固定化菌藻处理海水养殖废水试验研究

高凌鹏， 刘志宏， 李诗宣

（中国市政工程华北设计研究院总院有限公司， 天津 300381）

我国海水养殖业正在向集约化方向迅速发展，但伴随而来的环境污染风险也相应增加。 海水养殖废水中含有残余饵料和动物排泄物等污染物， 如不经充分处理直接排放入海， 会使环境水体中溶解氧浓度降低， 氨氮、 亚硝氮等含量增加， 引起水体富营养化， 破坏生态环境， 反过来也会影响海水养殖产品的生长， 制约着海水养殖业的良性发展［1－3］。因此， 如何采用廉价、 高效且安全的工艺净化海水养殖废水， 已成为海水养殖业持续健康发展的关键问题之一， 受到人们的关注和重视［4－8］。

海水养殖废水可生化性好， 采用生物法处理具有成本低、 无二次污染等优点， 但由于盐度效应导致生化反应系统启动缓慢、 周期较长， 污染物去除效果往往不理想， 特别是对氮、 磷的处理效果较差。 菌藻共生技术［9-10］利用细菌生长分解废水中有机污染物产生CO2、 有机酸、 无机盐等［11-12］， 同时利用微藻吸收水体中无机态离子和有机态氮、 磷元素［13-14］， 弥补了生物处理中氮、 磷去除的短板。 特别是可以选取海水藻种和耐盐菌种， 通过搭配形成互利共生关系， 再采用固定化技术提高细菌和藻类浓度、 强化菌藻协同作用［15-16］， 在海水养殖废水处理中具有较大的应用潜力。 本研究通过筛选对海水养殖废水净化效果较好的藻种并搭配耐盐菌种， 制成固定化菌藻共生小球， 并与传统CAST 工艺相结合， 以期建立一种高效、 绿色的海水养殖废水处理新工艺， 为海水养殖废水净化提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1） 试验用水取自某工厂化海水养殖场的尾水排放口， 该养殖场的养殖品种主要为南美白对虾。养殖场废水静置沉淀后取上清液作为试验进水， 其主要水质指标如表1 所示。

表1 主要水质指标Tab. 1 Main water quality indexes

（2） 菌种由该海水养殖场尾水排放渠底泥中分离获得， 在筛选时比较不同菌株对水样CODMn、NH4＋－N、 NO2－－N 和NO3－－N 等主要指标的去除效果， 获得具有耐盐特性并能够降解CODMn或好氧反硝化功能的多个菌种， 采用16S rDNA 测序分析可知， 具体包括微小杆菌属、 棒状杆菌属、 卓贝尔氏菌属和芽孢杆菌属。

（3） 藻种采用海水小球藻、 青岛大扁藻、 杜氏盐藻和等鞭金藻， 均购自上海某公司。

（4） 活性污泥取自天津市某污水处理厂污泥回流池， 并由实验室进行耐盐驯化后获得。 驯化用水为添加海水晶的市政污水， 逐步提高海水晶浓度直至驯化用水中盐度与海水养殖废水相近（2.9%）。海水晶主要成分的质量分数为： 氯化钠（65.0 ±3.2）%， 硫酸镁（以MgSO4·7H2O 计）（13.0±2.1）%，氯化钙（以CaCl2·2H2O 计）（4.0 ± 0.8）%， 氯化钾（2.0±1.4）%， 氯化镁（11.0±2.0）%， w（铅） ≤1.0 mg／kg， w（砷）≤0.5 mg／kg， w（氟）≤3.0 mg／kg。

1.2 试验装置

CAST 试验装置示意如图1 所示。 装置总容积30 L， 分为生物选择区、 预反应区和主反应区3 部分， 其容积比为1 ∶4 ∶25。 主反应区底部设置曝气管路和微孔曝气头， 曝气量为0.2 m3／h。 试验进水由原水箱通过计量泵自生物选择区液面以下进入反应器， 主反应区底部设排泥管， 通过重力人工排泥。 紧贴主反应器内壁安装LED 光源， 进行照射。试验装置由PLC 编程自动控制。

图1 CAST 试验装置示意Fig. 1 Experimental apparatus of CAST

1.3 试验方法

（1） 菌种和藻种的培养。 菌种采用2216E 培养基， 温度30 ℃， 160 r／min 振荡培养24 h。 藻种采用F／2 培养基， 温度25 ℃， 光照强度2 000 lx，光照12 h， 无光照12 h， 每天手动摇瓶3 次。

（2） 藻种的筛选。 分别将4 种微藻培养至对数生长期， 离心收集藻细胞， 用无菌水冲洗藻细胞2次， 以去除吸附在藻细胞表面的氮和磷， 并将藻密度调整至4×106cell／mL。 培养至对数生长期的微生物菌种采用同样方法收集、 洗涤细胞， 浓缩至4 g／L。 向250 mL 锥形瓶中加入150 mL 海水养殖废水， 藻种和菌种均按照1%（体积比）的接种量接种。另外设置1 组不加菌藻的空白对照组。 将其置于光照培养箱中在25 ℃、 光照强度为2 000 lx、 12 h ∶12 h 光暗比条件下培养， 每天手动摇瓶3 次。 每天取样测定水质， 根据微藻与细菌共培养对海水养殖废水的处理效果， 筛选出最佳的菌藻共生体系。

（3） 固定化小球的制备。 按照前述方法收集浓缩微藻和细菌， 并按一定比例混合后， 加入3% 硅藻土制成菌藻悬液， 再加入8 倍体积的聚乙烯醇（质量分数为5%）和海藻酸钠（质量分数为2%）混合液， 之后用注射器将该菌藻混合液注入预冷4%的氯化钙溶液中， 4 ℃静置20 h 后用去离子水洗涤， 形成直径约3 mm 的固定化菌藻小球。

（4） 固定化菌藻处理海水养殖废水及菌藻比例优选。 分别设定菌藻体积比为2 ∶1、 1 ∶1 和1 ∶2，按照前述固定化方法制作菌藻小球。 向250 mL 的锥形瓶中加入500 个固定化菌藻小球， 再加入150 mL 海水养殖废水。 置于光照培养箱中在25 ℃、 光照强度为2 000 lx、 12 h ∶12 h 光暗比条件下培养，每天手动摇瓶3 次。 试验以3 d 为1 个周期， 每周期末将剩余废水倒出， 再次加入150 mL 海水养殖废水， 共进行3 个周期， 合计9 d。 每天取样测定水质， 根据每种菌藻比例固定化小球对海水养殖废水的处理效果， 筛选出固定化小球中最佳的菌藻比例。

（5） 固定化菌藻耦合CAST 处理海水养殖废水。 对活性污泥进行耐盐驯化， 具有耐盐活性后，采用海水养殖废水作为进水， 进行常规CAST 工艺处理海水养殖废水的试验， 环境温度保持在28 ℃，运行周期为： 进水与反应共8 h（其中进水约0.5 h），静置沉淀2 h， 排水0.5 h， 闲置1.5 h， 合计12 h。系统稳定运行后连续运行20 d， 每天测定装置进出水水质。 固定化菌藻耦合CAST 处理海水养殖废水是在常规CAST 运行基础上， 将2 000 g 固定化菌藻小球投加于装置主反应区内， 光照强度为5 000 lx， 每天光照时间24 h， 在28 ℃环境条件下稳定运行后连续运行20 d， 每天测定装置进出水水质。

1.4 分析方法

CODMn采用碱性高锰酸钾法， NH4＋－N 采用靛酚蓝分光光度法， NO2－－N 采用萘乙二胺分光光度法， NO3－－N 采用锌－镉还原法， 无机氮为NH4＋－N、NO2－－N 和NO3－－N 的总和， PO43－－P 采用钼锑抗分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 藻种筛选

海水小球藻、 青岛大扁藻、 杜氏盐藻及等鞭金藻分别与微生物共生时对海水养殖废水中CODMn、无机氮和磷的去除率随时间的变化情况如图2～ 图4 所示。

图2 不同菌藻共生对CODMn 的去除率Fig. 2 Removal efficiency of CODMn by bacteria-algae symbiotic systems

图3 不同菌藻共生对无机氮的去除率Fig. 3 Removal efficiency of inorganic nitrogen by bacteriaalgae symbiotic systems

图4 不同菌藻共生对磷的去除率Fig. 4 Removal efficiency of phosphorus by bacteria-algae symbiotic systems

从图2 可以看出， 与对照组相比， 添加菌藻后可有效去除海水养殖废水中的CODMn， 4 种菌藻共生体系对CODMn的去除趋势基本相同， CODMn去除率相近。 其中， 小球藻－菌和等鞭金藻－菌2 个体系6 d 的CODMn去除率分别为65.94% 和65.85%，略高于青岛大扁藻－菌和杜氏盐藻－菌的去除率（分别为63.19% 和63.31%）。 在菌藻共生体系中，CODMn主要通过悬浮微藻和微生物的异养作用去除，还可在硝化和反硝化过程中作为碳源而去除［17］。

从图3 可以看出， 添加菌藻后可有效去除海水养殖废水中的无机氮， 4 种菌藻共生体系对无机氮的去除趋势大致相同， 其中小球藻－菌共生时对无机氮去除率最高， 经过6 d 的处理其去除率达到64.30%， 明显高于另外3 种微藻与细菌共生时的无机氮去除率。 无机氮包括NH4＋－N、 NO2－－N 和NO3－－N 的总和， 它的去除， 一方面通过细菌硝化反应将NH4＋－N 转化为NO2－－N 和NO3－－N， 再通过反硝化反应转化为氮气而释放； 另一方面， 通过微藻细胞的吸收利用和某些微生物的同化作用而去除［18-19］。

从图4 可以看出， 菌藻共生体系可以有效去除海水养殖废水中的磷， 小球藻、 等鞭金藻、 杜氏盐藻、 青岛大扁藻与细菌共生对磷的去除率依次降低， 分别是73.41%、 71.76%、 58.52% 和51.55%。细菌和微藻生长过程中可以同化吸收活性磷酸盐，用于合成蛋白质、 ATP、 磷脂、 核酸等生物质， 同时聚磷菌还可将磷以聚合形式贮存于体内， 从而有效去除废水中的磷［20］。 综合评价上述对CODMn、 无机氮和磷的去除效果， 优选海水小球藻作为菌藻共生体系中的水处理藻种， 进一步进行固定化菌藻的研究。

2.2 固定化菌藻的处理效果

为了优选用于处理海水养殖废水时固定化菌藻的比例， 分别比较了菌藻比（体积比）为2 ∶1、 1 ∶1和1 ∶2 时， 固定化菌藻对海水养殖废水中CODMn、无机氮和磷的去除率随时间的变化情况， 结果如图5 所示。

从图5（a）可以看出， 使用海藻酸钠固定化包埋菌藻共生体系， 当菌藻比为2 ∶1、 1 ∶1 和1 ∶2时， 对海水养殖废水中CODMn的去除效果没有明显差别， 在每一个处理周期内， CODMn去除率都是随时间延长而提高， 在每周期末CODMn去除率均能达到约90%。

从图5（b）和（c）可以看出， 在这3 个试验周期内， 菌藻比为1 ∶2 时制成的固定化菌藻小球对无机氮和磷去除率明显优于另外2 种比例， 说明更高的藻类浓度比例有利于更多地吸收废水中的氮、磷［21］。 综合评价上述对CODMn、 无机氮和磷的去除效果， 优选细菌与海水小球藻接种比例为1 ∶2 制作固定化菌藻小球， 进一步进行固定化菌藻耦合CAST 工艺的研究。

图5 固定化菌藻比例对CODMn、 无机氮、 磷去除率的影响Fig. 5 Effect of immobilized bacteria-algae ratio on CODMn,inorganic nitrogen, and phosphours removal

2.3 固定化菌藻耦合CAST 处理海水养殖废水的效果

在常规CAST 运行基础上通过投加固定化菌藻小球及适当光照， 形成耦合工艺处理海水养殖废水， 并与常规CAST 进行比较， 考察其处理效果，结果如图6 所示。

图6 固定化菌藻耦合CAST 对CODMn、 无机氮、 磷的去除效果Fig. 6 Effect of immobilized bacteria-algae coupled with CAST on CODMn， inorganic nitrogen and phosphorus removal

由图6 可以看出， 投加固定化菌藻后可显著提高CAST 工艺对海水养殖废水中CODMn、 无机氮和磷的去除效果， 稳定运行后CODMn去除率维持在85% 以上， 出水CODMn的质量浓度低于8 mg／L；无机氮去除率维持在95% 以上， 出水无机氮的质量浓度低于0.5 mg／L； 磷的去除率维持在90% 以上， 出水磷酸盐（以P 计）的质量浓度低于0.1 mg／L。 与常规CAST 工艺相比， 采用固定化菌藻耦合的方法可以同时利用细菌和微藻对海水养殖废水中CODMn、 无机氮和磷的吸收、 合成、 代谢和转化等过程， 充分发挥菌藻间协同作用， 使该工艺对海水养殖废水中污染物的去除率大幅度提高。

3 结论

（1） 采用海水小球藻与细菌构成共生体系处理海水养殖废水， 可有效去除CODMn、 无机氮和磷，去除率高于青岛大扁藻、 杜氏盐藻及等鞭金藻与细菌的搭配。

（2） 使用海藻酸钠包埋法将菌藻制成固定化小球后， 菌藻比为1 ∶2 时的脱氮除磷效果优于其他菌藻比例。

（3） 将固定化菌藻与常规CAST 工艺相耦合，可显著提高CAST 工艺对海水养殖废水中CODMn、无机氮和磷的去除效果， 稳定运行后出水CODMn的质量浓度低于8 mg／L、 无机氮的质量浓度低于0.5 mg／L、 磷酸盐（以P 计）的质量浓度低于0.1 mg／L。 采用固定化菌藻耦合CAST 的工艺可以有效利用细菌和微藻对污染物的协同去除作用， 可用于海水养殖废水的净化处理。