不同预处理对沼液培育微藻的影响_叶美锋.pdf

2023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2022-12-09基金项目：福建省科技厅省属公益类科研项目（2021R1032004，2021R1032003）作者简介：叶美锋（1981），女，本科，助理研究员，研究方向为农业废弃物资源化利用研究。不同预处理对沼液培育微藻的影响叶美锋吴晓梅吴飞龙林代炎（福建省农业科学院农业工程技术研究所福建福州350003）摘要为推广畜禽养殖废水处理与资源化利用，研究畜禽养殖场沼液废水养殖小球藻、斜生四链藻、四尾栅藻和钝顶螺旋藻4种常用耐高污染的常用饵料微藻，试验选取高温高压灭菌法、添加漂白粉、臭氧杀菌消毒法及未处理沼液4种预处理方式，探讨沼液预处理方法对微藻生长情况的影响以及筛选优质耐污微藻。试验结果表明：4个试验组中小球藻生长状况最好，在高压灭菌处理后微藻生物量提高348%，经过12 d的处理后，COD、TP、NH4+-N去除率分别为80.8%、75.7%、91.3%，处理效果良好，可作为畜禽养殖高浓度废水处理资源化利用的适用藻种。关键词微藻沼液资源化利用中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)0309004畜禽养殖废水的有效处置和资源化利用是当前畜禽养殖健康可持续发展的重要环节。传统的沼液施肥处理利用方式受周边环境影响，需要大量土地进行消纳，无法适用于所有养殖场废水处理，而任意排放则会造成严重环境污染，并导致沼液中丰富的碳氮磷等营养元素流失。因此，研究人员对沼液的资源利用开展多元化的研究。利用沼液中含有的丰富氮磷等营养元素和活性成分，作为营养源开展微藻养殖，在实现沼液净化处理的同时，收获的微藻可作为生物柴油原料或动物饲料，具有极高的附加值1。刘林林等2对15种微藻对猪场养殖污水中的净化效果和微藻养分分析表面，15株微藻都可有效降低沼液的氮磷含量，其中多棘栅藻SHOU-F7、多棘栅藻SHOU-F8和四尾栅藻SHOU-F35对沼液总氮和硝态氮的效果 最 好，而微 藻蛋 白 含 量 最 高 的 为 椭 圆 小 球 藻（Ch.ellip-soidea）。高保燕等3利用奶牛场废水培养富含油脂的尖状栅藻（S.acuminatus），能够有效去除废水中的氮和磷等营养成分，还可以为生产生物柴油提供原料。马红芳等4比较了多种藻类，认为小球藻和栅藻是去除污水中氮、磷等物质效率最高的藻类。应用微藻高效氧化塘技术处理养猪废水、养鱼废水和生活污水均取得良好效果。由于养殖场沼液的浊度高、碳氮比失调、病原菌等因素会抑制微藻生长，因此需要对沼液进行预处理5。基于微藻养殖常用的沼液预处理方式有稀释法、高压灭菌法、吹脱法、臭氧法、化学沉淀法等6-9。这些方法在实验室研究上都取得了一定效果，但是推广过程中由于存在二次污染和操作成本高等缺点，实用性不强，因此，在沼液养殖微藻过程中找到一种易操作、低成本、高效率的预处理方法十分必要。本研究采用稀释法、高压灭菌法和添加漂白粉等3种沼液预处理方法对小球藻、螺旋藻、四尾栅藻和斜生四链藻这4种微藻的养殖效果的分析，研究不同预处理方法对微藻生长情况和沼液污染物去除效果的影响，以寻求一种适用于沼液规模化养殖微藻的沼液预处理方法以及适用于高浓度养殖废水处理的微藻藻种，为后续沼液资源化利用提供技术依据和理论基础。1材料与方法1.1试验材料本实验所用藻种为蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、斜生四链藻（Tetradesmusobliquus）及四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda），原种从中国科学院武汉水生生物研究所淡水藻种库购得，编号为FACHB-9、FACHB-439、FACHB-416及FACHB-44。本试验所用沼液取自福清某规模化养猪场厌氧发酵池出水，静置沉淀1 d后取上清液，用300目纱布进行简单过滤去除较大颗粒物质。为防止因为沼液原液中过高的氨氮和总磷抑制微藻的生长，对过滤后原液稀释4倍后待用。1.2试验方法1.2.1微藻的扩培在恒温光培养箱中进行微藻扩培，取适量微藻与培养基按12比例混匀，蛋白核小球藻、斜生四链藻及四尾栅藻培养基为BG11培养基、钝顶螺旋藻培养基为Zarrouk培养基。试验使用500 mL三角瓶，培养箱温度设置为25，光照 强度2 000 Lux、光暗比为1212，待扩培后微藻达到对数生长期后，待用。1.2.2沼液预处理本试验分5组进行，每组设计3个平行，具体操作如下。培养基组：蛋白核小球藻、斜生四链藻及四尾栅藻选取BG11培养基，钝顶螺旋藻选用培养基作培养基组。对照组（A）：取沼液上清液过滤后加蒸馏水稀释4倍作无处理对照；高压灭菌组（B）：取对照组A沼液在120 进行高压蒸汽灭环 境 大 视 野902023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK由表1可见，4种预处理方式中，高压灭菌会导致沼液的pH值、浊度、COD升高，对TP影响不大，而由于高温的作用促进了NH3挥发从而导致NH4+-N浓度下降。加药组和臭氧灭菌组处理前后的沼液水质指标变化不大，只有臭氧灭菌组脱色效果明显，浊度显著下降。2.24种微藻在不同预处理条件下的生长情况实验应用不同微藻在其最佳光密度范围内的数值变化测试其生长情况，如图1所示。总体来说，蛋白核小球藻组的生长效果最好，在实验前4天，小球藻各实验组生长情况均较缓慢，而到第8天后开始呈现增长趋势。对实验后收获的微藻干重进行分析比较，各组生物增长率见图2。如图2可见，小球藻高压灭菌组的增长率高于其他组，生物量增长率达到348%，其次是臭氧消毒组的微藻增重达到120%，而加药组和未处理沼液组的增长缓慢。其中未经处理的沼液原液组在第8天进入相对生长下降期。小球藻生物增长率为高压灭菌组对照组臭氧组加药组未处理沼液组。斜生四链藻在高压灭菌组和培养基对照组生长效果较好，其生物增长率为高压灭菌组对照组加药组臭氧组未处理沼液组。经过4 d达到对数生长期，其中高压灭菌组生长效果最好，生物增加量最高达到283%，其次是培养基对照组，未经处理的沼液组也呈持续曾趋势，但增长速率较慢，第4天后，未处理沼液组、加药组和臭氧组的都进入静止期，生物量增长减缓。而沼液未处理组的生物增加最低，为73%。四尾栅藻中除培养基组长势良好以外，其他组的生长速率相近，整体增长速度缓慢，其中臭氧组数值相对最高，增长率达到69%，各组生物增加率为培养基对照组臭氧组高压灭菌组加药组无处理沼液组，各组在第6天开始进入静止期和相对下降期，加药组和高压灭菌组生长速率相近，呈现缓慢增长，臭氧组的增长速度高于高压组和加药组，整体呈持续增长趋势。螺旋藻各处理组中，对照组生长呈持续增强趋势，而其他4组的光密度数值一直呈下降趋势，其颜色变淡后逐渐沉于瓶底，除了培养基组，其他组都无法在稀释4倍的沼液中生长。菌20 min待用；加漂白粉组（C）：取沼液上清液过滤后按40 mg/L添加漂白粉，搅拌均匀静置4 d后，稀释4倍进行实验；臭氧杀菌组（D）：取沼液上清液过滤后加蒸馏水稀释4倍通过臭氧发生器生成臭氧杀菌15 min，臭氧产生量为20 g/L，臭氧杀菌处理后待用。取500 mL锥形瓶20个，其中4个加入培养基作为对照实验组，其余15个各自加入250 mL对应预处理沼液，将微藻按15接种量接入各个锥形瓶，定期测定微藻生物量与沼液的各项指标变化。2结果与讨论2.1不同预处理方式对沼液的理化性质的影响采用不同的预处理方式会对沼液的理化性质产生一定的影响，结果见表1。书书书表 摇不同预处理方式对沼液理化性质影响组别编号（）浊度 （）（）（）沼液对照组 高压灭菌组 加药组 臭氧灭菌组 图14种微藻在不同预处理沼液中的光密度变化情况环 境 大 视 野912023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图24种微藻在不同预处理沼液中生物量增长率图34种微藻在不同预处理中对沼液污染物去除效率2.3不同预处理方式对微藻净化水质效果影响2.3.1对COD的去除效果4种微藻在不同预处理方式的沼液的生长过程对水体的污染物去除情况见图3。由图3（a）可知，总体来说，各种预处理方式都可以减少COD浓度，除去培养基对照组，小球藻组中的高压灭菌组COD去除效率最高，达到80.8%。由于沼液中含有的难降解的大分子有机物，微藻较难对其进行同化降解，因此处理效果一般。斜生四链藻中加药组COD去除效率达到71%，是同藻组中最高的；而在四尾栅藻中则是高压灭菌组最高，COD去除率为79.1%。螺旋藻组由于生长不良，后期快速死亡，处理效果不进行评价。2.3.2对TP的去除效果对比前3个藻种的TP去除率，总体而言小球藻组的去除环 境 大 视 野922023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（上接第86页）图5地表水和地下水样品的HCA分析树状图将样本分为3组（图5）：第1组（L3和L4），第2组（PZ3）和第3组（BG1、BG2、BG3、PZ1和PZ2）。该HCA与PCA一样，显示了PZ3与L3和L4之间的相似性，证实了填埋场研究的渗滤液发生了渗漏，对地下水的水质参数产生了影响。3结论（1）所分析的渗滤液渗漏后与周围水域接触时具有很大的污染危险。然而，重金属离子浓度较低，说明这些元素的污染潜力较低，可能是由于这些金属在介质中的溶解度较低，或者是由于这些金属在废物中的浓度较低。（2）高浓度的NH4+、K+、Na+、Ca2+和Mg2+是渗滤液的主要污染物。（3）多元统计分析表明，废物池中产生的渗滤液经处理后水质有所改善。PZ3收集的地下水相对于其他PZ的参数发生了变化，这意味着渗滤液渗漏或渗透到水中。BG1中碱金属和NH4+的含量高于其他地表水采样点，说明垃圾渗滤液很可能渗进了BG1。参考文献1李婉君，许惠燕，梁建霞，等.基于多准则统计学方法的珠三角区域地表水水质监测及评价J.云南化工，2022，49（10）：100-104.2李晓姣，张岱琼，乔俊，等.基于多元统计方法的某地浅层地下水污染来源分析J.中国环境监测，2020，36（1）：88-95.3周丰，郭怀成，刘永，等.基于多元统计分析和RBFNNs的水质评价方法J.环境科学学报，2007，4（10）：1-5.4杨学福，王蕾，关建玲，等.基于多元统计分析的渭河西成段水质评价J.环境工程学报，2016，10（03）：1560-1565.5聂长旭，刘莹，郑国臣，等.基于多元统计方法评价嫩江流域省界缓冲区水质J.黑龙江大学自然科学学报，2020，37（3）：333-339.沼液TP效果最好，见图3（b）。各组去除效果分别是高压灭菌组臭氧组加药组未处理沼液组对照组，其中加药消毒组的TP去除率最高达到75.7%。斜生四链藻和四尾栅藻组中的也是加药消毒处理组的去除率最高的，均在73%以上。螺旋藻组由于无法在高浓度沼液中存活，因此该组除了对照组其他组藻种没有除磷效果，反而因为藻类的死亡，细胞内有机物释放进入水体，导致TP含量提高。2.3.3对NH4+-N的去除效果藻类对氮的利用优先选择NH4+-N，4种微藻预处理后对沼液中氨氮的去除效率见图3（c），小球藻和斜生四链藻对沼液中NH4+-N的去除效果相近，其中小球藻的去除效果臭氧组对照组加药组高压灭菌组未处理沼液组，整体去除率都达到85%以上，其中最高的臭氧组去除率为95%。而斜生四链藻中加药组的去除率最高，达到91.8%。四尾栅藻组则是臭氧组的去除效率最高，为84.1%。3结论（1）本研究采用稀释法、高压灭菌法和添加漂白粉等3种沼液预处理方法对小球藻、螺旋藻、四尾栅藻和斜生四链藻这4种微藻的养殖效果的分析，综合沼液预处理各项指标去除率及藻体生物量，蛋白核小球藻比斜生四链藻、四尾栅藻和钝顶螺旋藻更适用于沼液（氨氮浓度490 mg/L）资源化处理。（2）预处理方式选择高压灭菌方式处理的小球藻，其在沼液中生长状况最好，微藻生物量提高348%，COD、TP、NH4+-N去除率分别为80.8%、75.7%、91.3%。（3）虽然高压灭菌预处理方式效果最佳，但是运行难度较大，投资成本过高，无法在规模化养殖场中推广应用。而小球藻组中应用臭氧杀菌预处理方式，其生物量增长情况仅次于高压灭菌组和培养基对照组，其COD、TP、NH4+-N去除率分别为80.1%、73.4%、95.0%，污染物去除效果是各组中最佳的，与高压灭菌消毒方式相比更经济可行。而且许多养殖场在污水处理过程末端都已配置了臭氧杀菌设备，不需要重新购置新设备，节省投资。因此，应用臭氧杀菌预处理方式更适用于规模化养殖场沼液资源化利用培育微藻。（4）综上所述，应用小球藻在臭氧杀菌处理后的沼液中进行栽培利用，是本研究最佳组合。参考文献1胡洪营，李鑫，杨佳.基于微藻细胞培养的水质深度净化与高价值生物质生产偶合技术J.环境科学学报，2010，18（2）：1122-1127.2刘林林，黄旭雄，危立坤，等.15株微藻对猪场养殖污水中氮磷的净化及其细胞营养分析J.环境科学学报，2014，34（8）：1986-1994.3高保燕，沈丹丹，何思思，等.富油微藻尖状栅藻生物质生产与奶牛场废水处理相结合的效果研究J.可再生能源，2014，32（5）：673-679.4马红芳，李鑫，胡洪营，等.栅藻LX1在水产养殖废水中的生长、脱氮除磷和油脂积累特性J.环境科学，2012，33（6）：1891-1896.5罗龙皂，林小爱，杨佳，等.微藻净化畜禽养殖废水影响因素研究进展J.浙江农业学报，2020，32（3）：552-558.6罗龙皂，邵瑜，田光明.基于微藻培养的养猪废水氨氮吹脱预处理J.浙江大学学报（工学版），2017，51（10）：2055-2060.7孙中亮，冯雪珂，李丹，等.小球藻净化沼液的预处理方法J.生物学杂志，2017，34（3）：99-104.8王伟伟，陈书秀，钱瑞，等.海水养殖废水预处理方法与微藻藻种筛选J.水产科学，2014（3）：181-185.9巫小丹，刘伟，阮榕生，等.不同预处理方法对沼液养殖微藻的影响J.环境污染与防治，2014，36（1）：9-12.环 境 大 视 野93