利用磷元素培植蓝藻获取生物能源的探索

徐浩然，王文娟

0 引言

蓝藻是一种最简单、最原始的藻类，又叫蓝绿藻。在一些营养丰富的水体中，蓝藻常于夏季大量繁殖，能在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫，称为“水华”，加剧了水质恶化，对鱼类等水生动物以及人、畜均有较大危害，严重时会造成鱼类的大量死亡［1］。近年来，大量的工业废水和生活污水排入河流、湖泊和水库中，导致湖泊水体的富营养化日趋严重，生态系统退化，蓝藻水华频繁爆发，严重影响了人类的生产生活。2008年5月底，太湖爆发了有史以来最为严重的蓝藻事件，导致无锡居民出现水危机。蓝藻水华问题已引起社会各界的广泛关注［2］。磷是蓝藻生长的控制性因素，针对蓝藻的控制，多集中于预防和处理，也有少量综合利用的文献资料。本研究重点探讨利用磷元素促进蓝藻生长，并发酵制取生物质，以实现循环培育蓝藻。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

FA2004型电子天平、DL—1万用电炉、QYC2112双层摇床、实验用真空抽滤机US61M/JA-SON—1、抽滤瓶、866—1型数显电热恒温鼓风干燥箱、721A型分光光度计。

重铬酸钾标准溶液(0.250 mol/L)、硫酸亚铁铵标准溶液(约0.1 mol/L)、H2SO4-Ag2SO4溶液、试亚铁灵指示液、硫酸汞、磷酸氢二钾、尿素、葡萄糖，以上试剂均为分析纯。

1.2 分析方法

藻体干重测定采用(105±5)℃烘干法，pH值由pHS—25型酸度计测定;COD的检测方法为重铬酸钾法;总磷用GB 11893—89《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》检测;总氮的检测方法为GB 11894—89《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》。

1.3 实验方法

1.3.1 新鲜藻体的制备

在蒸馏水中按C∶N∶P=100∶5∶1的比例加入营养盐磷酸氢二钾、尿素及葡萄糖，光暗比为16 h∶8 h，培养一段时间后，用真空抽滤机抽滤，将大量繁殖的藻体从水中过滤出来，蒸馏水清洗3次，使藻体表面不再附着游离的外加碳源、氮源及磷源。

1.3.2 蓝藻在蒸馏水中的生长状况

取抽滤后的藻体1 g放入500 mL蒸馏水中培养，室温下光暗比为16 h∶8 h，静置培养10天后用抽滤机抽滤，藻体烘干称重，测定上清液中的TP、TN及COD含量。将分析结果作为后续试验的对照。

1.3.3 磷作为蓝藻生长控制因素的确定

分别取500 mL蒸馏水和1 g抽滤出的藻体(含水率 99%)于 3个烧瓶中，加入不同剂量的KH2PO3、(NH2)2CO和C6H12O6，室温下静置培养，10天后过滤分离，藻体洗涤烘干称重。

1.3.4 磷元素对蓝藻生长的影响

分别取500 mL蒸馏水和1 g抽滤出的藻体(含水率 99%)于 11个烧瓶中，加入不同剂量的KH2PO3，室温静置培养，10天后过滤分离，藻体洗涤烘干称重。

2 结果与讨论

2.1 营养充足的水中蓝藻生成状况

蓝藻在营养源充足的水中生长，繁殖迅速，10天后在烧瓶底部可明显看到大量藻体，洗涤抽滤后每1 g活藻体烘干称重，质量约为10 mg，即藻体的含水率为99%。

2.2 藻体在蒸馏水中的生长

将抽滤后的藻体放入烘箱中于(105±5)℃下烘干1 h，取出称重。测定滤出液中的TP、TN及COD含量，测定结果如表1所示:

表1 蓝藻在蒸馏水中的生长状况

蓝藻在没有添加C、N、P元素的蒸馏水中生长一段时间后，水中 COD从 0mg/L增长到16.542 mg/L，TP和 TN也分别从0 mg/L增长到1.48 mg/L及4.98 mg/L，这说明在没有外源营养物质的情况下，蓝藻的生长转入内源呼吸期，通过消耗自身储存的能源物质以维持生命活动，产生代谢物，因此水中的TP、TN及COD的含量有所增加;与此同时藻体颜色由鲜绿色变为暗黄色，藻重降低，也说明产生了大量的死藻，这时蓝藻的增长速率趋于零，死亡速率大大增加。

2.3 确定磷为蓝藻生长的控制因素

将C、N及P按表2所示比例依次加入蒸馏水中培养蓝藻，检测生长出的蓝藻干重，试验结果见表2。

表2 外源营养物质加量及检测结果

由表2可以看出，在缺少C、N元素的情况下，蓝藻依然能够生长，因此C、N元素不是蓝藻生长的必需元素，只要加入足够的磷元素就可以达到使蓝藻生长的目的。这是因为在富营养水体中，若没有有机质存在，则蓝藻进行自养呼吸，吸收空气中的CO2和氮气合成自身生长需要的有机质。而当水体中存在外源的有机质时，蓝藻会首先吸收水中有机质作为碳源，一旦将水中的有机质消耗完毕，蓝藻就会转而吸收空气中的CO2作为碳源。

2.4 磷源加量对蓝藻生长的影响

在蒸馏水中加入不同量的K2HPO3培养蓝藻，检测蓝藻干重，结果如表3所示。

表3 磷源物质加量及检测结果

图1表明K2HPO3的加入量对蓝藻生成量的影响。可以看出，随着磷源的增加，蓝藻的生成量呈上升趋势。但相较于磷源的增加量，显然蓝藻的增量是较少的，即蓝藻增殖量与磷源增加量不成比例。这说明存在磷源浪费现象，因此有必要考察微量的营养物质对蓝藻生长的影响状况。

图1 磷元素加量对蓝藻生长量的影响

图2表述了微量磷元素加量对蓝藻生长量的影响状况。由图2可以看出，在磷元素浓度极低时，即使有充足的氮气、二氧化碳以及光照时间，蓝藻的增殖量仍然很低，接近于0;而随着磷元素的增加，蓝藻的生长也活跃起来，在500mL蒸馏水中磷元素加量从0.05 mg增加到0.5 mg是蓝藻增殖最快的阶段，大于0.5 mg后藻量增加又趋于平缓，此时虽然磷加量越多蓝藻生长越多，但相应的磷源损失也越多。因此，2 mg的磷酸氢二钾，即0.456 mg磷元素加入到500 mL蒸馏水中就能保证获得最大量的蓝藻藻体，得到30～35 mg增殖藻体，同时也不造成营养盐的浪费。

图2 微量磷元素加量对蓝藻生长量的影响

3 利用蓝藻产生生物质能源的可行性

蓝藻有机体具有潜在的能源可以开发，厌氧发酵生成沼气是一条比较可行的技术路线。国内已有文献表明发酵蓝藻能产生可观的沼气资源。翟志军［6］等人认为新鲜蓝藻可以作为发酵原料生产沼气。在27.5℃左右，接种物与新鲜蓝藻的体积比为1∶2时，蓝藻的总固体产沼气潜力为368.25 mL/g，挥发性固体的产沼气潜力为383.33 mL/g，沼气中甲烷平均含量为63.46%，也即1 kg蓝藻可以产生0.45 m3的甲烷。董诗旭［7］进行了滇池新鲜蓝藻批量发酵产沼气的研究。结果也表明，以蓝藻年产5 000 t(干藻量)计算，每年可产生超过2×106m3的沼气。对于接种物的选择，基于经济无污染的原则，王寿权［8］等人利用猪粪接种蓝藻进行混合发酵生产甲烷，避免大量剩余污泥的产生，同时蓝藻和猪粪有机质含量比较高，是良好的厌氧发酵原料，猪粪含有大量厌氧微生物［9］，能为厌氧发酵提供菌种，同时在与蓝藻共发酵过程中也能产生少量的沼气。在研究接种比例对蓝藻的生物产甲烷潜力的影响时，得出接种量对蓝藻的产气量变化影响较大。随着接种比例的降低，单位时间内产甲烷量呈逐渐增加的趋势。与此同时，整个发酵反应中，pH值的变化范围在7.1～7.7之间。在这个pH值范围内厌氧微生物能够正常生长，甲烷菌也能够正常代谢产甲烷。这说明了在厌氧消解过程中，pH值这个参数能够保持稳定。蓝藻厌氧发酵过程中，化学需氧量的变化趋势为先降低再回升，最后逐渐下降［10］。并且在发酵罐中加入水稻秸秆能够有助于提高蓝藻的厌氧发酵程度。

在发酵产气原理方面，有研究［11］表明，底物中的纤维素等有机物在厌氧微生物作用下转变成有机酸，主要为乙酸和丙酸，其次为丁酸，同时存在微量的戊酸、异丁酸、异戊酸。其中乙酸是产甲烷的直接前体，丙酸、丁酸通过转化为乙酸再产甲烷，因此乙酸的含量直接影响着甲烷的产量。在整个过程中，随着蓝藻的消解，乙酸及丙酸含量都同时增加，并最终转化为甲烷，而丁酸的含量随着接种比例的降低而逐渐降低。

由以上数据可以推算出1 kg磷物质可以产生约340 m3的甲烷。藻体在厌氧发酵过程中，有机碳转化成甲烷气体，磷元素随残渣遗留下来。蓝藻机体中的磷元素在发酵过程中不会转移到气相中，而是以无机盐的形式停留在残渣中，所以发酵后的沼液可以继续用于培养蓝藻。目前尚无文献讨论藻体厌氧发酵残渣的资源化问题，而将残渣中的磷元素提取出来，再用来循环培养蓝藻，不失为一条资源化利用的道路。由此可实现磷元素的循环利用，并得到生物质能源——沼气。

4 结论

(1)在不添加有机物和氮的情况下，1 mg磷可以使蓝藻的繁殖量达到35 mg左右。只要水体不被重金属污染，蓝藻在富磷水中能够很好地生长。

(2)以最小的磷浓度循环培养蓝藻，将其进行厌氧发酵产生沼气，能获得一定量的生物质能源，从而实现蓝藻的资源化应用。

［1］丁艳华.蓝藻综合利用的研究进展［J］.江苏环境科技，2008，21(1):147-149.

［2］曾娟，刘德富.磷营养盐对库湾暴发蓝藻水华的实验研究［J］.三峡大学学报，2008，10:30-35.

［3］Alberto V F，Gisela V，Nelson A，et al.Evaluation of marine algae as a source of biogas in a two-stage anaerobic reactorsystem［J］.Biomass and Bioenergy，2008，32(4):338-344.

［4］王文杰，姚旦，赵辰红，等.氮磷营养盐对四种淡水丝状蓝藻生长的影响［J］.生态科学，2008，8:202-207.

［5］容丽.贵州固氮蓝藻室内培养及固氮力研究［J］.山地农业生物学报，2000，19(4):258-261.

［6］翟志军，马欢.巢湖蓝藻产沼气的试验研究［J］.安徽农业科学，2008，36(12):5084-5087.

［7］董诗旭，董锦艳.滇池蓝藻发酵产沼气的研究［J］.可再生能源，2006(2):16-18.

［8］王寿权，严群.接种比例对猪粪与蓝藻混合发酵产甲烷的影响［J］.农业工程学报，2009，25(6):172-176.

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［11］常志州，杜静.水华蓝藻厌氧发酵工艺技术研究［J］.生态与农村环境学报，2009，25(3):79-82.