萊茵衣藻Chlammydomonasreinhardtii凈化酒糟廢水研究

余 江， 王 萍, 冉宗信， 趙 亮， 楊 春

( 1. 四川大學 建筑與環境學院， 四川 成都 610065； 2. 四川大學 新能源與低碳技術研究院， 四川 成都 610065; 3. 成都市環境保護科學研究院 固體廢物與危險化學品管理研究所， 四川 成都 610072; 4. 四川師范大學 化學與材料科學學院， 四川 成都 610066)

萊茵衣藻Chlammydomonasreinhardtii凈化酒糟廢水研究

余 江1，2， 王 萍1，2, 冉宗信1，2， 趙 亮3， 楊 春4

( 1. 四川大學 建筑與環境學院， 四川 成都 610065； 2. 四川大學 新能源與低碳技術研究院， 四川 成都 610065; 3. 成都市環境保護科學研究院 固體廢物與危險化學品管理研究所， 四川 成都 610072; 4. 四川師范大學 化學與材料科學學院， 四川 成都 610066)

通過結合廢水處理與能源微藻培養，既可以實現廢水的無害化處理，也可以為微藻的培養提供營養組分和大量水源.以萊茵衣藻(Chlammydomonasreinhardtii)為實驗材料，以酒糟廢水為培養基，構建室內微型生態系統，考察了不同處理方法下的酒糟廢水接種萊茵衣藻后的總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)的去除情況以及微藻蛋白提取情況.結果表明：酒糟廢水稀釋液初始TN質量濃度位于9.39 ～30.86 mg·L-1時，廢水總氮去除率在70%～80%之間；初始TP質量濃度位于3.45～10.93 mg·L-1時,總磷去除率較高，最高達到86.59%；不同稀釋倍數的酒糟廢水COD去除率均高于50%.而稀釋80倍、50倍以及 50倍(氮磷質量濃度比為108∶7)的藻可溶性蛋白增長均比較明顯，最大值可達到11.36 mg·L-1，同時也說明通過外加氮、磷調節氮磷的初始質量濃度比至108∶7,可大大提高其產量.總體上，在稀釋倍數為50倍(TN、TP初始質量濃度分別為18.23、6.99 mg·L-1)時，萊茵衣藻生長良好，廢水中TN、TP、COD去除效果均比較明顯，對水質的凈化效果最佳，同時可獲得較高質量濃度的藻可溶性蛋白，這為酒糟廢水與微藻耦合規模化培養提供了一種新的思路.

酒糟廢水； 萊茵衣藻； 總氮； 總磷； COD； 可溶性蛋白

酒精行業產生的蒸餾廢液-酒糟廢水含有高濃度有機物(COD質量濃度達到30 000～80 000 mg·L-1)、高濃度懸浮物(SS質量濃度達到20～30 g·L-1)、高營養且難以處理和再利用的物質，是輕工業重要的污染性廢水之一[1].由于酒糟廢水可生化性強，屬于易降解有機廢水，通常采用物理、化學、生物等方法處理，其中生化法最具競爭力，如USAB-UBF-SBR法、UASB-生物接觸氧化法、AFB-CASS法等[2-4].但由于生化法在處理能力和處理時間上仍存在很多難以攻克的問題，使其應用受到一定限制.隨后又出現了如超臨界水氧化法、高效濃縮燃燒法、光催化氧化法等，這些方法作為高效、快速的處理方法具有很大的發展潛力，但用于大規模處理中，費用較高，而且高溫高壓對設備具有很強腐蝕性，故目前還只是處于試驗階段.由于釀酒的原料均采用農作物，其中生產酒只利用了原料中的淀粉或糖分，其他成分不僅未能利用，而且在發酵過程中會產生多種氨基酸和蛋白質[5].這些成分是寶貴的物質資源，如果隨廢水一起處理，會因負荷高而耗費較多的基建投資和運行費用，影響企業治廢的積極性,因此，尋求經濟、實用、合適的酒糟廢水處理手段對酒精產業的健康發展具有重要意義.

微藻是單細胞或多細胞光合微生物，具有繁殖速率快，光合效率高，產油量高，生長條件溫和等優點.利用微藻處理廢水，可降低廢水中的有機物和營養物質(N、P)的質量濃度，達到凈化廢水水質的效果[6].同時，微藻由于其產油率高，體積小，易于干燥和粉碎，后續生產生物燃料要求較低，近些年常被稱作是生產生物柴油最有潛力的替代原料[7].然而就利用微藻處理酒糟廢水的試驗，國內相關研究甚少.鑒于此，本研究嘗試把酒糟廢水處理與微藻養殖耦聯，不僅能有效解決酒糟廢水難以徹底處理的問題，同時還變“廢”為“寶”，資源循環利用生產出另一種更具市場競爭力的高附加值產品.相比酒糟廢水的其他處理方法，該方法無疑是一項成本低、能耗少、效益高、開發潛力巨大的環保工程.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 酒糟廢水 選用四川省成都市某酒廠廢水.將酒糟廢水經中速分析濾紙抽濾后收集濾液，再經0.45 μm微孔濾紙二次抽濾至水樣澄清，取濾液置于高壓滅菌鍋(T=121 ℃，t=30 min)中滅菌，待到清液溫度降至室溫后置于冰箱內冷藏備用.經分析得酒糟廢水清濾液主要水質為:TN、TP、COD分別為928.3、342.8、32 392.5 mg·L-1.

1.1.2 藻種 萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)藻種來自四川大學生命科學學院藻種室，接種于WC medium培養基內，于光照培養箱(T=20 ℃,光照強度為2 000 lx)內靜止培養.WC medium培養基配比見表1.

表 1 WC medium培養基各成分配比

1.2 酒糟廢水接種萊茵衣藻預培養 于5只250 mL潔凈三角瓶中分別加入稀釋0倍、30倍、50倍、80倍、100倍的廢水，培養20 d.期間觀察藻的長勢，為后期實驗廢水稀釋倍數的選擇作參考.

1.3 酒糟廢水接種萊茵衣藻實驗方案 在5只250 mL潔凈三角瓶中分別加入稀釋30倍、50倍、80倍、100倍、50倍(調節氮磷的初始質量濃度比至108∶7)的酒糟廢水清濾液100 mL，在無菌條件下接入與預培養階段相同量的萊茵衣藻，在設定溫度為25 ℃，光照2 000 lx，光暗比12 h/12 h的光照培養箱內靜置培養，以17 d為第一試驗周期，定時搖瓶、取樣用作測定各培養液TN、TP、COD、可溶性蛋白質量濃度，同時添加與取樣時培養液質量濃度一致的廢水稀釋液于相應培養液中使得培養液體積不變.

將稀釋50倍的廢水通過外加氮磷調節至萊茵衣藻生長所需適宜的初始N、P質量濃度(根據前期實驗所得氮磷的質量濃度比為108∶7)，旨在探究衣藻在營養充足的條件下對廢水的凈化能力.

1.4 分析方法 總氮、總磷的測定分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)和鉬酸銨分光光度法 (GB11893-89)；COD質量濃度測定采用快速催化法；可溶性蛋白的測定應用考馬斯亮藍G-250染色法[8].

2 結果與分析

2.1 不同營養條件下萊茵衣藻對廢水中TN、TP、COD去除 從圖1(a)可以看出：不同稀釋倍數的廢水接種衣藻后TN質量濃度均呈不斷下降的趨勢.由此可以表示稀釋倍數在由30到100倍的范圍內，衣藻對廢水均具有明顯的TN去除作用，隨著廢水濃度的不斷提高，TN總去除速率從0.409 mg·(L·d)-1(稀釋100倍)增加到1.412 mg·(L·d)-1(稀釋30倍)，具有稀釋倍數越低，TN去除速率越高的大致規律.而將稀釋50倍調節至50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7) 條件時，雖然TN質量濃度有下降趨勢，但其終端TN質量濃度相對稀釋50倍初始TN質量濃度高出太多，說明調節培養液的初始N，P質量濃度使廢水初始TN質量濃度處于較高水平對廢水TN的去除并無效果.

圖2(a)的結果表示：當廢水中TN初始質量濃度在9.39～30.86 mg·L-1時，衣藻細胞能吸收并同化大部分廢水中的氮，總氮去除率在70%～80%之間.但隨著廢水中初始TN質量濃度的進一步升高，TN去除率急劇下降，由原來的72.1%(50倍，TN初始質量濃度為18.23 mg·L-1)降低至35.29%(50 倍 以及氮磷的質量濃度比為108∶7， 此時TN初始質量濃度為103.81 mg·L-1).說明高質量濃度含氮量的廢水對總氮的吸收具有飽和性.鄧旭等[9]利用萊茵衣藻處理含氮質量濃度在15 ～75 mg·L-1的人工廢水試驗中，當廢水含氮質量濃度達到75 mg·L-1時，氮去除率降低到50%左右，說明藻細胞對氮的吸收達到基本飽和.

圖1(b)和圖2(b)表示衣藻對廢水TP在3.45 ～10.93 mg·L-1時，具有明顯的去除效果.當廢水稀釋50倍(TP初始質量濃度為6.99 mg·L-1)，TP去除率最高，達到86.59%，同時，調節氮磷的質量濃度比為108∶7(50倍)時，TP去除率從76.59%增加到85.47%，說明通過外加氮磷的方式改變廢水的初始TP質量濃度在一定程度上能促進衣藻細胞對磷的同化，達到更好的去除效率.另外，100倍、80倍、50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7)3組均在衣藻生長第6天以后TP質量濃度趨于平緩并有小幅度的上升，這是因為到培養后期，培養基中的N、P難以滿足微藻生長需求，部分微藻死亡又重新釋放一定量的氮和磷[10].

圖3結果表明，不同稀釋倍數的廢水COD去除率均高于50%，當廢水稀釋30倍(初始COD質量濃度為1 253 mg·L-1)時，COD去除率達到最高(67.04%).隨著廢水質量濃度的提高，衣藻對廢水的COD的去除能力隨之提高，說明在廢水COD質量濃度位于351 ～1 253 mg·L-1時，適當提升廢水的濃度有利于提高處理效率.梁锏文等[11]利用微藻處理丁醇廢水的試驗結果表示，隨著培養基中廢水質量濃度的增加(超過50%，CODcr質量濃度位于16 981 mg·L-1以上)，微藻對廢水中總氮的去除能力隨之下降，說明過高質量濃度廢水會抑制小球藻的生長.萊茵衣藻降低酒糟廢水COD的廢水質量濃度也應存在轉折點.

而調節50倍調節至50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7)反倒使得COD去除率最低，說明通過外加氮磷調節廢水的初始氮磷至最佳雖然能促進藻細胞的生長，但對廢水的COD去除并沒有實際的貢獻.

圖4表明廢水初始COD質量濃度相近時，COD下降趨勢基本相同，且都在生長對數期(第3～6天)具有最高的去除速率，之后去除效果并不明顯.

2.2 不同營養條件下酒糟廢水對萊茵衣藻生化特性的影響 由圖5可看出，不同稀釋倍數條件下，萊茵衣藻可溶性蛋白質量濃度隨培養時間大致呈現先逐漸上升直至平衡的趨勢.

其中稀釋80倍和50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7)的藻可溶性蛋白增長幅度高于其他實驗組，到實驗周期結束時，其可溶性蛋白質量濃度分別達到10.18 、11.36 mg·L-1，但并無顯著性差異(P>0.05).結合不同稀釋倍數下廢水氮磷質量濃度變化及去除率變化趨勢，稀釋80倍的氮磷質量濃度下降幅度最大，萊茵衣藻細胞則可最大限度地利用培養液中的無機態氮通過光能自養的方式合成自身所需的各類蛋白質[12-14].而調節50倍至50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7)，衣藻細胞可溶性蛋白質量濃度從6.16 增加到11.36 mg·L-1，說明在酒糟廢水中按照衣藻最佳生長N/P外加氮磷對其藻細胞生長有很大的促進作用.

3 結論

對萊茵衣藻凈化酒糟廢水的能力進行了分析，考察不同稀釋倍數的酒糟廢水以及外加氮磷調節初始N/P質量濃度的酒糟廢水在接種萊茵衣藻后的TN、TP、COD去除情況和可溶性蛋白的產生情況.研究結果表明：

1) 當酒糟廢水稀釋液初始TN質量濃度位于9.39～30.86 mg·L-1時，廢水總氮去除率均在70%～80%之間.但從稀釋50倍(TN初始質量濃度為18.23 mg·L-1)調節至50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7，TN初始質量濃度為103.81 mg·L-1)，TN去除率急劇下降，由原來的72.1%降低至35.29%.

2) 酒糟廢水初始TP質量濃度位于3.45～10.93 mg·L-1時TP去除效果明顯，廢水稀釋50倍時(TP初始質量濃度為6.99 mg·L-1)，TP去除率最高，達到86.59%.

3) 不同稀釋倍數的酒糟廢水COD去除率均高于50%，當酒糟廢水稀釋30倍(初始COD質量濃度為1 253 mg·L-1)時，COD去除率達到最高，達到67.04%，其次是50倍和80倍，COD去除率分別為61.01%和60.03%.

4) 稀釋80倍和50倍(氮磷的質量濃度比為108∶7)的藻可溶性蛋白增長比較明顯，質量濃度最大值可分別達到10.18 、11.36 mg·L-1，同時也說明通過外加氮、磷調節氮磷的初始質量濃度比至108∶7,可大大提高其產量.

總體而言，當稀釋倍數為50倍(TN、TP初始質量濃度分別為18.23、6.99 mg·L-1)條件下，萊茵衣藻生長良好，廢水中TN、TP、COD去除效果均比較明顯，對水質的凈化效果最佳，同時可獲得較高質量濃度的藻可溶性蛋白，這為酒糟廢水與微藻耦合規模化培養提供了一種新的思路.

[1] 周建丁,周分健. 白酒工業廢水處理現狀及展望[J]. 四川理工學院學報(自然科學版)，2008,21(6):74-77.

[2] 李健秀，王建剛，邱俊，等. 超濾-反滲透集成工藝處理玉米酒糟廢水[J]. 化學工程，2007,35(8):42-44.

[3] 郭慶東，黃杰龍，冠巧花，等. UASB工藝在規模化處理米酒糟廢水中的應用[J]. 水處理技術,2013,39(6):125-128.

[4] 李克勛，王太平，張振家. 酒糟廢水處理工藝改造實例[J]. 中國給水排水，2004,20(5):83-85.

[5] 耿土鎖，袁嗣兵. 高濃度酒糟廢水的綜合利用[J]. 江蘇環境科技,1997,2:29-31.

[6] 劉磊，楊雪薇，陳朋宇，等. 3種微藻對人工污水中氮磷去除效果的研究[J]. 廣東農業科學,2014,11:172-176.

[7] GOUVEIA L, OLIVEIRA A C. Microalgae as a raw material for biofuels production [J]. J Ind Microbiol Biot,2008,36(2):269-274.

[8] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術[M]. 北京：高等教育出版社,2000.

[9] 鄧旭,魏斌,胡章立. 利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究[J]. 環境科學,2010,31(6):89-93.

[10] 章斐,陳秀榮,江子建. 不同氮磷濃度下2種無毒微藻的生長特性和脫氮除磷效能[J]. 環境工程學報,2015,9(2):59-66.

[11] 梁锏文,李智斌,陳柏銓. 利用微藻處理生物丁醇廢水的初步研究[J]. 廣州化工,2015,22:78-80.

[12] YU S, HUBBARD J S, HOLZER G. Total lipid production of the green of the green alga nannochloropsis sp. Qii under different nitrogen regimes [J]. J Phycology,1987,23(23):892-96.

[13] DORTCH Q. Effect of growth conditions on accumulation of internal nitrate, ammonium and protein in three marine diatoms[J]. J Experimental Marine Biology Ecology,1982,61(3):43-254.

[14] 曾玲,文菁,徐春曼. 氮、磷對微藻生長和產毒的影響[J]. 湛江師范學院學報,2011,32(6):103-108.

(編輯 陶志寧)

Study on Purification of Vinasse Wastewater byChlamydomonasreinhardtii

YU Jiang1,2, WANG Ping1,2, RAN Zhongxing1,2, ZHAO Liang3, YANG Chun4

( 1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan; 2. Institute of New Energy and Low Carbon Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan; 3. Institute of Solid Waste and Hazardous Chemicals Management, Chengdu Academy of Environmental Science, Chengdu 610072, Sichuan; 4. College of Chemistry and Materials, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, Sichuan

It could realize innocent treatment of wastewater and provide culture of microalgae with nutrition and water resource by combining wastewater treatment with microalgae culture. In this research, indoor micro ecological system was set by usingChlammydomonasreinhardtiias experimental material and vinasse wastewater as culture medium to observe the removal rate of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chemical oxygen demand (COD) in vinasse wastewater, and the effect of microalgae protein extraction as well. The result showed that the final removal rate of TN reached up to 70% to 80% when the initial concentration of TN in vinasse wastewater was between 9.39 mg·L-1and 30.86 mg·L-1, it had a good removal rate even to 86.59% of TP when the initial content of TP was between 3.45 mg·L-1and 10.93 mg·L-1. C. reinhardtii could remove more than 50% COD of vinasse wastewater which had different dilution ratio. Meantime, the content of soluble protein increased obviously under the conditions of diluted 80×, 50×, and 50× (the rate of nitrogen and phosphorus being 108∶7). In general, at the condition of diluted 50× (TN, TP concentration being 18.23 mg·L-1, 6.99 mg·L-1, respectively),C.reinhardtiigrows well, and TN, TP, COD removal efficiency are more obvious, the water quality purification effect is the best, and it also can obtain a higher content of soluble protein, which provides a new way of thinking for co-cultivation between vinasse wastewater and microalgae.

vinasse wastewater;Chlammydomonasreinhardtii; total nitrogen; total phosphorus; COD; soluble protein

2015-11-21

國家自然科學基金(31100374)和成都市科技局項目(2015-HM01-00013-SF)

余 江(1974—)女，副教授，主要從事水污染控制工程方面的研究,E-mail：yujianggz@163.com

X52

A

1001-8395(2016)06-0900-05

10.3969/j.issn.1001-8395.2016.06.023