吹脫法耦合微藻培養(yǎng)凈化高氨廢水體系的優(yōu)化及應(yīng)用

于 杰，王 瑞，王 猛，史達明，崔紅利，2，李潤植

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 省部共建有機旱作農(nóng)業(yè)國家重點實驗室（籌），山西 太原 030031）

吹脫法是通入相應(yīng)水汽使得廢水中存在的可揮發(fā)性氣體物質(zhì)脫離出來的一種方法[1]，工業(yè)上吹脫法是利用廢水中氨氮揮發(fā)性組分的實際濃度與平衡濃度間存在的差異，將pH調(diào)至堿性，使廢水中的游離氨轉(zhuǎn)化為汽態(tài)氨并穿過氣液界面得以脫除，從而達到去除氨氮目的的一種試驗手段。吹脫原理為：NH3+H2O=NH4++OH-。吹脫法是處理氨氮廢水中一項較為成熟的方法。氨氮廢水在養(yǎng)殖業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)及肉制品加工業(yè)中廣泛存在，而且對人類及各種動植物的生存都構(gòu)成嚴重威脅[2]。陳林等[3]研究表明，廢水中氨氮的存在會消耗部分氧氣，導(dǎo)致有益菌株死亡，不利于水資源的自我清潔，因此，降低廢水中的氨氮含量是處理廢水的一項關(guān)鍵技術(shù)。

微藻是一類光自養(yǎng)單細胞生物，種類繁多，廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)、食品、農(nóng)業(yè)和環(huán)境治理等領(lǐng)域[4]。小球藻（Chlorella vulgaris）屬于綠藻綱小球藻科，是一種高光效的光合自養(yǎng)植物，分布極為廣泛，可用于農(nóng)業(yè)[5]、食品[6]、化工[7]、化妝品[8]和污水處理等領(lǐng)域。小球藻的培養(yǎng)環(huán)境簡單，適宜的光照、溫度、氧氣及水環(huán)境就可以實現(xiàn)高密度的培養(yǎng)，得到高的生物質(zhì)產(chǎn)量。

目前降低氨氮含量的方法有很多：如化學(xué)沉淀法、化學(xué)氧化法、離子交換法、吹脫法、生物膜法等。其中，吹脫法具有簡便快捷、處理效果穩(wěn)定的特點，常作為基礎(chǔ)步驟與生物法等其他處理技術(shù)結(jié)合使用[9]。單細胞微藻是水資源中重要的初級生產(chǎn)力[10]，可吸收一部分水體的氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)[11]，對水體氨氮的富營養(yǎng)化處理有積極的效果，可望顯著降低水體中的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮[12]，以達到水質(zhì)凈化的目的。

利用微藻進行廢水處理日漸增多，例如，季方[13]挑選適宜微藻處理厭氧發(fā)酵液得到微藻生物質(zhì)。王華光等[14]、劉強等[15]通過藻菌互作體系處理廢水。張燕鵬[16]通過廢水中物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)藻藍蛋白。吹脫法作為氨氮廢水處理的樞紐，若能與微藻培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合，就可實現(xiàn)廢水凈化和高值生物質(zhì)生產(chǎn)雙重效益。

本研究擬優(yōu)化吹脫法處理廢水的適宜條件進而耦合微藻培養(yǎng)和聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)，以期獲得凈化后的廢水和微藻生物質(zhì)能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，實現(xiàn)廢水資源循環(huán)利用的生態(tài)效益，為高氨廢水處理和利用提供新的途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與儀器

NH4Cl溶液（200 g/L）、NaOH溶液（2 mol/L）、HCl溶液（2 mol/L）、BG11培養(yǎng)基[17]、通氣裝置、酒石酸鉀鈉、納氏試劑。上海青小油菜種子、意大利耐抽苔生菜種子。本試驗所用藻種小球藻由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所分離保存。

紫外可見分光光度計（UV-6000PC，上海元析儀器有限公司），電子天平（AX523ZH/E，奧豪斯儀器有限公司），電熱恒溫水浴鍋（DZKW，天津市大港區(qū)紅杉實驗設(shè)備廠），光照培養(yǎng)箱（GXZ-260B，寧波樂電儀器制造有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 高氨氮廢水的模擬制備 參考甘懷斌等[18]對實驗用水的配制并進行修整后，使用BG11培養(yǎng)基與NH4Cl溶液混合作為模擬高氨廢水，使溶液的氨氮濃度達到800 mg/L。

1.2.2 吹脫法的優(yōu)化

1.2.2.1 最適pH的篩選 基于前人的研究[19]，為探究吹脫最適p H，用Na OH調(diào)節(jié)，溶液分別調(diào)至9、10、11、12，放入水浴鍋中，以50℃的恒溫進行水浴并用通氣裝置進行吹脫，每20 min取一次樣。取樣完畢后，采用納氏比色法測定氨氮含量。

1.2.2.2 最適溫度的篩選 由1.2.2.1篩選出最適p H，將模擬廢水p H調(diào)至12，設(shè)3個溫度（60、70、80℃），常溫（25℃）為對照，觀察在相同p H、相同爆氣率下，不同溫度對吹脫速率的影響，每10 min取一次樣。取樣完畢后，采用納氏比色法測定氨氮含量。

1.2.3 吹脫法處理廢水后小球藻的培養(yǎng) 將小球藻分別接種在BG11、BG11+50 mg/L氨氮、BG11+800 mg/L氨氮的三角瓶中，置于搖床（140 r/min）連續(xù)培養(yǎng)13 d，設(shè)定環(huán)境溫度為25°C，光照強度為8 000 lx，24 h光照。分別在第1、3、5、7、9、11、13天取樣，用抽濾烘干的方式測定微藻生物質(zhì)干質(zhì)量

1.2.4 種子發(fā)芽試驗 將培養(yǎng)后的小球藻，在分光光度計680 nm處，以蒸餾水為對照，用BG11溶液調(diào)整藻液OD值為1。設(shè)置不同處理溶液：蒸餾水（W）、藻液（Z）、蒸餾水+800 mg/L氨氮（N800）、蒸餾水+50 mg/L氨氮（N50）、藻液+800 mg/L氨氮（Z800）、藻液+50 mg/L氨氮（Z50）。將小油菜和生菜種子用75%乙醇浸泡2 min，然后用5%次氯酸鈉處理10 mim，最后用無菌蒸餾水漂洗，各選取30粒放置在含有濕濾紙的培養(yǎng)皿中發(fā)芽，分別加入相對應(yīng)的處理組溶液6 mL，放置在25℃恒溫光照培養(yǎng)箱中遮光培養(yǎng)，每24 h更換濾紙、培養(yǎng)皿和處理液，并記錄發(fā)芽數(shù)量，計算發(fā)芽率。每個處理3個重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使 用WPS 2019、Excel 2016、SPSS 24.0、Origin 9.5進行數(shù)據(jù)處理與分析，圖表的構(gòu)建使用Excel 2016，圖表中的趨勢性折線圖使用Origin 9.5，差異性分析使用SPSS 24.0，試驗數(shù)據(jù)均取平均值，差異顯著性檢驗置信區(qū)間P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 最適pH值的篩選

用銨溶液來標定氨氮含量，得出標準曲線方程為y=3.472 1x+0.014 3（R2=0.998），線性關(guān)系良好（圖1）。

由圖2可知，在不同的p H條件下，氨氮含量隨著吹脫時間的增加而逐漸減少，吹脫效率與溶液中p H值呈正相關(guān)。當p H=9時，溶液中氨氮含量變化最小，吹脫效率較低。然而，當p H=12時，隨著吹脫時間的延長，溶液中的氨氮含量已經(jīng)趨向于0，與pH=9時相比，吹脫效率達到最高。

隨著時間的增加，氨氮含量隨pH值的增加而不斷減少，說明溶液環(huán)境的酸堿性與去除率存在一定的相關(guān)性。鑒于吹脫法是雙向可逆反應(yīng)，依靠實際濃度與平衡濃度間的差異進行，因此，在吹脫前期存在氨氮含量不降反升的現(xiàn)象也在誤差范圍之內(nèi)。

所有處理組初始氨氮含量均為800 mg/L。由圖2中0 min時的氨氮含量不難看出，廢水中的氨氮在自然條件下也會揮發(fā)，然而在不經(jīng)過吹脫處理時在不同堿性環(huán)境下?lián)]發(fā)量相差不大。因此，吹脫法在反應(yīng)中起著極為關(guān)鍵的作用。

2.2 最適溫度的篩選

根據(jù)2.1結(jié)果可知，在p H=12時氨氮去除率最高。為探尋最佳溫度條件，試驗在pH=12下進行，控制變量僅以溫度為條件，選擇出最佳溫度。由圖3可知，吹脫率隨溫度的升高而增加。當T=25℃時，氨氮含量變化最小；當T=80℃時，隨著時間的延長，氨氮含量顯著降低，且趨近于0。

由圖3中10 min時氨氮含量可知，與室溫狀態(tài)下pH對氨氮去除率的影響相比，在最佳pH一定的條件下，當增加溫度條件后氨氮含量在短時間內(nèi)會急劇降低。因此，附加溫度條件后，相較于單變量p H來看，達到較低氨氮含量所需的吹脫時間更短。

2.3 吹脫法處理后廢水培養(yǎng)微藻的生長情況

從圖4可以看出，高氨氮組（BG11-800）的小球藻生長明顯受到抑制。而經(jīng)過吹脫之后的模擬高氨廢水組（BG11-50），小球藻長勢良好，略低于正常培養(yǎng)基組（BG11）。

2.4 不同條件對種子萌發(fā)的影響

由圖5、6可知，與高氨氮蒸餾水組相比，在萌發(fā)進程中含高氨氮的小球藻對小油菜和生菜發(fā)芽率有明顯的促進作用，且最終的發(fā)芽勢與萌發(fā)率也均高于高氨氮蒸餾水組。

油菜與生菜均屬于雙子葉作物，因物種的不同小球藻的作用也存在一定的差異，從圖中觀察到小球藻組相較于純蒸餾水組對生菜種子的發(fā)芽率影響更高，在發(fā)芽期間，小球藻對生菜種子的影響均高于純蒸餾水組。由此可知，在處理高氨氮廢水中加入小球藻對吹脫法降氨氮有很強的增益效果。

從圖7、8可以看出，在高濃度的氨氮存在條件下，即使有小球藻存在的種子發(fā)芽率也會受到極大的抑制；經(jīng)過最適條件下吹脫處理后，提高種子發(fā)芽率的效果也非常明顯，同時期內(nèi)接近于純蒸餾水組的發(fā)芽率；當溶液中有小球藻存在時，發(fā)芽率也有明顯提高，不僅可以提高2種作物的發(fā)芽率，而且超過了純蒸餾水組，在所有處理中效果達到了最優(yōu)。

整體來看，吹脫法耦合微藻培養(yǎng)收獲的微藻生物質(zhì)（藻液）對生菜種子的萌發(fā)促進效果更佳。

3 結(jié)論與討論

現(xiàn)今高氨廢水的處理技術(shù)多種多樣。但對處理后的廢水如何利用的研究相對較少。本試驗通過對高氨氮廢水進行吹脫處理，經(jīng)過處理后廢水再用來培養(yǎng)微藻，既可獲得微藻相關(guān)產(chǎn)品，處理過的廢水又可用于解決農(nóng)田灌溉問題。在種子萌發(fā)時，提高種子發(fā)芽率，減少種子資源浪費，爭取作物高產(chǎn)。在水資源充足地區(qū)也可向作物的高產(chǎn)為目標進行產(chǎn)量突破，達到吹脫體系與生物制體系耦合應(yīng)用的雙增效果。

本試驗首先研究了吹脫法對降低氨氮含量的最適p H與最適溫度，結(jié)果表明，經(jīng)過吹脫和養(yǎng)藻相繼處理，廢水溶液中的氨氮含量由800 mg/L降低至50 mg/L，除氮效果較為顯著。高溫下隨著吹脫時間的延長，溶液中水汽蒸發(fā)量大于氨氮蒸發(fā)量，使得檢測出氨氮濃度偏高，但總體趨勢均呈下降趨。常溫，60、70、80℃條件下氨氮去除率明顯增加，隨著溫度的升高氨氮去除率越高，與溫度成正相關(guān)；在適宜溫度條件下，隨著pH的升高氨氮含量也隨之降低，且達到相同吹脫效果時所用時間更短，這與肖成成[20]所得出的結(jié)論相符。

廢水中氨氮濃度過高不僅會影響環(huán)境，對植物的生長也有很大的抑制效應(yīng)。高氨廢水經(jīng)吹脫和微藻生物體系聯(lián)合處理后可用于農(nóng)田灌溉。測試種子萌發(fā)性狀可作為一項檢驗指標進行廢水處理體系優(yōu)化評估。通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用吹脫法獲得的低氨氮溶液對種子萌發(fā)的影響效果有可能超過純蒸餾水體系，原因可能是低濃度的氨氮不僅不會抑制種子萌發(fā)，還可以為植物的生長發(fā)育提供必要的N元素；當加入小球藻時，會緩解逆境對種子萌發(fā)的影響[21]，實驗效果最佳。因此，吹脫法與微藻的結(jié)合利用，不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐提供理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實意義，而且有助于資源的高效利用。