小球藻细胞对厌氧发酵沼液的净化效果研究

杜青平，林俊熙，李文深，李梓豪，吴派霖

（广东工业大学 环境科学与工程学院，广东广州 510006）

随着畜禽养殖业的快速发展，养殖场规模化、集约化的程度进一步增强，但我国畜禽废弃物的综合利用率和无害化率分别不足60%和50%。在资源利用率和无害化处理率较低的情况下，畜禽养殖废弃物引起的环保问题日益严重[1]。大中型沼气工程在规模化养殖场迅速推广，在获得大量沼气资源的同时也产生了大量的沼液废水[1]。加强沼液中污染物去除与资源再利用协同去除处理技术的研发和应用，对沼液资源化利用具有实际意义。

沼液废水经厌氧发酵后，从生物代谢角度考虑利用特定藻类协同代谢其中的有机物[2]，是一种经济有效的多层次资源利用、打造生态农业的潜在思路。小球藻具有繁殖快、周期短、易于培养、对高浓度厌氧发酵沼液具有抗性等特点[3]。本实验研究小球藻对实际发酵沼液中有机质的吸收代谢情况，探讨小球藻对厌氧发酵沼液净化及碳积累资源化利用的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验所用藻种为普通小球藻（Chlorella vulgaris），由养猪场厌氧污水处理厂废水池分离获得，根据文献方法[3]进一步驯化后使用。

氯化铵、酒石酸钠钾、碘化汞、碘化钾，分析纯，均为天津市北联精细化学品开发有限公司；氢氧化钠、硝酸钾，分析纯，杭州双林化工试剂有限公司；亚硝酸钠、钼酸铵，分析纯，医药集团化学试剂有限公司；酒石酸锑钾、磷酸二氢钾、硫酸亚铁铵、重铬酸钾，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司。

1.2 仪器与设备

7890A-5975C型GC-MS，美国Agilent公司；KDC-140HR型高速冷冻离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；VIS-723N可见分光光度计，北京瑞利分析仪器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅，上海历辰邦西仪器科技有限公司；ZSD-1090光照培养箱，上海智城分析仪器制造有限公司。

1.3 沼液处理

在10个未经稀释的发酵沼液中接种约20%藻液，使每mL沼液中小球藻初始含量约为104个，进行25℃、光照强度3 000 lx、光暗比为12∶12恒温培养。培养完成后取适量藻液3 000 r/min，离心10 min取上清液测定藻细胞的含量及沼液中氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、磷酸盐、COD含量[3]。

1.4 水质测定

氨氮（NH4+-N）测定采用国标HJ 535—2009的纳氏试剂分光光度法；硝酸盐氮（NO3--N）测定采用国标HJ/T346—2007的紫外分光光度法；亚硝酸盐氮（NO2--N）测定采用国标GB 7493—87的分光光度法；总磷 （TP）测定采用GB 11893—89的钼酸铵分光光度法测定；磷酸盐（PO43-）测定采用国标HJ 669—2013的离子色谱法测定；化学需氧量（COD）测定采用国标HJ 828—2017的重铬酸盐法测定。

1.5 小球藻生物量及脂肪酸组成测定

小球藻生物量测定：取20 mL （V）的藻液，4 000 r/min离心后,于105℃烘箱烘至恒重（M），M/V即小球藻生物量。

根据文献方法[3]提取油脂方法并计算含油率和测定脂肪酸成分。

式中，Ma为带有油脂的玻璃管质量（g）；Mb为玻璃管空重（g）；Mc为藻粉质量（g）。

2 结果与分析

2.1 普通小球藻在厌氧发酵沼液中的生长特性

测定普通小球藻在厌氧发酵沼液中接种后的生长量，绘制生长曲线，结果如图1所示。从图1可知，小球藻接种到发酵沼液4 d后就进入对数生长期，表明藻细胞的潜伏期较短；第8 d左右藻细胞进入稳定生长期；在第10 d时普通小球藻的生物质产量约为2.4 g/L，表明普通小球藻在发酵沼液中积累了丰富的有机质，为其后续资源化利用创造了条件。

图1 厌氧发酵沼液中小球藻的生长曲线

2.2 普通小球藻脂肪酸组成

为了进一步研究藻细胞积累的油脂质量，对发酵沼液中获得的普通小球藻所含油脂进行成分分析。发现普通小球藻利用发酵沼液中营养物质生长，藻细胞中能够积累大量的含碳化合物，这些化合物主要是脂肪酸，以C16至C20的长链脂肪酸为主。大部分藻细胞产生的脂肪酸为多不饱和脂肪酸，占总量的73.9%，这些脂肪酸可作为资源化的油脂加以利用。

2.3 普通小球藻对发酵沼液中硝态氮、亚硝态氮、氨氮的去除

发酵沼液中的氨氮、硝态氮和亚硝态氮的含量结果见图2。从图2可知，普通小球藻生长过程中，沼液中三种形态氮的含量均呈下降趋势，表明三种形态的氮都可以作为小球藻的氮源，但其被藻细胞消耗和利用的时间不同。

图2 普通小球藻对厌氧发酵沼液中不同形态氮的去除特性

培养液中的氨氮含量随着藻细胞的生长逐渐降低，到培养第12 d时，氨氮的含量由初始的234 mg/L降为35 mg/L，去除率达85%。硝态氮初始浓度为2.55 mg/L，培养10 d后硝态氮的含量检测值为0 mg/L，表明在藻细胞生长过程中硝态氮迅速被利用或转化。培养液中的亚硝态氮的含量呈现先升高后降低的趋势，初始含量为0.57 mg/L，在培养2 d内逐渐上升到1.23 mg/L，然后随着藻细胞的生长，亚硝态氮的含量逐渐下降，在第12 d时培养液中的亚硝态氮含量约为0.16 mg/L，去除率为72%。

以上数据表明，在培养初期，藻细胞可直接利用氨氮和硝态氮，而随着培养的进行，体系中的氨氮和硝态氮含量降低后开始利用亚硝态氮，而在培养起始阶段，反应体系中可能有其他的硝酸盐转化为亚硝态氮。有文献报道，小球藻在含有硝态氮的溶液中会利用还原酶将硝态氮还原成亚硝态氮并释放到培养液中，导致培养液中的亚硝态氮升高[4]，可能是沼液培养前2 d中亚硝态氮升高的原因。

2.4 普通小球藻对发酵沼液中总磷、磷酸盐的去除

对发酵沼液中的总磷、磷酸盐的去除特性进行测定，结果见图3。由图3可知，发酵沼液中的总磷和磷酸盐的含量均随培养时间延长呈下降趋势。当藻细胞生长到12 d时，沼液中初始浓度为4.23 mg/L的磷酸盐被完全降解，表明小球藻在生长代谢中很好地利用了发酵沼液中的磷酸盐。发酵沼液中的总磷浓度在12 d内逐步降低，由初始浓度7.25 mg/L降低至1.30 mg/L，去除率为82%，表明小球藻对发酵沼液中的总磷利用比较彻底。这与王愿珠等[5]利用生物膜贴壁培养小球藻净化猪粪沼液废水的研究结果类似，说明普通小球藻对发酵沼液中的磷有良好的去除效果。

图3 普通小球藻对厌氧发酵沼液中总磷、磷酸盐的去除特性

2.5 厌氧发酵沼液中COD的变化

对发酵沼液的COD含量进行测定，结果见图4。从图4可知，随着培养时间延长，发酵沼液中COD逐渐减少，经过12 d的培养，发酵液COD由最初的336 mg/L降低至93 mg/L，去除率达72%。

图4 厌氧发酵沼液中COD变化曲线

3 结论

普通小球藻在接种到厌氧发酵沼液中后能够正常生长繁殖，在第8 d进入生长稳定期。经过12 d培养后，对厌氧发酵沼液的硝态氮、亚硝态氮、氨氮的去除率分别为100%、72%、85%，对磷酸根、总磷的去除率分别为100%和82%，对COD的去除率为72%，期间积累大量的脂肪酸。因此，普通小球藻对厌氧发酵沼液有优异的净化能力，并且存在碳积累资源化利用的潜力。