吹脱法耦合微藻培养净化高氨废水体系的优化及应用

于 杰，王 瑞，王 猛，史达明，崔红利，2，李润植

（1.山西农业大学 农学院/分子农业与生物能源研究所，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），山西 太原 030031）

吹脱法是通入相应水汽使得废水中存在的可挥发性气体物质脱离出来的一种方法[1]，工业上吹脱法是利用废水中氨氮挥发性组分的实际浓度与平衡浓度间存在的差异，将pH调至碱性，使废水中的游离氨转化为汽态氨并穿过气液界面得以脱除，从而达到去除氨氮目的的一种试验手段。吹脱原理为：NH3+H2O=NH4++OH-。吹脱法是处理氨氮废水中一项较为成熟的方法。氨氮废水在养殖业、化工产业及肉制品加工业中广泛存在，而且对人类及各种动植物的生存都构成严重威胁[2]。陈林等[3]研究表明，废水中氨氮的存在会消耗部分氧气，导致有益菌株死亡，不利于水资源的自我清洁，因此，降低废水中的氨氮含量是处理废水的一项关键技术。

微藻是一类光自养单细胞生物，种类繁多，广泛应用于水产、食品、农业和环境治理等领域[4]。小球藻（Chlorella vulgaris）属于绿藻纲小球藻科，是一种高光效的光合自养植物，分布极为广泛，可用于农业[5]、食品[6]、化工[7]、化妆品[8]和污水处理等领域。小球藻的培养环境简单，适宜的光照、温度、氧气及水环境就可以实现高密度的培养，得到高的生物质产量。

目前降低氨氮含量的方法有很多：如化学沉淀法、化学氧化法、离子交换法、吹脱法、生物膜法等。其中，吹脱法具有简便快捷、处理效果稳定的特点，常作为基础步骤与生物法等其他处理技术结合使用[9]。单细胞微藻是水资源中重要的初级生产力[10]，可吸收一部分水体的氨氮等营养物质[11]，对水体氨氮的富营养化处理有积极的效果，可望显著降低水体中的氨态氮和硝态氮[12]，以达到水质净化的目的。

利用微藻进行废水处理日渐增多，例如，季方[13]挑选适宜微藻处理厌氧发酵液得到微藻生物质。王华光等[14]、刘强等[15]通过藻菌互作体系处理废水。张燕鹏[16]通过废水中物质转化生产藻蓝蛋白。吹脱法作为氨氮废水处理的枢纽，若能与微藻培养技术相结合，就可实现废水净化和高值生物质生产双重效益。

本研究拟优化吹脱法处理废水的适宜条件进而耦合微藻培养和联产生物质，以期获得净化后的废水和微藻生物质能应用于农业生产体系，实现废水资源循环利用的生态效益，为高氨废水处理和利用提供新的途径。

1 材料和方法

1.1 试验材料与仪器

NH4Cl溶液（200 g/L）、NaOH溶液（2 mol/L）、HCl溶液（2 mol/L）、BG11培养基[17]、通气装置、酒石酸钾钠、纳氏试剂。上海青小油菜种子、意大利耐抽苔生菜种子。本试验所用藻种小球藻由山西农业大学分子农业与生物能源研究所分离保存。

紫外可见分光光度计（UV-6000PC，上海元析仪器有限公司），电子天平（AX523ZH/E，奥豪斯仪器有限公司），电热恒温水浴锅（DZKW，天津市大港区红杉实验设备厂），光照培养箱（GXZ-260B，宁波乐电仪器制造有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 高氨氮废水的模拟制备 参考甘怀斌等[18]对实验用水的配制并进行修整后，使用BG11培养基与NH4Cl溶液混合作为模拟高氨废水，使溶液的氨氮浓度达到800 mg/L。

1.2.2 吹脱法的优化

1.2.2.1 最适pH的筛选 基于前人的研究[19]，为探究吹脱最适p H，用Na OH调节，溶液分别调至9、10、11、12，放入水浴锅中，以50℃的恒温进行水浴并用通气装置进行吹脱，每20 min取一次样。取样完毕后，采用纳氏比色法测定氨氮含量。

1.2.2.2 最适温度的筛选 由1.2.2.1筛选出最适p H，将模拟废水p H调至12，设3个温度（60、70、80℃），常温（25℃）为对照，观察在相同p H、相同爆气率下，不同温度对吹脱速率的影响，每10 min取一次样。取样完毕后，采用纳氏比色法测定氨氮含量。

1.2.3 吹脱法处理废水后小球藻的培养 将小球藻分别接种在BG11、BG11+50 mg/L氨氮、BG11+800 mg/L氨氮的三角瓶中，置于摇床（140 r/min）连续培养13 d，设定环境温度为25°C，光照强度为8 000 lx，24 h光照。分别在第1、3、5、7、9、11、13天取样，用抽滤烘干的方式测定微藻生物质干质量

1.2.4 种子发芽试验 将培养后的小球藻，在分光光度计680 nm处，以蒸馏水为对照，用BG11溶液调整藻液OD值为1。设置不同处理溶液：蒸馏水（W）、藻液（Z）、蒸馏水+800 mg/L氨氮（N800）、蒸馏水+50 mg/L氨氮（N50）、藻液+800 mg/L氨氮（Z800）、藻液+50 mg/L氨氮（Z50）。将小油菜和生菜种子用75%乙醇浸泡2 min，然后用5%次氯酸钠处理10 mim，最后用无菌蒸馏水漂洗，各选取30粒放置在含有湿滤纸的培养皿中发芽，分别加入相对应的处理组溶液6 mL，放置在25℃恒温光照培养箱中遮光培养，每24 h更换滤纸、培养皿和处理液，并记录发芽数量，计算发芽率。每个处理3个重复。

1.3 数据分析

使 用WPS 2019、Excel 2016、SPSS 24.0、Origin 9.5进行数据处理与分析，图表的构建使用Excel 2016，图表中的趋势性折线图使用Origin 9.5，差异性分析使用SPSS 24.0，试验数据均取平均值，差异显著性检验置信区间P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 最适pH值的筛选

用铵溶液来标定氨氮含量，得出标准曲线方程为y=3.472 1x+0.014 3（R²=0.998），线性关系良好（图1）。

由图2可知，在不同的p H条件下，氨氮含量随着吹脱时间的增加而逐渐减少，吹脱效率与溶液中p H值呈正相关。当p H=9时，溶液中氨氮含量变化最小，吹脱效率较低。然而，当p H=12时，随着吹脱时间的延长，溶液中的氨氮含量已经趋向于0，与pH=9时相比，吹脱效率达到最高。

随着时间的增加，氨氮含量随pH值的增加而不断减少，说明溶液环境的酸碱性与去除率存在一定的相关性。鉴于吹脱法是双向可逆反应，依靠实际浓度与平衡浓度间的差异进行，因此，在吹脱前期存在氨氮含量不降反升的现象也在误差范围之内。

所有处理组初始氨氮含量均为800 mg/L。由图2中0 min时的氨氮含量不难看出，废水中的氨氮在自然条件下也会挥发，然而在不经过吹脱处理时在不同碱性环境下挥发量相差不大。因此，吹脱法在反应中起着极为关键的作用。

2.2 最适温度的筛选

根据2.1结果可知，在p H=12时氨氮去除率最高。为探寻最佳温度条件，试验在pH=12下进行，控制变量仅以温度为条件，选择出最佳温度。由图3可知，吹脱率随温度的升高而增加。当T=25℃时，氨氮含量变化最小；当T=80℃时，随着时间的延长，氨氮含量显著降低，且趋近于0。

由图3中10 min时氨氮含量可知，与室温状态下pH对氨氮去除率的影响相比，在最佳pH一定的条件下，当增加温度条件后氨氮含量在短时间内会急剧降低。因此，附加温度条件后，相较于单变量p H来看，达到较低氨氮含量所需的吹脱时间更短。

2.3 吹脱法处理后废水培养微藻的生长情况

从图4可以看出，高氨氮组（BG11-800）的小球藻生长明显受到抑制。而经过吹脱之后的模拟高氨废水组（BG11-50），小球藻长势良好，略低于正常培养基组（BG11）。

2.4 不同条件对种子萌发的影响

由图5、6可知，与高氨氮蒸馏水组相比，在萌发进程中含高氨氮的小球藻对小油菜和生菜发芽率有明显的促进作用，且最终的发芽势与萌发率也均高于高氨氮蒸馏水组。

油菜与生菜均属于双子叶作物，因物种的不同小球藻的作用也存在一定的差异，从图中观察到小球藻组相较于纯蒸馏水组对生菜种子的发芽率影响更高，在发芽期间，小球藻对生菜种子的影响均高于纯蒸馏水组。由此可知，在处理高氨氮废水中加入小球藻对吹脱法降氨氮有很强的增益效果。

从图7、8可以看出，在高浓度的氨氮存在条件下，即使有小球藻存在的种子发芽率也会受到极大的抑制；经过最适条件下吹脱处理后，提高种子发芽率的效果也非常明显，同时期内接近于纯蒸馏水组的发芽率；当溶液中有小球藻存在时，发芽率也有明显提高，不仅可以提高2种作物的发芽率，而且超过了纯蒸馏水组，在所有处理中效果达到了最优。

整体来看，吹脱法耦合微藻培养收获的微藻生物质（藻液）对生菜种子的萌发促进效果更佳。

3 结论与讨论

现今高氨废水的处理技术多种多样。但对处理后的废水如何利用的研究相对较少。本试验通过对高氨氮废水进行吹脱处理，经过处理后废水再用来培养微藻，既可获得微藻相关产品，处理过的废水又可用于解决农田灌溉问题。在种子萌发时，提高种子发芽率，减少种子资源浪费，争取作物高产。在水资源充足地区也可向作物的高产为目标进行产量突破，达到吹脱体系与生物制体系耦合应用的双增效果。

本试验首先研究了吹脱法对降低氨氮含量的最适p H与最适温度，结果表明，经过吹脱和养藻相继处理，废水溶液中的氨氮含量由800 mg/L降低至50 mg/L，除氮效果较为显著。高温下随着吹脱时间的延长，溶液中水汽蒸发量大于氨氮蒸发量，使得检测出氨氮浓度偏高，但总体趋势均呈下降趋。常温，60、70、80℃条件下氨氮去除率明显增加，随着温度的升高氨氮去除率越高，与温度成正相关；在适宜温度条件下，随着pH的升高氨氮含量也随之降低，且达到相同吹脱效果时所用时间更短，这与肖成成[20]所得出的结论相符。

废水中氨氮浓度过高不仅会影响环境，对植物的生长也有很大的抑制效应。高氨废水经吹脱和微藻生物体系联合处理后可用于农田灌溉。测试种子萌发性状可作为一项检验指标进行废水处理体系优化评估。通过实验发现，使用吹脱法获得的低氨氮溶液对种子萌发的影响效果有可能超过纯蒸馏水体系，原因可能是低浓度的氨氮不仅不会抑制种子萌发，还可以为植物的生长发育提供必要的N元素；当加入小球藻时，会缓解逆境对种子萌发的影响[21]，实验效果最佳。因此，吹脱法与微藻的结合利用，不仅为农业生产实践提供理论基础和现实意义，而且有助于资源的高效利用。