沼液處理液養殖普通小球藻的試驗研究

喬 慧， 陳 灝， 趙玉柱

(1.中科院生態環境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所， 內蒙古 鄂爾多斯 017100； 2.鄂爾多斯市城市礦產研究開發有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017100)

沼液處理液養殖普通小球藻的試驗研究

喬 慧1, 2， 陳 灝1, 2， 趙玉柱1, 2

(1.中科院生態環境研究中心 鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所， 內蒙古 鄂爾多斯 017100； 2.鄂爾多斯市城市礦產研究開發有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017100)

試驗利用沼液處理液養殖目標藻種普通小球藻(Chlorellavulgaris)，考查普通小球藻的生長狀況和其對沼液中總氮、氨氮、總磷和COD等主要污染物的去除情況。結果表明：沼液經梯度處理后普通小球藻總體生長情況逐漸增強，依次為：沉淀上清液<沼液沉淀-混凝出水液<沼液沉淀-混凝-吸附出水液。沼液處理液能有效促進藻體葉綠素的積累，總脂積累情況介于6.94%～23.82%之間。對沼液的凈化效果，沼液處理液稀釋組中沼液吸附出水稀釋液(X-W)25%組的表現最好，總氮、氨氮、總磷和COD去除率分別為80.32%，83.88%，93.90%和20.00%，沼液處理液與BG11培養基的調配液組中表現最好的是沼液吸附出水調配液(X-B)10%組，去除率分別為88.37%，93.57%，97.40%和22.05%。試驗的研究將為沼液的資源化處理提供理論依據。

普通小球藻； 沼液； 混凝； 吸附； 去除率

隨著各類大中型沼氣工程的建設，實現了將多種廢棄物轉化為清潔能源沼氣和有機肥料，同時改善了生態環境，是進行生態環境重建的重要舉措。然而，發酵產物沼渣沼液的妥善消納卻逐漸成為限制其發展的瓶頸問題[1]。沼液產生量大，全部就地消納存在難度，若隨意排放，不僅會導致氮、磷等營養物質流失，而且會引起水體的富營養化[2]。因此，沼液的資源化處理是一個亟需解決的問題。目前，沼液的資源化利用一般包括制作沼肥或飼料、農作物浸種或作殺蟲劑、作調節劑或吸附劑以及培養微藻等方式[3]。

利用沼液培養微藻是一項具有多重效益的技術，藻體生長會消耗沼液中的氮、磷等營養成分和有機物，實現沼液的凈化，是一種低成本的水處理技術； 同時沼液中的營養物質可滿足微藻的基本需求，收獲的藻細胞可用于開發飼料或作為添加劑，而且隨著能源危機和環境問題的日益加劇，以微藻為原料進行生物燃料的生產也受到了廣泛關注[4]，實現與提取生物質能源方面的耦合，降低了藻類養殖的成本[5]。小球藻作為常見藻種具有環境適應能力強、生長周期短、生物質能含量高、養殖過程可以實現規模化培養等特點[6]。迄今為止，國內外在利用藻類處理生活污水以及各種工業廢水方面已進行了大量研究，并取得了顯著成效[7-9]，利用普通小球藻凈化厭氧發酵沼液的報道卻較少。

因此，試驗選擇普通小球藻(Chlorellavulgaris)為目標藻種，研究沼液梯度處理的稀釋液及其與BG11培養基調配液對普通小球藻生長的影響，觀察受試對象的生長情況和藻體的品質，同時分析其對沼液中有機物的吸收、降解作用，為實現沼液的達標排放做基礎研究，并在某種程度上實現沼液的資源化處理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 藻種來源

藻種：普通小球藻(Chlorellavulgaris，FACB-8)，購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫。

1.1.2 沼液及預處理

供試沼液采自鄂爾多斯市沙圪堵村鎮有機固體廢棄物綜合處理廠。沼液中雖然含有適合普通小球藻生長的基本營養成分，但其濁度和pH值較高，對藻體的生長產生不利影響[10]。因此對供試沼液經充分自然沉降后取上清液進行沼液梯度處理，處理工藝采用“自然沉降-混凝-吸附”的梯度處理[11]，沼液及處理液的常規指標見表1。

表1 沼液處理液的常規指標

1.2 儀器與設備

SW-CJ-1D型超凈工作臺，PQX-300型人工氣候箱，HJ-6S型六聯攪拌器，T6新世紀紫外可見分光光度計，PHS-25C型pH計，SHZ-82型數顯氣浴恒溫振蕩器等。

1.3 試驗分組

(1)CK組：蒸餾水作培養液。

(2)BG11組，BG11培養基配方，每1 L培養基中含有：1.5 g NaNO3，0.04 g K2HPO4，0.075 g MgSO4·7H2O，0.036 g CaCl2·2H2O，0.006 g檸檬酸，0.006 g檸檬酸鐵銨，0.001 g EDTANa2，0.02 g Na2CO3，1 mL A5微量元素溶液，調節pH值為7.0，121℃滅菌30 min。

A5微量元素溶液：每1 L溶液中含有2.86 g H3BO3，1.86 g MnCl2·4H2O，0.22 g ZnSO4·7H2O，0.39 g Na2MoO4·2H2O，0.08 g CuSO4·5H2O，0.05 g Co(NO3)2·6H2O。

(3)沼液處理液包括充分自然沉降的沼液(Z)，沼液混凝出水液(H)和沼液吸附出水液(X)。

沼液處理液的蒸餾水稀釋液(分別縮寫為Z-W，H-W，X-W)，稀釋比例為2%, 5%, 10%, 25%和50%，共15組。

沼液處理液與BG11培養基混合來培養微藻，不僅可以達到稀釋沼液的目的，而且能保證營養元素的種類完備[12]。因此，另外添加沼液處理液與BG11培養基的調配液(Z-B，H-B，X-B)，調配比例為2%，5%，10%，25%和50%，共15組。

綜上，共有普通小球藻實驗組32組，每組300 mL，另設置平行一組，并進行高壓蒸汽滅菌，備用。

1.4 試驗方法

1.4.1 藻種接種與培養

獲取藻種后，將藻種在無菌條件下進行活化與擴培。取活化好的藻種接種于已滅菌的培養液中，接種50 mL(約15%接種量)，在恒溫光照培養箱中培養。培養條件：溫度28℃，光照強度4000 lux，晝夜比12 h/12 h。每日光照期間搖瓶3～4次，并隨機調整位置，保證光照均勻。

1.4.2 觀測分析

(1)藻類指標觀測：通過測定光密度值OD680，繪制普通小球藻的生長曲線； 試驗結束后通過離心取沉淀，洗滌烘干恒重，測定干重[10]，以此來衡量藻體生物量。

培養結束后藻液高速離心并洗滌獲得藻泥，提取測定葉綠素含量[11](三色法)，藻泥在80℃烘干至恒重獲得干藻粉，測定總脂含量[13](氯仿-甲醇共溶劑提取重量法)。

(2)培養液指標觀測：將培養液10000 r·min-1離心5 min，取上清液用于水質分析，分別測定培養液中總氮(參照HJ 636-2012)，氨氮(參照HJ 535-2009)，總磷(參照GB 11893-89)和COD(參照HJ/T 399-2007)含量。

2 結果與分析

2.1 普通小球藻生長狀況

2.1.1 普通小球藻的生長曲線

在波長680 nm下測定普通小球藻培養液的光密度值，為校正培養液對光的吸收，扣除高速離心(10000 r·min-1，10 min)后上清液在680 nm下的吸光度值。

圖1 普通小球藻Z-W試驗組的生長曲線

圖2 普通小球藻 Z-B試驗組的生長曲線

由圖1～圖6可知，CK和BG11在接種后5 d內處于調整期，隨后進入對數生長，分別在29 d和33 d時達到最大值0.812和1.595。CK中藻種帶入一部分營養物質供普通小球藻生長，在29天后營養物質供應不足，由穩定期進入衰亡期。BG11培養液中營養物質供應充足，因此，BG11的OD680始終高于CK。

由圖1和圖2沼液原液試驗可知，試驗初期由于不適應培養液，藻細胞出現死亡現象，OD680明顯下降，Z-W 50%和Z-B 50%由于沼液濁度、色度較高，不利于光的透過，影響光合作用[10]，藻細胞全部衰亡。隨沼液所占比例降低，抑制作用減輕，其中Z-W 2%在25 d達到最大，但僅為0.328。隨BG11比例增大，營養物質供應充足，抑制作用減弱，Z-B 2%在31 d達最大值1.193，大于CK，小于BG11。

由圖3和圖4沼液混凝出水試驗可知，與沼液原液試驗組相似，試驗初期藻細胞出現死亡現象，其中H-W 25%，H-W 50%，H-B 50%到試驗結束均維持在0.1左右。同樣，隨沼液混凝出水比例降低，抑制作用減弱，H-W 5%在21 d達最大值0.438。H-B 2%和H-B 5%分別在29 d和33 d超過CK，其中H-B 2%從第11d開始出現持續生長，在試驗結束時達到最大值1.440，略小于BG11。

圖3 普通小球藻H-W試驗組的生長曲線

圖4 普通小球藻H-B試驗組的生長曲線

圖5 普通小球藻X-W試驗組的生長曲線

圖6 普通小球藻X-B試驗組的生長曲線

由圖5和圖6沼液吸附出水試驗可知，經過5 d左右調整期后，普通小球藻開始進入對數生長期，OD680不斷升高，X-W 2%，X-W 5%，X-W 10%在試驗結束時由穩定期進入衰亡期，生物量減少。X-W 25%在結束時仍在上升，達到最大值1.284。X-B試驗組在結束時均大于CK組，其中X-B 2%，X-B 5%，X-B 10%在試驗結束時大于BG11。

綜上，從沼液梯度處理角度來看，總體長勢隨沼液原液、混凝出水液、吸附出水液逐漸增強； 從沼液處理液的稀釋角度來看，3種處理液中生長狀況最好的分別為Z-W 2%，H-W 5%和X-W 25%，說明隨沼液梯度處理，沼液原液的抑制作用減弱，營養物質更易吸收； 從沼液處理液與BG11調配液角度來看，除了X-B 2%，X-B 5%，X-B 10%，隨沼液處理液在培養液中所占比例增加，普通小球藻生長能力降低。為試驗能顯示出典型性，選擇各處理中生長狀況較好的試驗組進行后續數據處理，即CK，BG11，Z-W 2%，H-W 5%，X-W 25%，Z-B 2%，H-B 2%和X-B 10%，共8組。

2.1.2 普通小球藻的生物量

光密度法和干重法都可以用來表示普通小球藻的生物量，它們之間存在一定的關系，在試驗結束時對普通小球藻的生物量進行測定，測定結果見圖7。

將普通小球藻干重與OD680之間進行線性關系擬合，可得擬合方程y=0.4708x+0.0978，相關系數R2=0.9871。說明普通小球藻OD680和干重之間存在良好的線性關系，即可用OD680來表征普通小球藻的生物量。

圖7 普通小球藻的生物量

圖8 普通小球藻葉綠素含量

圖9 普通小球藻葉總脂含量

2.2 普通小球藻藻體基本指標

在試驗結束后測定培養液中普通小球藻葉綠素含量和總脂含量，結果見圖8和圖9。

葉綠素是最主要的光合色素, 其含量在某種程度上反應著藻體生物量的大小[14]，各試驗組葉綠素含量見圖8和圖9。由圖可知，除了Z-W 2%和H-W 5%，其他試驗組葉綠素含量均高于CK和BG11，說明利用沼液處理液培養普通小球藻能有效促進葉綠素的積累，這可能與沼液中含有一定量的氨基酸有關[15]。葉綠素含量最高的是X-B 10%組3.01 mg·L-1，表明吸附出水液的色度低、透光性好，光合作用能力強。此外，比較各試驗組的葉綠素a和葉綠素b含量，葉綠素a/葉綠素b 介于1.063～1.644，均大于1，說明普通小球藻主要依靠葉綠素a進行光合作用。

微藻在對沼液中氮磷等營養物質吸收利用的同時，還可為能源微藻生產油脂提供豐富廉價的營養與水資源[13]，作為可再生能源生物柴油的原料，解決能源危機和環境問題。由圖4可知，各試驗組總脂積累情況表現為X-B 10%最高，占干重的23.82%，H-B 2%次之為19.56%，Z-W 2%最低為6.94%。

圖10 普通小球藻對沼液的總氮去除率效果圖

圖11 普通小球藻對沼液的氨氮去除率效果圖

圖12 普通小球藻對沼液的總磷去除率效果圖

圖13 普通小球藻對沼液的COD去除率效果圖

2.3 普通小球藻對沼液的凈化效果

微藻對沼液中氮化合物的去除主要是通過其吸收作用，將含氮化合物通過自養作用合成藻細胞中氨基酸以及蛋白質等物質[10]。由圖10可知，總氮去除效果明顯。CK中含有少量藻種帶入的氮源，但含量較低，在試驗結束時總氮去除率達83.07%，BG11的初始總氮含量為319.51 g·L-1，隨藻體大量生長消耗較大的氮，去除強度為278.46 mg·L-1。總氮的降解率與普通小球藻的生物量相一致，說明普通小球藻的生長能有效降解總氮。

微藻對培養液中氨氮的去除方式有兩種，一是藻類的生長吸收消耗的易吸收氮源主要是氨氮，用于合成自身細胞所需的有機物； 二是微藻光合作用時，使溶液中pH值升高，從而導致氨氮的揮發[16]。由圖11可知，氨氮去除率總體上略高于總氮。由于BG11培養基中氨氮含量很小，而普通小球藻在生長過程不形成氨氮，CK和BG11氨氮去除率分別為92.47%和94.36%。X-W 25%和X-B 10%初始氨氮含量為別為203.37 mg·L-1和82.38 mg·L-1，氨氮含量均較高，但普通小球藻仍可以較好生長，說明普通小球藻對高濃度氨氮的培養液具有較好的處理效果。

微藻對磷的去除也包括兩種方式：一是微藻生長同化培養液中磷元素，合成自身的營養物質； 二是藻的光合作用使溶液中pH 值上升，磷元素以難溶鹽的形式沉淀下來[16]。由圖12可知，培養液中總磷含量介于1.47～12.38 mg·L-1，普通小球藻對總磷的去除效果明顯，均大于80%。去除率最高的是X-B 10% 97.40%，去除強度為12.06 mg·L-1。CK，Z-W 2%和H-W 5%在試驗后期普通小球藻進入衰亡期，藻細胞開始裂解，釋放出磷元素，因此總磷去除率相對降低。

微藻對培養液中COD的去除主要是在光照不足或者無機碳源供應不足的情況下，利用培養液中的有機化合物充當碳源進行異樣培養。由圖13可知，普通小球藻對COD的凈化效果不明顯，說明普通小球藻在生長中利用的碳源主要是空氣和沼液中的無機碳源，部分有機碳源可能吸附在藻的細胞表面而被脫除[17]。同樣，CK，Z-W 2%和H-W 5%在試驗結束時藻細胞分解增加了水質中的COD含量。COD降解率最高的是BG11為25.09%，X-B 10%次之為22.05%。

因此，綜合考慮對沼液的凈化效果，沼液處理液稀釋組中X-W 25%表現最好，總氮、氨氮、總磷和COD去除率分別為80.32%，83.88%，93.90%和20.00%，沼液處理液與BG11調配液組中表現最好的是X-B 10%，去除率分別為88.37 %，93.57%，97.40%和22.05%。

3 結論

普通小球藻在沼液梯度處理液中總體長勢隨沼液原液、混凝處理液、吸附處理液逐漸增強。從沼液處理液稀釋液角度來看，Z-W 2%，H-W 5%，X-W 25%長勢較好，說明隨沼液梯度處理，原沼液中的抑制物質減弱，營養物質更易吸收； 從沼液處理液與BG11調配液角度來看，Z-B 2%，H-B 2%，X-B 10%長勢較好。沼液處理液能有效促進藻體葉綠素的積累，總脂積累情況介于6.94%～23.82%之間。

普通小球藻能有效降解培養液中總氮，總氮去除效果明顯，降解率與普通小球藻的生物量相一致； 氨氮去除率總體上略高于總氮，且在氨氮含量較高的培養液中仍可以較好生長； 總磷的去除效果明顯，均大于80%； COD的凈化效果不明顯，介于7.45%～25.09%之間，其中CK，Z-W 2%，H-W 5%在試驗后期進入衰亡期，藻細胞裂解，增加了培養液中的磷含量和COD含量，因此去除率相對較低。

綜合考慮普通小球藻的生長情況和品質指標，認為沼液處理液稀釋組中X-W 25%和沼液處理液與BG11調配液組中X-B 10%作為培養液時，最適宜用作藻類培養液，此時可以得到較高的生物量，且藻體的葉綠素含量和總脂含量均較高，對沼液中的氮磷等營養物也有良好的去除效果。

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Chlorella vulgaris Cultivation with Treated Biogas Slurry /

QIAO Hui1, 2，CHEN Hao1, 2，ZHAO Yu-zhu1, 2/

(1. Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Science, Ordos 017100, China; 2. Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017100, China)

The culture of target algaeChlorellavulgarisusing treated biogas slurry was carried out. The growth ofChlorellavulgaris, the removal rate of total nitrogen, ammonia nitrogen, total phosphorus and COD in the biogas slurry were detected. The results showed that the overall growth ofChlorellavulgariswas improved gradually with slurry gradient treatment level increased, which were in the order of sedimentation treatment

Chlorellavulgaris； biogas slurry； coagulation； adsorption； removal rate

2015-11-16

項目來源： “十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B03)

喬 慧(1987-)，女，內蒙古包頭市人，研究方向為沼液處理及資源化利用，E-mail:qiaohui9163@163.com

S216.4; X703

B

1000-1166(2016)06-0115-06