固定化小球藻对海水养殖废水氮磷的处理

中国环境科学2019,39(1)：336~342ChinaEnvironmentalScience固定化小球藻对海水养殖废水氮磷的处理丁一,侯旭光,郭战胜,梁振林*,韩冷,叶萌祺,刘雪芹(山东大学(威海)海洋学院,山东威海264209)摘要：本研究利用海藻酸钠(SA)作为载体、以氯化钙(CaCl2)为交联剂,探究小球藻最佳固定化条件及其对海水养殖废水氨氮和磷酸盐的处理效果.通过对比不同浓度SA和CaCl2对小球藻生长的影响及不同固定化条件的藻球对氨氮、磷酸盐处理效果,确定最佳固定化条件为2.0%SA和2.0%CaCl2.对比固定化藻球和悬浮小球藻对模拟海水养殖废水氨氮、磷酸盐去除效果,结果表明固定化藻球比悬浮藻液对氮、磷处理效果更好.其中低接种率(1:10)固定化藻球的最大氨氮、磷酸盐去除率分别为63.26%和62.76%.固定化小球藻浓度越高,其净化能力越强,高接种率(1:1)固定化藻球的最大氨氮、磷酸盐去除率分别是85.16%和75.94%.连续流运行下固定化藻球对海水养殖废水氨氮、磷酸盐的平均去除率分别为84.49%和72.17%.小球藻固定化态保留并延长了悬浮态生长活性,提高了对海水养殖废水脱氮除磷效果.关键词：固定化；藻球；养殖废水；氨氮；磷酸盐中图分类号：X714,X55文献标识码：A文章编号：1000-6923(2019)01-0336-07Studiesonthetreatmentofnitrogenandphosphorusinseawateraquaculturewastewaterbyimmobilizedchlorella.DINGYi,HOUXu-guang,GUOZhan-sheng,LIANGZhen-lin*,HANLeng,YEMeng-qi,LIUXue-qin(MarineCollege,ShandongUniversityatWeihai,Weihai264209,China).ChinaEnvironmentalScience,2019,39(1)：336~342Abstract：Inthisstudy,sodiumalginate(SA)wasusedasacarrier,calciumchloride(CaCl2)wasusedascross-linkertoinvestigatetheoptimalconditionsofimmobilizedchlorellaanditstreatmenteffectonammonianitrogenandphosphateinmarineaquaculturewastewater.BycomparingtheeffectsofdifferentconcentrationsofSAandCaCl2onthegrowthofChlorella,andtheeffectsofdifferentimmobilizationconditionsonthetreatmentofammonianitrogenandphosphate,theoptimumimmobilizationconditionswere2%SAand2%CaCl2.TheeffectofimmobilizedandsuspendedChlorellaonnitrogenandphosphorusremovalinsimulatedseawateraquaculturewastewaterwascompared.Theresultsshowedthattheimmobilizedalgaeballshadbetterremovalefficiencyonnitrogenandphosphorusthanthesuspendedalgae.Themaximumammonianitrogenandphosphateremovalratesofimmobilizedalgaeballsatlowinoculationrate(1:10)were63.26%and62.76%,respectively.ThehigherconcentrationofimmobilizedChlorella,thestrongeritspurificationability.Themaximumnitrogenandphosphorusremovalratesofimmobilizedalgalballswere85.16%and75.94%respectivelyaccordingtothehighinoculationrate(1:1).Theaverageremovalratesofammonianitrogenandphosphateundercontinuousflowoperationwere84.49%and72.17%,respectively.TheimmobilizedstateofChlorellaretainedandextendedthesuspendedgrowthactivity,andenhancedtheefficiencyofnitrogenandphosphorusremovalfromseawateraquaculturewastewater.Keywords：immobilization；immobilizedalgaeballs；seawateraquaculturewastewater；ammonianitrogen；phosphate海水养殖废水主要是水产经济动物养殖过程中由排泄及过量的饵料等造成的水体N、P等含量高,不经处理直接排放导致海洋环境恶化,生态系统失衡.其中N、P的浓度过高引起水体富营养化,进而引发赤潮等海洋灾害发生[1].养殖废水生化处理工艺主要有接触氧化和固定化微生物技术[2-4].由于海水养殖废水污染物组成复杂和盐度效应,现有接触氧化法的污水处理技术难以达到有效处理养殖废水的目的[5].固定化微生物法是利用化学或物理手段将生化处理的游离细胞固定在一个适合生长繁殖的微环境中,达到有效降解养殖废水中某些污染物目的[6].微藻利用污水中N、P作为其生长元素且不产生二次污染而越来越广泛应用于水处理[7-9].研究表明小球藻对废水的N、P平均去除率可达72%和28%[10].为保证微藻细胞的浓度,固定化藻类越来越受到关注.藻类固定化是利用载体通过物理或化学方法将藻类细胞固定,提高藻类细胞浓度,使其保持较高的生物活性并反复利用的方法[11-12].按照固定化载体材料和固定化方式的特点,将其分为吸附法、收稿日期：2018-06-19基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2017M612278);山东省自然科学基金资助项目(ZR2017PEE008)*责任作者,教授,[e-mail]1期丁一等：固定化小球藻对海水养殖废水氮磷的处理337包埋法、交联法和共价结合法[13].海藻酸钙具有较好的机械强度、传质能、防止生物分解的能力,且对生物无害,是较好的固定化细胞材料[14].固定化藻类系统应用于污水处理,与悬浮性藻细胞系统相比具有藻细胞浓度高,停留时间长,流失少,反应速度快,运行高效稳定,其活性长时间保持稳定的优点[15].有研究利用两段固定化光生物反应器处理乳品污水、固定化小球藻与悬浮污泥混合处理城市污水及对比研究固定小球藻在不同生长环境下对N、P的去除效果,这些研究结果表明固定化细胞比自由活细胞对N、P有更好的去除效果[16-19].固定化小球藻的应用越来越受到关注,但针对固定化对海水养殖废水的处理研究相对较少.本研究利用海藻酸钠为载体,氯化钙为交联剂,探讨常温条件下的最优固定化海水小球藻的条件及对海水养殖废水中氨氮、磷酸盐的去除效果.1材料与方法1.1海水小球藻的富集1.1.1实验藻种来源海水小球藻藻种(Chlorellasalina)取自山东省海洋生物繁育工程技术研究中心保存藻种,室温光照条件下海水培养.1.1.2小球藻的富集小球藻进行复壮后,在指数增长期接种于培养基中,进行富集扩增.海水小球藻的培养基成分如表1所示.1.1.3海水培养基制备将配置好的培养基进行高压灭菌(121℃、20min、0.1MPa),冷却至室温.表1小球藻海水培养基成分Table1ThecompositionoftheculturemediumofChlorella成分用量(mg)NaNO350~100KH2PO45FeC6H5O70.10~0.50海水1000mL1.2海水小球藻固定化方法1.2.1固定化条件确定将海藻酸钠和氯化钙分别配制成质量分数为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%溶液.根据海藻酸钠和氯化钙浓度对小球藻生长的影响确定固定化条件.海藻酸钠和氯化钙溶液浓度梯度设置如表2所示.1.2.2固定化方法将培养至对数生长期的小球藻液进行离心(4000r/min,10min),弃除上清液,并用灭菌海水清洗,再次离心后,培养在不添加N、P海水培养基中.按小球藻浓缩液和海藻酸钠溶液1:1比例进行均匀混合.用注射器(10mL)吸取海藻酸钠和小球藻混合液,在距离氯化钙溶液水面20cm处滴入(80滴/min左右),形成一定数量的藻珠,静置一定时间后固定完全.表2海藻酸钠和氯化钙溶液浓度梯度设置Table2Concentrationgradientofsodiumalginateandcalciumchloridesolution质量分数(%)海藻酸钠(g)无水氯化钙(g)1.01.01.01.51.51.52.02.02.02.52.52.53.03.03.0海水均为100g1.2.3脱固定化方法固定化后小球藻放入1.5%柠檬酸钠溶液中,充分摇晃后即可脱固定化.1.2.4空白藻球固定化海藻酸钠溶液(不添加小球藻浓缩液)按比列加入等量海水混合,依照固定化方法滴入氯化钙溶液即可.1.3模拟海水养殖废水配制实际海水养殖废水中成分复杂多样,有较多干扰测定结果物质,本实验采用人工模拟废水,模拟海水养殖废水组成如表3所示.表3模拟海水养殖废水组成Table3Compositionofsimulatedmarineaquaculturewastewater药品含量(mg)淀粉600氯化铵60KH2PO415K2HPO425海水1000mL1.4测定项目与方法1.4.1生长密度计数方法血球计数板(25×16),光学显微镜计数,平行计数3次取平均值.1.4.2生长密度与OD680的吸光度值拟合曲线取一定量均匀培养藻液于比色皿中,用紫外可见分光光度计测定其在680nm波长处吸光度值,可338中国环境科学39卷间接反映小球藻生长密度.平行测定3次,取平均值.拟合曲线方程为:y=99.84716x-3.05041,R2=0.99573.1.4.3氨氮的测定纳氏试剂光度法[20],在波长420nm处平行测定3次吸光度值,取平均值.标准曲线方程为:y=0.17243x+0.00627,R2=0.99927.1.4.4磷酸盐测定磷钼蓝分光光度法[21],在波长882nm处平行测定3次吸光度值,取平均值.标准曲线方程为:y=0.51904x+0.02151,R2=0.982562结果与讨论2.1海藻酸钠、氯化钙固定化小球藻条件研究2.1.1海藻酸钠(SA)溶液浓度对小球藻生长的影响取小球藻浓缩液10mL和SA溶液100mL按1:10比例进行混合培养,连续5d测定小球藻吸光度值(OD680),以未接种小球藻的SA溶液对应浓度梯度溶液为空白对照,根据吸光度值可估算出小球藻生长情况,不同SA溶液浓度下小球藻的生长情况如图1所示.0123455101520253035藻密度(万个/mL)时间(d)SA1.0%SA1.5%SA2.0%SA2.5%SA3.0%图1不同海藻酸钠浓度下小球藻的生长情况Fig.1GrowthofChlorellaunderdifferentconcentrationsofsodiumalginate如图1所示,在低浓度的SA(1.0%)溶液中,