固定化栅藻对养殖废水的净化效果及生长研究

杨 坤，侯冠军*，赵秀侠，高 远

(1.安徽省农业科学院水产研究所，水产增养殖安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽万水源水产养殖科技有限公司，安徽 宿州 234200)

微藻固定化技术是将游离的微藻细胞固定在载体上，成为固体生物催化剂而加以利用的一门技术。固定化能够显著提高藻细胞的稳定性、寿命等，并便于收集[1]。就目前而言，固定方法中将微藻细胞包裹于凝胶聚合物中的“包埋法”因具有操作相对简便、成本较低、对细胞伤害较小、细胞保留量较大等优点而常被采用[2]。

针对含氮、磷丰富的污水，栅藻(Scenedesmussp.)和小球藻(Chlorellasp.)是使用较多的净化藻种。已有报道表明，与悬浮培养相比，包埋固定化方式提高了藻细胞对污水中氮磷污染物的转化率或降解效率[3-5]。本文通过对斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)的固定，比较了不同包埋密度的藻球对养殖废水中可溶性磷酸盐(以下简称磷酸盐)和氨氮的净化效果，同时对比了各处理组藻细胞的生长状况，以期为应用固定化微藻技术处理养殖废水提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 藻种

供试斜生栅藻(FACHB-12)购自中国科学院淡水藻种库。扩大培养条件：环境温度25℃，光照度2 400 lx，光暗比12 h∶12 h。培养基为经过灭菌的BG-11培养基。

1.1.2 养殖废水

选用安徽万水源水产养殖科技有限公司的黄河鲤养殖废水，经0.45 μm微孔滤膜抽滤后备用，测定抽滤液的磷酸盐和氨氮质量浓度分别为0.065 mg/L和0.438 mg/L。

1.1.3 藻球的制备与脱固定

在预试验中，采用2种海藻酸钠浓度(20和50 g/L)与2种胶藻体积比(海藻酸钠∶藻细胞浓缩液=1∶1和2∶1)制作固定化藻球，分别评价其成球情况。将进入稳定生长期的栅藻离心浓缩(3 000 r/min，10 min)，弃去上清液，用生理盐水悬浮洗涤2次，去除藻细胞表面培养基，再离心收集，制成藻细胞浓缩液后与海藻酸钠溶液(海藻酸钠溶液浓度及混合比例参见预试验结果)均匀混合，形成微藻和海藻酸钠的混合液。用10 mL一次性注射器吸取混合液，在距离预冷的5% CaCl2溶液液面上方20 cm处匀速滴入，即形成直径3.5 mm左右的小球。全部滴加完毕后，搅拌2 h以增加其硬度。取出后用蒸馏水洗涤2次备用。

在测定固定化藻细胞密度时需先脱固定：将每瓶中的固定化藻球全部加入盛有50 mL 5%柠檬酸钠(Na3C6H5O7)化解液的锥形瓶中，120 r/min摇床振荡，直至固定化藻球完全溶解。再用鲁哥氏液固定，血球计数板计数藻细胞密度，每个样品计数3次，取平均值。

1.2 试验设计

试验共设3个处理组，每个处理组设3个重复。各组栅藻的包埋密度分别为2.52×104cells/mL(S-1)、1.26×106cells/mL(S-50)和2.52×106cells/mL(S-100)。制成藻球后投放到含500 mL废水抽滤液的锥形瓶中，每瓶接种400粒左右，使得藻球质量达到(12.00±0.10) g/瓶。培养条件同扩大培养。每天定时测定水中磷酸盐和氨氮浓度。培养结束后脱固定，测定藻细胞密度。

1.3 水质测定

参照《水和废水监测分析方法(第四版)》(国家环境保护总局，2002)测定水中氮磷含量。氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，磷酸盐测定采用钼锑抗分光光度法。

氮、磷的去除率P根据公式(1)计算：

P=(Cn-C0)/C0×100%

(1)

式中：Cn为取样时段水中氮、磷的质量浓度(mg/L)；C0为氮、磷的初始质量浓度(mg/L)。

1.4 生长速率K

根据公式(2)计算：

K=(lgSn-lgS0)/n

(2)

式中：Sn为经过n天培养后的栅藻密度(ind./mL)；S0为初始藻细胞密度(ind./mL)。

1.5 数据处理

数据、图表运用Excel 2007进行处理。采用SPSS 18.0软件进行方差分析。以P<0.05作为差异显著性判断标准。

2 结果与分析

2.1 藻球制备预试验结果

表1 固定化条件预试验结果Tab.1 The pretest result on selection of immobilization conditions

根据预处理试验结果，本试验选择的固定化条件为：采用20 g/L的海藻酸钠溶液，V海藻酸钠∶V藻细胞浓缩液=2∶1。

2.2 不同藻细胞包埋密度对磷酸盐和氨氮去除效果的影响

不同细胞密度藻球对磷酸盐和氨氮的去除效果见图1、2。由图中可以看出，经过藻球的净化，3个处理组中磷酸盐和氨氮含量均大幅减少。第3天末，S-1、S-50和S-100组对磷酸盐的去除率分别为52.78%、69.44%和83.33%；第7天的去除率分别为61.11%、83.33%和88.89%。对氨氮的终末去除率分别为39.95%、50.00%和57.53%。

从不同处理组的净化效果来看：包埋的藻细胞密度越高，磷酸盐的去除效果越佳，细胞密度对水体中磷酸盐的去除率有显著影响(P<0.05)。同样， 氨氮的去除率也随着藻细胞包埋密度的增加而增大，不同处理组间差异显著(P<0.05)。当藻细胞包埋密度为2.52×106cells/mL，试验结束时对磷酸盐和氨氮的去除率达到最大，分别为88.89%和57.53%。

2.3 不同藻细胞包埋密度对栅藻生长的影响

各处理组藻细胞终密度和生长速率见表2。S-1、S-50和S-100组中栅藻的生长速率分别为0.145、0.043和0.029，直观分析可知生长速率S-1>S-50>S-100，即随着藻细胞包埋密度的增大，生长速率逐渐降低。单因素方差分析的结果显示，包埋藻密度对栅藻生长的影响存在显著差异(P<0.05)。

表2 各处理组藻细胞的生长情况Tab.2 The growth of immobilized algae in different groups

注：同行不同小写字母表示处理间差异显著。
Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences.

3 讨论

本试验结果中，藻细胞包埋密度与生长速率呈负相关。有学者分析，藻球中藻类的生长可以引起以下效应：一方面，藻球传质阻力增加，CO2、O2及营养盐在藻球中的扩散速度降低；另一方面，藻细胞密度较大的藻球，藻细胞互相遮挡光线，藻球通透性降低[12]。这些因素均可导致后续藻细胞的增殖受到影响，而且初始包埋密度越大，上述效应发生的越明显。分析这可能是低包埋密度组的生长速率反而高于中、高包埋密度组的原因。

固定化微藻技术在废水处理耦合生物质生产方面具有良好的应用前景。但是本试验过程是在实验室规模上进行的，要在生产中大规模应用仍存在一些问题，例如：如何降低废水的预处理成本、如何寻找到廉价且效果良好的固定化载体以及如何开发出高效的微藻固定化反应器等等，这些都是在日后的科研探索中需要面对与解决的问题。