基于Fenton氧化法預處理高氨氮廢水培養斜生柵藻

陳帥行 馬浩天 于杰 徐雯 李潤植 崔紅利

摘要：大規模畜禽養殖廢水的處理仍是一個亟待解決的問題。基于微藻培養系統不僅能有效凈化畜禽養殖廢水，而且可以極大地降低微藻生物質制備成本。但畜禽養殖廢水中通常富含大量的氨氮，抑制了大多數微藻的生長，已經成為微藻凈化畜禽養殖廢水工藝規模化應用的限制因素。本研究旨在利用芬頓（Fenton）法預處理雞場沖圈廢水，降低氨氮含量，促進微藻有效生長。以雞場沖圈廢水為研究對象，測定其本底組成。利用Fenton法預處理雞場沖圈廢水降低氨氮濃度，解除高氨氮抑制微藻生長現象，使斜生柵藻可以生長。通過Fenton法預處理，可以有效降低氨氮的濃度，施用蒸餾水1 ∶ 1稀釋Fenton試劑后柵藻可有效生長。斜生柵藻無法在雞場沖圈廢水原液和Fenton法預處理后的廢水中正常生長，但預處理之后經過與水1倍稀釋后生長良好。這為后續建立微藻凈化畜禽養殖廢水聯產微藻產品的生產體系奠定了技術基礎。

關鍵詞：斜生柵藻;雞場沖圈廢水;Fenton氧化法;高氨氮去除;高氨氮廢水

中圖分類號： X703 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0279-07

隨著國家政策的支持，我國的畜禽養殖業得到了快速發展，大規模的畜禽養殖已經成為我國的主要發展方向。在畜禽養殖日常管理中產生過量的沖圈廢水，而這些廢水中含有大量的難以降解的有機物，處理不當或直接排放將對生態環境造成嚴重危害[1-2]。

目前我國處理規模化畜禽廢水有3種主要的基本方法，分別是自然處理模式、好氧處理模式和厭氧處理模式。厭氧發酵可制備沼氣，造價低，能耗低，處理過程不需要氧氣，可以有效去除有機物，是最常見的處理畜禽沖圈廢水的工藝[3-5]。厭氧發酵處理反應完后會產生沼渣和沼液，但目前缺乏完善的沼液處理系統，而基于微藻培養系統處理畜禽養殖沼液的工藝是新型、環境友好型的工藝，目前已經引起極大的關注[6-7]。

由于沼液中的高氨氮含量抑制部分藻種在沼液生長，導致微藻培養系統處理畜禽養殖沼液的工藝無法進行，嚴重阻礙了該工藝的應用與發展，因此降低氨氮含量是亟待解決的問題[8]。當前降低氨氮含量主要的方法是稀釋法和混合法，前者須要消耗大量水，后者盡管不須要消耗水，但依舊存在體積大的缺點，因此必須開發新型的降解高氨氮的方法[9-10]。

新型的芬頓（Fenton）氧化法是通過硫酸亞鐵和過氧化氫反應生成具有高氧化度的羥基，其可以高效地氧化廢水中富含的有機物及酚類物質[11-15]。通過Fenton氧化法降解氨氮的文章還未見報道。本研究使用Fenton氧化法預處理雞場沖圈廢水降低氨氮含量，優化斜生柵藻生長條件，從而達到使用雞場沖圈廢水培養柵藻的目的，以期為建立微藻凈化畜禽廢水聯產高價值微藻產品的生產工業體系奠定技術基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 微藻藻種 本試驗所用藻種為山西農業大學分子農業與生物能源研究所分離保存的斜生柵藻。

1.1.2 雞場沖圈廢水、純體系高氨氮廢水與BG11培養基 試驗所用的含高氨氮的廢水采自山西省太谷縣某養雞場沖圈廢水，經0.45 μm濾膜過濾2次滅菌備用。使用氯化銨試劑模擬純體系高氨氮廢水。以BG11培養基作為對照，pH值為7.5，BG11培養基的成分見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 雞場沖圈廢水污染物組分的檢測 雞場沖圈廢水中總氮和總磷含量分別采用過硫酸鉀氧化-紫外分光法和鉬酸氨分光光度計法測定。化學需氧量和氨氮含量分別采用重鉻酸鉀法和納氏試劑分光光度法測定。

1.2.2 斜生柵藻的培養和生物量的測量 將處于對數生長期的斜生柵藻接入到含50 mL BG11培養基和滅菌雞場沖圈廢水原液的 150 mL 三角瓶中培養，共2組，使每個三角瓶中的斜生柵藻細胞濃度為2.0（D650 nm）。每組處理重復3次，將三角瓶置于溫度為25 ℃，光照度為4 000 lx，光照—黑暗周期為 16 h—8 h 的光照培養箱中，連續培養8 d。

1.2.3 純體系高氨氮廢水濃度配比 使用氯化銨試劑，在150 mL三角瓶中分別配制200、400、800、1 200、1 600 mg/L濃度的氨氮，每個梯度重復3次，模擬高氨氮條件下，檢測斜生柵藻可以耐受的氨氮濃度。斜生柵藻接種濃度、培養時間和環境同“1.2.2”節。

1.2.4 Fenton氧化法預處理雞場沖圈廢水 Fenton試劑配比最佳濃度的篩選：取1 000 mL純體系氨氮廢水置于2 L燒杯中，研究FeSO4和H2O2的不同濃度以及反應時間，分別篩選出FeSO4和H2O2的最佳條件[13-15]，處理純體系高氨氮廢水，反應一段時間后，測量其吸光度，計算出溶液中剩余氨氮的濃度;雞場沖圈廢水經Fenton法預處理后，過濾2次去除絮凝物，直接作為斜生柵藻培養基。

1.3 數據處理

試驗數據重復3次，使用DPS 軟件LSD法分析試驗結果在0.05水平上的差異顯著性，使用Origin 8.0軟件繪制統計圖。

2 結果與分析

2.1 雞場沖圈廢水中主要污染物及含量

雞場沖圈廢水原液中主要污染物檢測結果顯示，pH值為7.5左右，養雞場廢水中的NH3-N含量極高（表2）。

2.2 斜生柵藻在雞場沖圈廢水中的生長表型

連續8 d對斜生柵藻在雞場沖圈廢水原液（CW）和 BG11 培養基中的生長表型進行檢測，結果如圖1所示，培養3 d后，柵藻在雞場沖圈廢水中的細胞濃度略低于在BG11 培養基中的細胞濃度，但均呈上升的趨勢，之后，柵藻在 BG11 培養基中生長迅速，而在雞場沖圈廢水原液中無法正常生長，呈現負增長，推測可能是由于雞場沖圈廢水中氨氮濃度過高，且雞場沖圈廢水固體懸浮物密度高，透光率差，光合作用受到影響，從而抑制柵藻的生長。羅龍皂等研究發現，小球藻在含有250 mg/L氨氮的廢水中生長受到抑制，當氨氮濃度低于130 mg/L時才可以存活[16]。因此推測雞場沖圈廢水中高氨氮濃度是抑制柵藻生長的根本原因。

2.3 斜生柵藻耐受氨氮的最高濃度

由于柵藻無法在雞場沖圈廢水原液中生長，推測是氨氮濃度過高抑制藻細胞生長，使用氯化銨試劑模擬配制5個不同濃度梯度的氨氮廢水，檢測柵藻細胞耐受氨氮的最大濃度。由圖2可知，藻細胞在氨氮含量為800、1 200、1 600 mg/L 3組中生物量緩慢下降，可能是氨氮濃度過高引起藻細胞死亡所致。而400 mg/L和200 mg/L處理組，藻細胞生物量在培養1 d后呈現負增長，在培養的后7天生物量逐漸提高，與BG11處理組相比較，200 mg/L組的生物量在8 d后開始接近 BG11 組，而400 mg/L組中的生物量生長緩慢，說明在其培養1 d后藻細胞受氨氮濃度的抑制，從第2天開始恢復正常生長，結果說明柵藻細胞可以耐受的最大氨氮濃度為 400 mg/L。因此，須通過Fenton法降低氨氮含量。

2.3 Fenton試劑的最佳條件

2.3.1 Fe2+濃度的摸索 室溫下，在氨氮濃度為 1 600 mg/L，pH值為5.5，H2O2濃度為30 mg/L，反應時間為60 min的條件下，觀察 Fenton 試劑對氨氮的處理效果。從圖3可以看出，當 Fe2+濃度小于 20 mg/L 時，隨著鐵離子含量的增加氨氮的去除率越高，原因是 Fe2+作為催化劑，可以加速反應的進行，催化 H2O2生成 OH·，當Fe2+濃度大于20 mg/L時，它還原 H2O2 的同時，自身氧化為 Fe3+，不僅消耗H2O2，而且還抑制 OH·的產生，增加水色度，因此高濃度的 Fe2+和OH· 的產生并不成正比，氨氮的去除率最高達到 40%，所以最佳的 Fe2+濃度為20 mg/L （P<0.05）。

2.3.2 H2O2 濃度的摸索 室溫下，在氨氮的濃度為1 600 mg/L，pH值為5.5，FeSO4 的濃度為20 mg/L，反應時間為60 min的條件下觀察H2O2濃度對氨氮去除能力的影響。如圖4所示，隨著H2O2濃度的增加，氨氮的去除率也在逐漸增加，這是因為20 mg/L的 Fe2+和低濃度的 H2O2 反應，一部分 Fe2+催化 H2O2 產生 OH·?多余的 Fe2+被氧化為 Fe3+?消耗H2O2的同時抑制 OH· 的產生，隨著 H2O2 含量的增加，Fe2+的利用率提高，催化H2O2產生更多的OH·，因此氨氮的去除率也隨之增加，H2O2濃度為200 mL/L時氨氮去除率最高，氨氮的含量接近為0。所以最佳的H2O2 濃度為200 mL/L （P<0.05）。

2.3.3 反應時間的摸索 室溫下，在氨氮的初始濃度為1 600 mg/L，H2O2 濃度為50 mL/L，Fe2+濃度為20 mg/L，pH值 為 5.5的條件下，考察不同反應時間對Fenton試劑去除氨氮的影響。如圖5所示，Fenton 試劑反應時間為30 min時氨氮去除率可達到80%，反映50 min時氨氮去除率可達到98%，因此最佳反應時間為50 min（P<0.05）。

2.3.4 反應pH值的摸索 室溫條件下，當氨氮的初始濃度為1 600 mg/L，H2O2 濃度為50 mL/L，Fe2+濃度為20 mg/L，反應時間為60 min時檢測pH值對Fenton 試劑去除氨氮的影響。如圖6所示，當pH值為3時剩余氨氮含量幾乎為0，去除率可達到95%以上，隨著pH值增加不利于OH·的產生，氨氮去除率逐漸下降，所以最佳的反應pH值為3（P<0.05）。

2.3.5 反應溫度的摸索 室溫條件下，當氨氮的濃度為1 600 mg/L，H2O2 濃度為50 mL/L，Fe2+濃度為20 mg/L，反應時間為60 min，pH值為3，考察溫度對 Fenton 試劑去除氨氮的影響。如圖7所示，Fenton 試劑在環境溫度為25 ℃時氨氮去除率即可達到95%，氨氮殘余量為69 mg/L，25、35、45、55、65、75℃區間溫度越高，去除氨氮的效果越差，剩余氨氮含量越高。

2.4 Fenton試劑對雞場沖圈廢水的處理影響

選擇 Fenton 試劑的最佳條件值，檢測對不同濃度氨氮的去除效果，分別選擇200、400、 800、1 200、1 600 mg/L等5個梯度的氨氮濃度，由圖8可以看出200 mg/L和400 mg/L氨氮組的氨氮含量剩余低于30 mg/L，800、1 200、1 600 mg/L 3組的氨氮剩余量低于40 mg/L（P<0.05），相比最初值，去除率均接近100%。

2.5 使用 Fenton試劑處理的雞場沖圈廢水培養斜生柵藻

使用 Fenton 試劑的最佳值處理雞場沖圈廢水（CW）后，培養柵藻細胞。由圖9可知，1～3 d后生物量緩慢上升，從第4天開始出現負增長，而BG11組的呈快速增長的趨勢。推測可能是 Fenton 試劑反應完后剩余的 H2O2 抑制藻細胞的生長，而 H2O2具有高度的氧化性，可以氧化廢水中的無機物和有機物，因此，剩余的過氧化氫可以氧化藻細胞。李娟等研究過氧化氫對銅綠微囊藻的生長及損傷效應表明，H2O2是一種潛在的除藻劑，會對藻細胞產生不同程度的毒害作用，H2O2濃度越大，毒害作用越大，H2O2本身分解也只產生水和氧氣，對環境無污染，可以用來殺滅水體中的銅綠微囊藻[17]。因此在此基礎上篩選藻細胞耐受H2O2 的最高濃度。

2.6 柵藻耐受 H2O2 的濃度

推測 Fenton 試劑反應結束后，剩余 H2O2的存在會抑制柵藻細胞的生長，因此，設計5、10、30、50、100、150 mL/L等6個 H2O2 梯度濃度，檢測柵藻細胞耐受H2O2的最高濃度。從圖10看出，除BG11組外其他組的藻細胞生物量均呈負增長，5、10、30、50 mL/L H2O2組生物量下降緩慢，無上升趨勢。其中100、150 mL/L組的藻細胞生物量藻前3 d迅速下降并接近于0，說明H2O2的濃度越高，柵藻細胞的凋亡的速度就越快。圖11 顯示，隨著 H2O2含量的增加，去除氨氮的效果也越明顯，盡管含有5、10、30、50 mL/L H2O2 的 Fenton 試劑去除氨氮的效率明顯，但剩余的氨氮濃度過高，仍然抑制柵藻的生長;100、150 mg/L H2O2組氨氮的去除率分別為75%、92%（P<0.05），但反應完過后仍殘存有H2O2，藻細胞被剩余的 H2O2 氧化致死。

2.7 柵藻在1 ∶ 1稀釋Fenton試劑處理雞場沖圈廢水后的生長情況

圖12為使用蒸餾水對原來的5個 H2O2梯度做1 ∶ 1稀釋，除 BG11 組和50 mL/L組正常生長，其余組的生物量均呈下降趨勢。由圖13可知，除50、100、150 mL/L等3組的氨氮含量低于400 mg/L外，其他組氨氮剩余量均在400 mg/L以上。且 100 mL/L 組剩余的氨氮含量低于200 mg/L，150 mg/L 組的氨氮含量接近為0，2組在圖12中卻顯示生物量呈下降趨勢，推測通過1 ∶ 1稀釋后剩余的氨氮含量無法抑制柵藻生長，反應過后剩余的H2O2 卻抑制柵藻細胞生長。而在含50 mL/L H2O2 的Fenton條件下，通過1 ∶ 1稀釋后柵藻細胞可以正常生長，并吸收利用廢水中剩余的無機物及有機物。推測可能是因為 1 ∶ 1 稀釋后氨氮和 H2O2 濃度均下降至藻細胞可以耐受的水平。

3 討論與結論

現如今集約式畜禽的大規模養殖發展迅速，日常產生的畜禽沖圈廢水體積較大，而廢水中含有大量的有機物無法快速降解，廢水凈化不達標或直接排放，隨著時間的積累對生態環境造成嚴重的污染[18-23]。目前處理畜禽沖圈廢水多使用化學法和物理法，前者會造成二次污染，后者設備昂貴，運行成本高。生物法是一個低成本的可行方案，基于微藻體系凈化雞場沖圈廢水是當今較為受關注的工藝，不僅管理方便、成本低廉，還可以聯產生物質，但由于雞場沖圈廢水中氨氮含量過高，固體懸浮物過多影響光照度，因此，微藻無法直接在原液中生存，須要進行預處理才可以生長[24-26]。

傳統的微藻凈化畜禽廢水均是通過倍數稀釋后才可以生長，例如Gonzlez等利用藻菌系統凈化豬場廢水，發現微藻無法在原液中直接生存，也無法在2倍稀釋廢水中生長，推測可能是較高的氨氮濃度抑制了柵藻的生長[27]。楊闖等通過沼液培養小球藻1周后發現，在25%濃度沼液中培養小球藻，其生物量高于在50%、100%濃度沼液中培養的生物量[28]。馬浩天等通過將埃氏小球藻接種于雞場廢水中，無法直接生長，2倍稀釋后仍受到抑制，4倍稀釋后小球藻可以快速生長[29]。高倍數稀釋廢水雖然可以起到培養微藻凈化廢水的作用，但同時也浪費了有限的水資源，造成處理量大的問題。而本試驗中通過 Fenton 法預處理雞場廢水后，1 ∶ 1稀釋后斜生柵藻就可以生長。

Fenton 法預處理雞場沖圈廢水可以有效處理降低氨氮含量和固體懸浮物，雞場廢水與蒸餾水1 ∶ 1稀釋后微藻可以穩定生長，達到獲得生物質的目的。Fenton 氧化法的實質是H2O2 在 Fe2+的催化作用下生成 OH·，OH· 具有較強的氧化能力，因此對傳統的難以降解的有機物可以有效地氧化[30-32]。Fenton氧化法在反應過程中H2O2含量的高低影響著后期培養微藻的生物量的高低，如圖12所示，低濃度（5、10、30 mL/L） H2O2在1 ∶ 1稀釋后柵藻仍無法生長，推測可能是 H2O2 的含量過低，去除氨氮的效率低，氨氮的剩余含量過高，抑制了藻細胞的生長，高濃度（100、150 mL/L） H2O2 含量在反應完之后，殘存著剩余的 H2O2，剩余的 H2O2 氧化藻細胞，使柵藻細胞無法生長。只有50 mL/L H2O2處理組在處理完廢水后，可以培養柵藻細胞，推測可能是1 ∶ 1稀釋后，50 mL/L H2O2反應完后完全消解或剩余的濃度不足以抑制藻細胞。

總之，本研究表明，Fenton 法能夠有效降低雞場沖圈廢水中氨氮含量，優化柵藻生長環境，1 ∶ 1稀釋下柵藻可有效生長。這為在實際的生產應用中建立兼顧水資源節約、環保、高效凈化畜禽廢水工程以及聯產生物燃油優化工藝提供了科學參考。

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