3種微藻在龜鱉養殖廢水中的生長與脫氮除磷特性

趙秀俠，楊 坤，方 婷，李 靜，盧文軒

(安徽省農業科學院水產研究所，安徽 合肥 230036)

我國是水產養殖大國，龜鱉養殖為新興特種養殖產業，養殖廢水管理方式多采用直接排放方式，廢水處理與利用效率低下，對周邊水域環境和生態系統平衡造成嚴重危害。與龜鱉養殖規模逐漸加大相反，對于龜鱉養殖廢水生態凈化處理和資源化利用研究較少。目前，在水產養殖廢水資源化循環利用方面，國內學者較多采用以生物膜法、人工濕地、固定化菌藻、微生物制劑等為主體的污水處理工藝[1-4]，這些方法均能有效去除懸浮物和有機物，但也存在投資規模大、運行成本高、系統集成水平低等問題[5]。微藻是一類光能自養型單細胞生物，具有資源量豐富、光合效率高、生長速率快、環境適應性強等特點。藻類生長能直接吸收廢水中有機營養物質和無機物，促進磷沉降和氨態氮降低，提高水體pH值[6]。利用微藻處理水產養殖廢水，一方面可以凈化污水，對水體有抑菌消毒作用，另一方面減輕養殖環境壓力，可以獲得有營養價值的藻類產物，為經濟類水產品種提供餌料，促進養殖業可持續發展。

本研究選取小球藻(Chlorellasp.)、柵藻(Scenedesmussp.)、螺旋藻(Spirulinasp.)3種常用微藻，比較其在經沉淀池初步處理后排放的龜鱉養殖廢水和無任何處理直接排放的龜鱉養殖廢水中的生長特性及對氮磷去除效果，探討在不同養殖廢水中微藻的生長特性，篩選適合龜鱉養殖廢水凈化與規模化培養的藻種，以期為微藻凈化龜鱉養殖廢水及廢水規模化生物處理提供理論基礎。

表1 試驗廢水主要水質指標

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料

取自安徽省蕪湖市無為縣某龜鱉養殖場經沉淀池初步處理后的廢水(簡稱WW廢水)；取自安徽省合肥市郊區大楊鎮某龜鱉養殖場無任何處理措施直接排放的廢水(簡稱DY廢水)。兩種廢水均經過0.45 μm濾膜過濾去除細菌、藻類和其他懸浮固體物質后使用，過濾后廢水由于營養鹽濃度較高，用于微藻培養試驗時，稀釋8倍后使用。兩種廢水主要水質指標見表1。

試驗用小球藻、柵藻和螺旋藻由中國科學院武漢水生生物研究所提供。藻液經BG-11培養基擴大培養后用于試驗。

1.2 研究方法

試驗分為兩組，WW廢水與DY廢水各一組，試驗于200 mL錐形瓶中進行，每瓶加入150 mL過濾后廢水為培養基。在每個組別中均接種小球藻、柵藻和螺旋藻3種藻液，每種藻液設置3個平行，每組共9個錐形瓶。每個錐形瓶取1.0 mL試驗藻種接種，接種藻液初始密度為1.0×105個/mL，放入人工氣候箱進行培養。培養溫度為25℃，光照強度為2 000 lx，相對濕度為75%，光暗比為12 h∶12 h，每天搖瓶3次，培養至藻類處于對數增長期。

初始接種藻液的藻細胞計數方法采用0.1 mL藻類計數框計數藻細胞數目，運用視野計數法換算成藻液中藻細胞密度。

采用干重法測定藻細胞生物量，用來反映藻類細胞生長狀況。首先將0.45 μm醋酸纖維濾膜預先烘干至恒重，其次取2.5 mL藻液進行真空抽濾，將帶有藻體的濾膜放置到烘箱中，于105℃條件下烘干24 h至恒重。微藻生物量干重DW的計算公式[7]為

DW=400(M1-M0)

(1)

式中：M0為預先烘干至恒重的濾膜質量；M1為烘干24 h后載有藻體的濾膜質量。

利用藻類細胞密度反映藻類生長特性。由于小球藻、柵藻和螺旋藻分別與其在680 nm、650 nm、560 nm 處光密度值呈線性相關(P<0.01)[9]，利用可見分光光度計(B722s，上海棱光技術有限公司)定期測定3種藻液在對應波長處光密度值代表細胞密度。

采用SPSS13.0和Origin8.5對數據進行統計分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 3種微藻在龜鱉養殖廢水中生長特性

在DY廢水中，小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻細胞密度與生物量隨時間變化見圖1。由圖1(a)可見，試驗初期，小球藻與柵藻的細胞密度增加較快，螺旋藻的細胞密度增加最慢，推測原因可能與不同藻類對培養液微環境營養需求、吸收能力及適應過程有關。隨著培養時間增加，小球藻與柵藻細胞密度繼續增加，螺旋藻細胞密度開始降低，分析原因一方面在接種初期藻細胞密度基數較小，數量級為105左右；另一方面藻類生長對培養基中各種有機物和無機物逐漸適應能力不同。由圖1(b)可見，隨著培養時間延長，藻類生物量逐漸增加，在14 d左右達到最大值，小球藻、柵藻和螺旋藻最大生物量分別為0.26 g/L、0.28 g/L和0.20 g/L，此后3種微藻的生物量均開始下降。

(a) 細胞密度

(b) 生物量

在WW廢水中，小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻細胞密度與生物量隨時間變化見圖2。由圖2(a)可見，柵藻在培養初期細胞密度增加最快，其次為小球藻，螺旋藻最慢；隨著培養液中營養物質的消耗，藻密度增加幅度減小。由圖2(b)可見，試驗初期3種微藻的生物量均持續增加，螺旋藻的生物量在14 d后出現降低，柵藻和小球藻的生物量在16 d達到最大值。

比較小球藻、柵藻和螺旋藻在DY廢水與WW廢水中藻細胞密度和生物量變化特性發現，DY廢水更適合微藻生長。在兩種廢水中，都是柵藻的細胞密度增加較快，螺旋藻細胞密度增加最慢。對于藻生物量，3種微藻在兩種廢水中表現有所不同，3種微藻在DY廢水中均在14 d左右達到最大生物量，此后生物量均有所降低；在WW廢水中，小球藻和柵藻的生物量在試驗期間一直持續增加，而螺旋藻的生物量在14 d達到最大值，之后開始下降。在培養12 d后，3種微藻在DY廢水的累積量均大于其在WW廢水中生物累積量，分析原因可能與不同廢水中營養鹽含量、比例及營養物質消耗相關。

(a) 細胞密度

(b) 生物量

2.2 3種微藻對龜鱉養殖廢水中氮磷的去除

(a) DY廢水

(b) WW廢水

3 討 論

藻類因自身特殊生理結構和新陳代謝能力，具有良好凈化廢水功能，利用微藻處理龜鱉養殖廢水是一項污水資源化利用技術。有研究表明同濃度組蛋白核小球藻生長速率高于斜生柵藻，其葉綠素a含量高于斜生柵藻，既生物量累積較高，且蛋白核小球藻脫氮除磷效應優于斜生柵藻[10]；章斐等[11]在不同氮磷水平的城市二級出水中進行純培養橢圓小球藻與斜生柵藻，結果發現橢圓小球藻生物量累積大于斜生柵藻；朱樹峰等[12]通過城市污水廠二級出水培養微藻試驗結果表明，柵藻要高于小球藻生物質累積量。本試驗結果表明，在相同初始氮磷濃度條件下，柵藻與小球藻均具有較高的生物量，均高于同濃度組螺旋藻，柵藻生物量累積較高，說明柵藻比小球藻整體生長更好，更能耐受極端環境，適應力更強。此外，不同微藻生長特性與光合作用相關，光合作用強弱與葉綠素含量相關，而綠藻門類群相對于其他微藻類群，葉綠素含量較高，所以光合作用旺盛[13]，在廢水中具有較強的生長優勢。本研究結果也證明這點，綠藻門類群柵藻與小球藻細胞密度增長與生物量累積均大于同濃度組中藍藻門螺旋藻。螺旋藻除去其營養功能外還具有較好的凈化污水能力，Deshmane等[14]對螺旋藻凈化廢水效果研究發現，廢水總氮去除率可達85%左右，利用養殖廢水培養螺旋藻不僅能凈化水質，也可以達到收獲螺旋藻的目的，開展這方面研究很有必要。

一般來說，初始濃度低的氮磷組合有助于提高去除率，而高濃度氮磷會影響藻類生長，不利于氮磷去除[17]。在本研究中，微藻對不同初始濃度廢水氮磷源去除率有一定差異，對初始濃度較高DY廢水與初始濃度較低的WW廢水，3種微藻的去除能力差值50%左右。此結論與前人研究不同，分析原因可能與廢水pH值、氮磷源比例及不同形態相關，一方面，藻類光合作用會使水體pH增大而呈弱堿性[18]，而弱堿性水環境有利于氨揮發，在WW廢水中，氨態氮占總氮比例為93.36%，堿性環境下氨態氮揮發對總氮去除貢獻最大。因此，堿性水體、氨態氮揮發有利于微藻對總氮去除利用，極大提高微藻對氮磷吸收利用；另一方面，不同微藻對不同形態氮磷利用能力與廢水中氮磷源比例有關[19-20]，所以在初始氮磷濃度較低、pH值較高的WW廢水中，3種微藻對氮磷去除率均較高。

4 結 論

a. 小球藻、柵藻和螺旋藻3種微藻在不同龜鱉養殖廢水中生長特性不同，DY廢水中3種微藻細胞密度與生物量均大于WW廢水培養，最大生物量分別為0.26 g/L，0.28 g/L與0.20 g/L。

c. 微藻用于龜鱉養殖廢水水質生物凈化有很好的應用前景，但本試驗是在室內嚴格控制條件下，與實際應用環境具有一定的差異，在實際龜鱉養殖廢水的處理應用與后續微藻收集等方面需要進一步的研究。

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