高含油脂的淡水柵藻lx1處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的研究

高含油脂的淡水柵藻lx1處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的研究

中國是一個重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，其產(chǎn)量在多年來一直是世界排名第一。高密度水生養(yǎng)殖方法滿足了人們對水體的不斷增加需求，但產(chǎn)生的富有環(huán)境的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水逐漸成為一個新來源[1.3]。由于水資源匱乏和污染日益嚴(yán)重，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的凈化和回收利用引起了人們的關(guān)注。目前，我國對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的凈化和利用仍處于初步階段，主要采用生物膜法為主要手段的傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)[4.6]。該工藝能夠有效去除懸浮物和有機(jī)物，但處理成本高、氮化合物去除效果有限、磷率低、污泥產(chǎn)生等不足[7.9]。因此，尋求高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。微藻具有低成本高效凈化廢水的潛能,也是制備生物柴油的理想原料.因此,在生活污水及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理[11~15]和生物柴油的生產(chǎn)中,微藻技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注.然而,在利用微藻處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的已有研究中,未充分考慮收獲后藻細(xì)胞的利用價值,使凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益受到抵減.而微藻生物柴油的研究也多是基于利用營養(yǎng)液培養(yǎng)藻細(xì)胞的單一系統(tǒng),存在著高成本、浪費(fèi)淡水資源等不足.胡洪營等提出了將微藻脫氮除磷與高價值生物質(zhì)生產(chǎn)耦合的理念,以污水為基質(zhì)培養(yǎng)微藻,在凈化水質(zhì)的同時,可獲得高價值的藻細(xì)胞生物質(zhì)用以生產(chǎn)生物柴油,從而克服了單一系統(tǒng)的局限性.根據(jù)耦合系統(tǒng)對藻種篩選提出的更高要求,Li等分離出1株淡水柵藻LX1(Scenedesmussp.LX1).本研究分析了柵藻LX1在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的生長、脫氮除磷特性及油脂積累特性,以考察其在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化和能源資源生產(chǎn)耦合中的應(yīng)用潛力.1材料和方法1.1試驗(yàn)材料1.1.1試驗(yàn)廢水試驗(yàn)廢水采自北京市密云縣某養(yǎng)魚場換排廢水,經(jīng)0.45μm濾膜過濾細(xì)菌、藻類和其他懸浮固體物后使用,主要水質(zhì)如表1所示.1.1.2藻種的擴(kuò)大培養(yǎng)研究用的柵藻LXl藻種由清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境生物研究所分離獲得.藻種保存于稀釋50%的BGl1培養(yǎng)基中.接種前將保存的藻種轉(zhuǎn)移到250mL錐形瓶(內(nèi)有100mL的mBGl1液體培養(yǎng)基,其中NaNO391.1mg·L-1,K2HPO4·3H2O11.0mg·L-1)進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng),置于溫度為25℃,光照強(qiáng)度2000lx,相對濕度75%,光暗比14h∶10h的人工氣候箱中培養(yǎng)使之處于對數(shù)增長期.1.2測試方法1.2.1材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)向500mL錐形瓶中加入200mL廢水.取5.0mL試驗(yàn)藻種接種至廢水中,接種藻液密度為2.3×105個·mL-1,放入人工氣候箱培養(yǎng).培養(yǎng)條件同上,每日人工搖動數(shù)次,保證微藻正常生長.試驗(yàn)設(shè)2個平行樣.1.2.2藻類計(jì)數(shù)采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)藻細(xì)胞數(shù)目,然后換算出培養(yǎng)液中的藻細(xì)胞密度.1.2.3藻細(xì)胞濃縮樣品的制備取40mL藻液入50mL離心管,在12000r·min-1條件下離心15min,棄去上清液,將藻細(xì)胞和部分殘留上清液轉(zhuǎn)至10mL離心管,繼續(xù)在12000r·min-1條件下離心15min得到濃縮樣品,然后按照文獻(xiàn)中的有機(jī)溶劑萃取法步驟測定.1.2.4藻細(xì)胞干重測定取適量藻液,用經(jīng)過烘干的0.45μm濾膜過濾,將帶有藻體的濾膜放置到烘箱中,115℃條件下烘干24h,稱取濾膜前后質(zhì)量變化,即藻細(xì)胞干重.1.2.5水質(zhì)指標(biāo)測定用0.45μm濾膜過濾水樣,然后測定濾液中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、pH和COD值.水質(zhì)指標(biāo)測定均采用國家環(huán)境保護(hù)總局頒布的標(biāo)準(zhǔn)方法,NH4+-N采用納氏試劑光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,PO43--P采用鉬銻抗分光光度法,pH測定采用梅特勒SG2型pH計(jì),COD采用重鉻酸鉀法.1.3藻種群生長速率計(jì)算方法有限環(huán)境下,種群的生物量增長具密度制約性,Logistic模型是描述該規(guī)律的經(jīng)典模型.式中,t為培養(yǎng)時間(d);K為最大種群密度(個·mL-1);N為t時刻的種群密度(個·mL-1);a為常數(shù),表示曲線對原點(diǎn)的相對位置;r為種群的內(nèi)稟生長速率(d-1),指單個個體潛在的最大增長速率.式(1)表示藻種群生物量隨時間的變化;式(2)是式(1)的線性表達(dá)式;式(3)表示藻生物量的增長速率隨藻密度的變化,當(dāng)藻密度為最大密度一半時,生物量的增長速率最大,即Rmax=rK/4.每隔一定的時間,測定藻細(xì)胞數(shù)作為藻的生物量N,利用式(2)對數(shù)據(jù)擬合,求得種群的內(nèi)稟生長速率r,并按照式(3)計(jì)算不同時間的藻生物量增長速率,繪制藻生物量和藻生物量增長速率隨時間的變化曲線.2結(jié)果與分析2.1生長模型的建立藻生物量和藻生物量增長速率隨時間的變化曲線如圖1所示.由圖1可知,柵藻LXl在培養(yǎng)初期藻細(xì)胞增值較慢,一方面是因?yàn)樵寮?xì)胞基數(shù)較小,另一方面可能由于柵藻對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水水質(zhì)有個適應(yīng)過程.隨著培養(yǎng)時間的進(jìn)行,藻生物量增長速率逐漸增大,到第8d左右達(dá)到最大值,此后生長速率呈現(xiàn)下降趨勢.數(shù)據(jù)擬合得到的試驗(yàn)水質(zhì)條件下柵藻LXl的相關(guān)生長模型參數(shù)如表2所示.從表2可看出,柵藻LXl在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的種群內(nèi)稟生長速率為0.44d-1,培養(yǎng)至穩(wěn)定期時,藻生長達(dá)到的最大種群密度為7.46×106個·mL-1,最大種群生物量增長速率為0.82×106個·(mL·d)-1.與模擬城市污水二級出水培養(yǎng)體系相比,生長參數(shù)基本處于或接近該范圍,與稀釋50%的BG11培養(yǎng)基條件相比,盡管該水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的營養(yǎng)含量較低,但生長參數(shù)仍處于同一數(shù)量級,說明柵藻LXl在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中也能較好生長.2.2lxl網(wǎng)格藻類對廢水中氮和磷的去除特性2.2.1水中總氮含量的變化柵藻LX1在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的培養(yǎng)過程中,不同形態(tài)氮的濃度變化如圖2所示,培養(yǎng)16d后的去除率如表3所示.從圖2可以看出,氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量均呈下降趨勢,說明這3種形態(tài)的氮都可作為柵藻LX1的氮源,但是其下降表現(xiàn)出不同的變化趨勢.前4d氨氮降解最快,由最初的5.75mg·L-1降到第4d的0.21mg·L-1,去除率為96.4%,而亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量變化不明顯.第4~8d期間,硝態(tài)氮的降解速度明顯加快,至第8d時含量降為9.56mg·L-1,去除率為52.6%,亞硝態(tài)氮相對而言變化較小.從第8d開始一直到培養(yǎng)結(jié)束,氨氮含量變化不明顯,而硝態(tài)和亞硝態(tài)氮卻均有較高的去除.另外,培養(yǎng)至第1d時,亞硝態(tài)氮的含量明顯升高,由最初的0.63mg·L-1升高到1.90mg·L-1,之后逐漸下降,培養(yǎng)至第12d左右,水中亞硝態(tài)氮含量才開始低于初值.由表3可見,盡管變化趨勢不同,但柵藻LX1對不同形態(tài)的氮都有較高的去除率.培養(yǎng)至16d穩(wěn)定期時,對氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除率分別為95.5%、96.3%和85.8%,濃度分別降到0.16、0.07和2.86mg·L-1.總無機(jī)氮也有88.0%的去除率,濃度由最初的26.53mg·L-1降為3.19mg·L-1.2.2.2廢水中的磷的去除速率柵藻LX1對廢水中溶解性磷的去除效果見圖3.從圖3可以看出,在培養(yǎng)前期柵藻LX1對溶解磷的去除速率很快,第5d開始,當(dāng)磷降低到0.5mg·L-1以下時,磷的去除速率明顯降低.試驗(yàn)至第16d時,廢水中的磷降至0.03mg·L-1,去除率為98.8%.與李鑫等和Li等研究結(jié)果類似,LX1對廢水中的磷有較好的去除效果.要使廢水處理和能源資源生產(chǎn)有效耦合,單有高的去除率還不夠,能以廢水為營養(yǎng)源獲得性能優(yōu)越的產(chǎn)油能源微藻是從事耦合基礎(chǔ)研究和規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵.為此,本研究在考察柵藻LXl生長和氮磷去除特性的同時還進(jìn)行了其油脂生產(chǎn)能力的分析.2.3藻細(xì)胞的油脂含量微藻的油脂生產(chǎn)能力可用微藻油脂生成總量表征.而微藻油脂生成總量是由藻細(xì)胞生物量和單位藻細(xì)胞的油脂含量決定的,即微藻油脂生成總量=藻細(xì)胞生物量×單位藻細(xì)胞油脂含量.因此,藻生物量的積累量和單位藻細(xì)胞的油脂含量是體現(xiàn)產(chǎn)油能源微藻應(yīng)用價值的2個重要指標(biāo).為了解柵藻LXl在凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水時的油脂生產(chǎn)能力,在培養(yǎng)18d后,測定了藻生物量干重和油脂總產(chǎn)量,分別為0.38g·L-1和0.12g·L-1,由此計(jì)算出單位藻細(xì)胞的油脂含量為31.6%.一般微藻在培養(yǎng)過程中藻細(xì)胞的典型生物量(干質(zhì)量)范圍為0.3~0.5g·L-1,常見的高含油脂藻種的油脂含量普遍處于20%~50%的范圍,柵藻LXl在生活污水二級處理出水中生長時的油脂含量為33%及以上.可以看出,柵藻LXl在凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水時,藻生物量的積累量和單位藻細(xì)胞的油脂含量均處于較高水平,具備能源資源生產(chǎn)潛力.3討論3.1亞硝態(tài)氮和硝化菌柵藻LX1在凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水時,3種形態(tài)氮的去除有明顯的先后特性.氨氮的含量優(yōu)先快速下降,其次為硝態(tài)氮,最后是亞硝態(tài)氮.分析原因,一方面可能是柵藻LX1對3種形態(tài)氮的吸收有選擇性.藻細(xì)胞優(yōu)先利用水中的氨氮和其他還原態(tài)氮,當(dāng)氨氮濃度很低時才吸收利用水中的硝態(tài)氮[28~30].另一方面,藻類光合作用產(chǎn)生氧氣,在亞硝化菌和硝化菌的作用下會促進(jìn)氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮,導(dǎo)致培養(yǎng)初期氨氮含量的快速減少.盡管試驗(yàn)所用廢水經(jīng)過0.45μm濾膜過濾,但培養(yǎng)體系仍存在有亞硝化菌和硝化菌的可能.在本研究培養(yǎng)條件下,3種形態(tài)氮之間的相互轉(zhuǎn)化對其去除有無顯著影響,尚待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證和探討.本研究中,亞硝態(tài)氮的含量在第1d明顯升高,可能是柵藻對硝態(tài)氮的利用形式造成的.硝態(tài)氮在進(jìn)入藻體后,先由硝酸還原酶還原成亞硝態(tài)氮,然后再通過亞硝酸還原酶和谷氨酸合成酶最后合成有機(jī)物質(zhì),細(xì)胞內(nèi)的一些亞硝態(tài)氮會隨著藻的生長釋放到藻體外.同時,培養(yǎng)液中的亞硝態(tài)氮也會被藻利用進(jìn)入藻體細(xì)胞.硝酸還原酶是一種底物誘導(dǎo)酶,當(dāng)培養(yǎng)液中亞硝態(tài)氮濃度較低,而硝態(tài)氮濃度相對較高時,可誘導(dǎo)藻的硝酸還原酶活性增加,產(chǎn)生更多的細(xì)胞內(nèi)亞硝態(tài)氮進(jìn)入培養(yǎng)液中,使培養(yǎng)液中的亞硝態(tài)氮含量上升.只有當(dāng)水中的硝態(tài)氮濃度較低時,藻細(xì)胞才開始大量利用亞硝態(tài)氮.本試驗(yàn)從第8d開始,隨著硝態(tài)氮含量的下降,水中亞硝態(tài)氮的去除速率明顯加快,至第12d左右時低于廢水初值.3.2微生物藻體凈化能力傳統(tǒng)的污水處理工藝凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水存在眾多不足.胡海燕認(rèn)為,采用污水處理工藝和設(shè)備處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水,沒有針對其廢水特點(diǎn),將很多的能量和材料浪費(fèi)在水體充氧上,導(dǎo)致處理成本偏高.張寒冰等研究也表明,沒有曝氣條件下生物膜法對氨氮、亞硝酸氮的去除率僅為35%和76%.方圣瓊和何潔等報(bào)道了生物濾池會使水中硝酸鹽含量增加,硝酸鹽的毒性雖比氨氮和亞硝酸鹽低,但過度積累同樣會影響魚類生長.許多研究均證明了傳統(tǒng)的生物膜法工藝除磷率很低或無除磷能力,處理廢水進(jìn)入環(huán)境后會造成富營養(yǎng)化現(xiàn)象.利用微藻凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水具有低成本去除氮磷的優(yōu)勢.胡海燕研究指出,螺旋藻對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水氨氮的去除效果優(yōu)于其他所選藻種,適于低氨氮養(yǎng)殖廢水的處理.栗越妍等研究表明蛋白核小球藻、斜生柵藻、月牙藻和螺旋魚腥藻均可去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的無機(jī)氮和溶解性磷,最大去除率分別為51.9%、60.9%、43.3%、30.2%和22.7%、76.1%、54.6%、49.5%,各藻種對硝態(tài)氮、氨氮和亞硝態(tài)氮的最大去除率分別為64.8%、15.4%和98.3%.陳春云等也研究了小球藻對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除,氨氮和磷酸鹽的去除率分別達(dá)到80%和85%以上.上述研究雖在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化方面取得了一定效果,但均沒有對產(chǎn)生的藻體價值進(jìn)行資源化研究,而藻體與污泥一樣,排入到環(huán)境中易產(chǎn)生二次污染,并沒有從根本上消除環(huán)境污染,也折扣了凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益.本研究中,柵藻LXl對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的氮磷都有很好的去除效果,氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷的去除率分別為95.5%、96.3%、85.8%和98.8%,與上述處理方法和藻種比較,具有明顯的凈化優(yōu)勢.同時,柵藻LXl在凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水時,能以廢水為營養(yǎng)源積累較高的生物量和油脂含量,藻生物量干重和單位藻細(xì)胞的油脂含量分別為0.38g·L-1和31.6%,具備能源資源生產(chǎn)潛力.由此可見,柵藻LXl適于作為水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化和能源資源生產(chǎn)耦合工藝的優(yōu)選藻種,同步實(shí)現(xiàn)廢水治理和能源資源的生產(chǎn).隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速集約發(fā)展和能源形勢的嚴(yán)峻,柵藻LXl處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景.4柵藻lx