藻菌固定化技術在水產養殖中的應用

章霞　傅榮兵　柳敏海等

摘要 藻菌固定化技術具有強可控性、強重復性、長作用時間、高利用率等優點，被廣泛應用生產生活。隨著該技術的不斷發展，藻菌固定化也被逐漸應用于水產養殖水質處理中。介紹了藻菌固定化技術的主要特性及其在工業污水、水產養殖中的應用研究以及發展前景。

關鍵詞 藻菌固定化；水產養殖；水質處理

中圖分類號 S949 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-139-02

Abstract Algaebacteria immobilization （ABI） has many advantages， such as strong controllability， repeatability， long disinfecting time， high utilization rate， etc. It has been widely applied in the fields of life and production. With the development of technology， ABI also play a important role in improving water quality of aquaculture. The main characteristics， application on industrial wastewater， aquaculture of ABI were summarized， as well as the development prospect.

Key words Algaebacteria immobilization； Aquaculture； Water quality administration

近年來，隨著養殖水環境惡化、環境保護意識的加深以及水質處理技術的的發展，水產養殖水質調控以及養殖廢水處理問題越來越引起人們的關注。根據2010年國家環境保護部、國家統計局和農業部聯合發布的《第一次全國污染源普查公報》可知，全國COD排放總量為3 028.96萬t，總磷42.32萬t，總氮472.89萬t；水產養殖業所排放的COD為55.83萬t，總磷1.56萬t，總氮8.21萬t，分別占全國排放量的1.84%、3.69%和1.74%。水產養殖大換水量、高排放量導致部分水體中氮、磷等營養物濃度的超標，加劇了水體有機污染和富營養化，對水域生態系統產生影響，危害水生生物以及人類自身安全。因此，亟需采用一種先進技術對養殖水質進行有效調控，藻菌固定化生物修復技術由此應運而生。

1 藻菌固定化技術

20 世紀末，污水處理行業興起了一項新技術——藻菌固定化（Algaebacteria immobilization，ABI）。該技術通過采用吸附法、包埋法、交聯法、共價結合法等方法固定有益菌和藻類，由藻-菌有效形成共生系統，提高水體內細菌和藻類的濃度，從而達到有效處理廢水中N、P等物質的效果，而且此技術還具有強可控性、強重復性、長作用時間、利用率高等優點，被廣泛應用人們生產生活中，尤其是造紙業、化工業以及生活污水處理等方面[1-3]，在水產養殖中的應用也具有良好效果，具有良好的應用前景[4-5]。

藻菌固定化的技術一般應用吸附法或者包埋法，通過選擇聚乙烯醇（PVA）、海藻酸鈉（SA）、活性淤泥、活性炭、沸石、麥飯石、石英砂和硅藻土等常見物質作為載體，吸附或者包埋單胞藻-蛋白核小球藻、小球藻、銅綠微囊藻等混合有益菌-光合細菌、芽孢桿菌、EM菌等作為一個整體，在水質處理中發揮作用。藻菌固定化有利于提高微生物細胞濃度和純度，保持高效菌種，反應迅速，且微生物流失少，產物分離容易，反應過程控制比較容易，并也有利于除氮和去除高濃度有機物或某些難降解物質，并且藻菌固定化在菌體和藻類之間能夠互相提供生長因子，有助于延長整體打分存活作用時間，有助于水質的處理效果[6]。

2 藻菌固定化技術在工業污水處理中的應用

20世紀60年代，固定化技術開始迅速發展。20世紀70年代后期，隨著環境污染的日益嚴重，國內外開始應用固定化技術來處理工業廢水，目前藻菌固定化已較為成功地運用于污水處理中，且效果顯著。

王愛麗等[7]證實混合固定化藻菌體系比單一固定化藻對污水中的N、P 有更好的去除效果。污水經細菌和銅綠微囊藻二者聯合處理后，污水的水質理化指標中N、P都降低到較低水平， 尤其對NH4+-N 的去除效果更好。

范唯等[8]運用固定化柵裂藻（Scenedesmus）以及芽孢桿菌等對焦化廢水進行凈化，在最佳條件下7 d后固定化柵裂藻可以將焦化廢水的氨氮濃度由300 mg/L降低到24 mg/L、苯酚濃度由3.01 mg/L降至0.48 mg/L、色度由402.67度降至354度。結果表明，經過這種工藝處理后色度、氨氮、苯酚的去除率分別為92.62%、86.33%和88.55%。該處理系統焦化廢水處理達到國家一級標準。這表明藻菌固定化技術在高難度廢水處理應用中已經有了重大突破。

為了改善藻細胞和活性淤泥的共培養技術， 鄧旭等[9]利用固定化藻細胞流化床，最佳操作條件為DO濃度5 mg/L，光照強度2 000 lx，固定化藻球填充率20%，通過連續化處理系統最終出水COD 降到15 mg/L左右，氨氮濃度降至0.5 mg/L以下，總磷含量在0.5 mg/L左右。在2個月的連續運行期間，出水水質始終保持穩定，表明該連續化污水處理系統具有良好的操作穩定性，與同一試驗的活性淤泥部分相比具有更好的除磷能力。

王秀等[10]也利用固定化藻菌小球流化床光生物反應處理高濃度有機廢水，結果表明在室溫條件下COD的去除率最高可達到79.2%，對NH4+N和PO43-P的去除也有較好的效果，最高去除率分別可達到80.1%和82.4%。綜合考慮各種因素（如處理效果、能耗以及操作條件和控制因素等）， 當光照強度為4 000 lx、固定化藻菌小球濃度為30 g/L時，此試驗達到較好的污染物去除效率。

在目前的研究中，主要的研究內容是影響藻菌混合固定的污水處理效果的影響因子（如藻菌的初始數量、期間變化、代謝功能關系、光照強度以及光照時間、溶解氧密度等）。王愛麗等[7]指出芽孢桿菌等和銅綠微囊藻的菌藻比例為2∶1較為合適，供氧條件相較于光強的對藻類生長的影響更為重要，良好的供氧條件有利于藻類的吸收，缺氧則會導致磷的釋放。王秀等[10]研究表明固定化藻菌小球密度為30 g/L時，具有較好的污染物去除率；當光照強度從0增強到2 000 lx，COD、NH4+N，PO43-P去除率分別增加13.8%、12.0%、13.6%。當光照強度從2 000 lx增加到4 000 lx時，COD、NH4+N、PO43-P去除率均有所增長，但趨勢減緩；當光照時間為12 h，各指標的去除率是反應時間為6 h的1倍多，由此可見在一定范圍內加強光照強度，延長光照時間，可以提高反應系統對水質處理的作用效果，這與鄧旭等[9]的研究結果相符合。這些結果為進一步研究藻菌固定化的應用技術、應用范圍以及工業化生產提供了必要的試驗數據。

綜上所述，不同研究目的、不同處理工藝以及不同搭配之間的藻菌固定化對于污水處理的效果以及實施條件都有所差異，所以進一步深化對藻菌固定化的研究以及多領域對藻菌固定化的使用具有重要理論和實踐意義。

3 藻菌固定化技術在水產養殖中的應用

近年來，隨著社會的進步和技術的發展，藻菌固定化逐漸應用于水產養殖中。藻菌固定化不僅有利于優勢菌種的固定，而且能維持水體中較高濃度的有益菌和藻類，提高降解有機物、氨氮、總磷等的效率[11]，為水產養殖提供安全的養殖環境，減輕養殖廢水污染壓力，保證水產養殖的可持續發展。

鄭耀通等[12]研究表明利用固定化光合細菌技術凈化養魚池水質，在去除養殖水環境中總氮、總磷、氨氮以及降低COD、增加溶解氧等方面具有顯著效果。辛福言等[13]進行沸石粉固定化對蝦池水環境進行修復處理，結果表明固定化菌體能明顯改善水質，降解有機物。鄭忠明等[14]使用固定化有益微生物在養殖池塘進行了圍隔比較試驗，結果表明固定化微生物能更加有效地降解養殖池塘底泥有機質。韓士群[15]利用固定化微生物對養殖水體的3 種形態氮進行處理，結果表明固定化微生物可以顯著降低水體的總氮、氨態氮和硝態氮的濃度，但除了氨態氮去除率在80%以上外，總氮和硝態氮的去除率都介于60%～70%。由此可見，微生物的固定化對水產養殖水環境的處理具有良好的效果，為后期藻菌固定化的應用提供了借鑒依據。

在關于藻菌固定化對養殖廢水的處理效果的研究中，鄒萬生等[16-17]比較了固定化EM 藻菌（CEMI）、固定化活性污泥藻菌（CAMI）、固定化EM活性污泥協聯藻菌（CEAMI）對珍珠蚌養殖廢水中氮磷的去除效果以及光照強度、溫度對三者脫氮去磷的影響。在試驗條件下，CEMI、CAMI 和CEAMI的去N 峰值（最高值）為80.45%～91.60%，去P 峰值（最高值）分別為76.28%～84.67%，結果表明固定化EM-活性污泥協聯藻菌（CEAMI）對水質的處理效果最好，研究還表明光照強度和溫度是影響菌藻固定化去N、P 效果的重要環境因子，這都與藻菌固定化的處理工藝以及成分組成、去除目的相關。

武心華等[18]在刺參養殖池塘有機物降解菌固定化及其對水質凈化作用研究中指出沸石粉相較于活性炭、麥飯石、石英砂等其他3種介質對細菌的吸附能力較強，在此條件下，與游離菌體相比固定化低溫菌對COD、NH4+N和NO2N的降解率分別達到了56.2%、51.0%和78.3%，降解率則分別提高了11.20%、10.40%和5.29%；固定化常溫菌組合對COD的降解率達到65.3%，降解率提高了22.4%。

綜上所述，藻菌固定化在水產養殖中應用研究的主要內容也集中在藻菌固定化的水質處理效果的影響因子方面，但是與其在污水處理中的應用相比藻菌固定化在改善水產養殖水質方面要更加考慮到水生動物的生物安全方面，如溶解氧、藻菌的生物種類、生物量、水質中的N/P比例、C/N比例以及水體的pH等。

微生物對污染物的去除受到DO、pH、C/N等諸多因素的影響，而C/N對微生物硝化反硝化脫氮作用及溶磷效果的影響較大[19-22]，細菌和藻類的自身構成與代謝類型的差異密切關系到其對環境中碳、氮元素的需求量[23]。研究表明，當水環境中C/N>10時，有利于微生物的生長；添加葡萄糖、糖蜜、蔗糖等糖原有助于細菌的長期生長以及提高水處理效果[24-28]。目前，添加碳源來提高養殖水體的C/N是近年來養殖生產應用中的環境調控方法，通過促進與優化異養細菌的生長來調節水質[29-31]。同樣，藻菌固定化中需要提供不斷的碳源來保證細菌的持續生長需要，但又不至于影響藻類以及水生動物的平衡生長，并且也要考慮實際生產中的生產成本、生產工藝、實施途徑等因素來決定C/N的維持范圍和提供途徑，因此結合C/N對藻菌固定化水處理技術的研究需要不斷探索與研究。

4 小結

藻菌固定化在水產養殖中的應用研究目前還處于初級階段，盡管在水質處理中的影響因素（光照、溶解氧、有機物濃度等）進行了初步探討，但是結果相差較遠，而在藻菌固定化的工藝、培養技術、應用技術等研究方面都不夠完善，仍需要通過不斷研究和探討，以獲得較為詳盡和精確的數據來支持理論以及實踐的發展。

然而，目前研究已表明藻菌固定化技術能夠達到改善養殖水質、凈化養殖廢水、維持水域生態平衡的目的，這不僅有助于減少養殖風險、降低養殖成本，而且有助于養殖業節能減排，促進高效、潔凈、循環的養殖系統的生成和養殖業的可持續發展。藻菌固定化作為新型的養殖水環境處理和養殖廢水處理技術，在今后的水產養殖中將具有重要的推廣和使用價值。

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