g·L-1。将所有锥形瓶放置在光照恒温震荡培养箱中进行培养，培养条件与1.1部分相同。

1.3 MPBR 反应器

实验中使用的MPBR反应器为圆柱形有机玻璃容器，内径8.0 cm(图 1)。反应器的总体积和工作体积分别为 1.5 L 和 1.0 L。反应器中间放置一固液分离用的中空纤维超滤膜组件，材质为聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)，膜孔径为 0.01 μm，膜组件中膜表面的有效面积为0.02 m2。反应器的光照由2个红/蓝光比为4：1、功率为9 W的LED灯提供，并放置在离反应器表面2 cm的距离处。在反应器的底部，安装了两个气体分配器。其中一个气体分配器连接空压机进行曝气，在反应器中起到搅拌的作用。通过另一个气体分配器向反应器注入纯二氧化碳(99.9%)，以调节反应器中的pH。

图1 MPBR实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the MPBR

1.4 微藻在MPBR反应器中的连续进出水培养

将处于对数生长期的小球藻和衣藻细胞经离心收集(6 000 r·min-1，15 min)后分别接种至MPBR反应器中，接种浓度均约为0.23 g·L-1。接种完成后连续向反应器内供应海水养殖废水，出水通过超滤膜组件和抽滤泵排出反应器，进水流量和出水流量相等，反应器内的HRT控制为1.0 d。在整个实验阶段，反应器表面的最大光强度约为180 μmol·m-2·s-1，空气流量控制在0.5 L·min-1。所有反应器放置在温度保持在25±2℃的室内，培养液pH值在6.8～7.2。实验过程中每日对反应器内的微藻浓度及进出水水质进行分析测定。

1.5 分析测试方法

实验过程中微藻浓度的测定采用重量法。离心收集微藻细胞(7 000 g，10 min，4℃)，然后冷冻干燥并称重[24]。

对于废水水质分析，反应器进水水样在测试分析前用0.45 μm孔径滤膜过滤处理。实验中废水水质的测定依据《海洋监测规范》(GB 17378.4-2007)进行，另外pH测定采用一pH计(PHB4，REX)，水样中的盐度采用盐度计(US61M/YSI-30)直接测定。

1.6 计算

实验过程中微藻比生长速率(specific growth rate，SGR)的计算如公式(1)所示[23]。

其中W1和W2分别为培养开始时(t1)和t2时的微藻生物量。

微藻倍增时间(Td)的计算如公式(2)所示[23]。

MPBR反应器中微藻生产速率的计算如公式(3)所示。

其中X1为培养开始时的微藻浓度，Xmax为培养过程中微藻浓度达到的最大值，△t为从实验开始至微藻浓度达到最大值所经历的时间间隔。

MPBR反应器获得的营养盐去除速率的计算如公式(4)所示。

其中Cinf和Ceff分别为反应器进出水的营养盐浓度(DIN或DIP)，Q为反应器的进水流量(4.0 L·d-1)，V为反应器的有效容积(4.0 L)。

2 结果与讨论

2.1 微藻在海水养殖废水中的批次培养

图2为用海水养殖废水分批培养小球藻和衣藻的微藻生长曲线。从图2可以看出，接种完成后小球藻和微藻均实现了快速生长，从2个藻种的生长曲线中均没有观察到停滞期，这表明这2种淡水微藻对于所使用的海水养殖废水具有良好的适应性。从2种微藻的生长曲线可知，对于小球藻和衣藻，前期为指数生长阶段，在第7天小球藻和衣藻浓度均达到最高值，之后进入稳定生长期和衰亡期。可以计算出小球藻和衣藻在指数生长阶段的生物量生产速率分别为11.0和8.9 mg·L-1·d-1(表 2)。由表 2 中的数据可知，本次实验微藻在海水养殖废水中培养获得的生物量生产速率远远低于文献中微藻在其他营养盐含量较高废水中培养所获得的微藻生产速率。表明利用批次培养的方法，以低营养盐含量的海水养殖废水为培养基，无法获得较高的微藻生物量生产速率。

图2 小球藻和衣藻在海水养殖废水中批次培养的生长曲线Fig.2 Growth curves of Chlorella vulgaris and Chlamydomonas reinhartii batch cultured in saline aquaculture wastewater

表2 本实验所得结果与一些文献中研究结果的比较Tab.2 Comparison of the experimental results with the previous studies

如果采用持续供应海水养殖废水的方式进行微藻培养，则可以为微藻培养系统维持较高的营养盐供应负荷，但同时悬浮培养的微藻将从培养系统中大量流失，从而难以将系统中的微藻浓度维持在理想的水平。TANG Haiying，et al[25]对连续进出水的微藻培养光生物反应器进行了研究，结果表明，稀释率(进水流量与反应器中液体体积的比值)的变化对光生物反应器中的微藻浓度和生物量生产均具有重要的影响，随着稀释率的逐渐增大，反应器内的微藻浓度呈逐渐降低的趋势。在本研究中，前6天的小球藻和衣藻平均比生长速率(SGR)分别为0.29 d-1、0.26 d-1(从图2的数据计算得出)。可以计算出本研究中分批培养小球藻和衣藻的倍增时间分别为2.39和2.67 d。因此，假设连续培养中微藻的生长速度与批次培养相似，要保持培养

系统中微藻浓度的大体稳定，培养系统的HRT将不得低于微藻的倍增时间，也就是需要保持在3 d以上，此时光生物反应器将需要比较大的体积。此外，从图2可以看出，通过批次培养微藻的生物量浓度增加量非常低。小球藻和衣藻指数生长期的生物量增长量分别为0.066和0.053 g·L-1，这将导致培养后微藻细胞的收获成本非常高。因此，可以得出结论，如果没有培养过程中HRT和BRT的独立控制，低营养盐含量的海水养殖废水难以作为微藻培养的适宜培养基。

2.2 微藻在MPBR中的连续进出水培养

图3 小球藻和衣藻在MPBR中连续进出水培养的生长曲线Fig.3 Growth curves of C.vulgaris and C.reinhartii continuously cultured in MPBR

小球藻和衣藻在MPBR连续进出水运行过程中的生长情况如图3所示。MPBR反应器中的超滤膜组件能实现对反应器内微藻细胞的完全截留，因而促使反应器能以连续进出水方式进行微藻的连续培养。在本实验中MPBR反应器的HRT控制为1.0 d，连续进水的低氮磷含量水产养殖废水为反应器内微藻的生长提供了充足的生长所需的营养盐。在32 d的培养过程中，小球藻和衣藻在MPBR反应器内均实现了长期的连续生长，最高生物量浓度分别达到1.44和1.28 g·L-1(图3)，经过计算可知在MPBR的连续培养过程中，小球藻和衣藻的生物量生产速率分别为37.9和32.4 mg·L-1·d-1，是采用同样的藻种和废水在批次培养中指数生长阶段微藻生物量生产速率的3.4倍和3.6倍(表2)，表明这2种微藻在MPBR反应器连续进出水的培养过程中对海水养殖废水都变现出较好的适应性，不存在明显的差异。另外，值得注意的是实验所获得的这一微藻生物量生产速率也高于或接近于以往研究中使用市政，工业或家禽养殖废水批次培养微藻所获得的微藻生物量生产速率，尽管这些废水中的氮磷浓度远高于本研究中使用的水产养殖废水(表2)。因此，可以认为MPBR利用低氮磷含量的水产养殖废水实现了微藻的浓缩培养同时也取得了较高的微藻生物量生产速率。可见，采用MPBR反应器能较好的解决海水养殖废水培养微藻过程中存在的氮磷浓度低导致微藻生产受限的问题，使低氮磷含量的海水养殖废水成为了潜在的微藻培养液，这对于海水养殖行业和微藻培养行业都具有一定的价值。

2.3 MPBR对废水中营养盐的去除效果

实验过程中对小球藻MPBR反应器和衣藻MPBR反应器每日进出水的氮、磷浓度进行了监测。对于实验所用的养殖废水，由表1中的数据可知，废水中氮的主要形式为NH4+-N。对于废水中NH4+-N的去除，如图4和图5所示，两反应器在最初的5 d运行过程中，出水NH4+-N浓度呈逐渐下降的趋势，在之后的运行过程中，两反应器出水NH4+-N浓度稳定在较低的水平。在稳定运行阶段，实验过程中两反应器出水的平均NH4+-N浓度分别为0.29和0.31 mg·L-1。实验所用养殖废水中NO2--N和NO3--N的浓度均较低 (表1)，经MPBR反应器中微藻培养处理后，出水NO2--N和NO3--N浓度均仍然保持在较低的水平(图4，图5)，表明在MPBR反应器处理废水的过程中，并没有发生明显的微生物的硝化反应，废水中的NH4+并未被氧化为NO2--N和NO3--N。

图4 小球藻MPBR运行过程中出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度的变化Fig.4 Effluent concentrations of NH4+-N、NO2--N、NO3--N of the C.vulgaris MPBR throughout the continuous cultivation period

图5 衣藻MPBR运行过程中出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度的变化Fig.5 Effluent concentrations of NH4+-N、NO2--N、NO3--N of the C.reinhartii MPBR throughout the continuous cultivation period

实验过程中两反应器对废水中DIP的去除效果如图6所示。从图6可以看出，出水中DIP的变化情况与NH4+-N的变化情况较为类似。在最初的3 d运行过程中，出水DIP浓度呈逐渐下降的趋势，在之后的运行过程中，两反应器出水DIP浓度稳定维持在较低的水平。

图6 小球藻和衣藻MPBR运行过程中出水DIP浓度的变化Fig.6 Effluent DIP concentrations of the C.vulgaris MPBR and C.reinhartii MPBR throughout the continuous cultivation period

对于两反应器所取得的脱氮除磷效果，本研究计算了稳定运行阶段MPBR反应器对废水中DIN和DIP的去除率和去除速率，结果如表3所示。两反应器对废水中DIN的去除率分别达了93.9%和93.6%，对DIP的去除率分别达到98.8%和99.0%，可见在MPBR反应器中进行微藻的连续进出水培养实现了对养殖废水中氮磷的高效去除，并且2种微藻对废水中氮、磷的去除能力非常接近，说明，两者在海水养殖废水中营养盐的去除能力上并不存在明显的差异。另外，值得注意的是本实验所取得的对水产养殖废水中氮磷的去除效果类似或优于文献报道中采用传统批式微藻培养方法所取得的对水产养殖废水中氮磷的去除效果[20-21]，而在这些批次培养的微藻处理水产养殖废水实验中，废水的停留时间(HRT)通常在10 d以上，远高于本实验中所采用的MPBR反应器1.0 d的HRT。MPBR反应器较短的HRT也促使本实验获得了较高的对废水中营养盐的去除速率，两反应器对DIN的去除速率分别达到5.28和5.26 mg·L-1·d-1，对 DIP 的去除速率分别达到 0.395 和 0.396 mg·L-1·d-1(表 3)。由此可见，采用膜法微藻浓缩培养方法既实现了反应器内微藻的高效生产，同时也实现了对进水中氮磷等营养盐的高效去除，有利于促进微藻培养方法在水产养殖废水处理工程中发挥更大的作用，同时也为循环海水养殖行业提供了一种新的水处理方法。