光合细菌对模拟海水养殖废水COD的去除能力研究

王 冰，白 萱, 王嘉丽, 赵 乐，杨宝灵，吴 盼(大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605)

2016年，中国海水养殖总量1 963.13万吨，比2015年增长4.67%[1]。海水养殖的剩余饵料、养殖生物排泄物及为防治病害使用的各种化学药品(抗生素等)可导致局部海洋环境微生态破坏[2-4]。海水养殖废水处理目的是降低废水中悬浮物、化学需氧量、氨氮和磷浓度。生物方法与物理、化学法相比，不产生二次污染，经济、有效[5]。目前生物处理法有活性污泥法、生物膜法、生物絮凝法等。活性污泥法会带来大量的剩余污泥处置问题，而生物膜法容易引起膜堵塞、启动慢以及海水的盐度效应等问题，海水养殖废水的处理研究仍处于起步阶段[6-7]。

光合细菌是一种具有潜力的污水处理微生物[8]，已经被用于多种污水的净化，如制糖[9]、屠宰[10]、乳制[11]、染料[12]废水。光合细菌生物里富含类胡萝卜素[13]、辅酶Q10[14]和蛋白质[15]等可作为动物的饲料使用。因此，光合细菌处理污水是一项污水资源化技术。本文以海水养殖废水为处理对象，研究利用海水中分离的光合细菌在不同条件下的净化效果。探讨海水养殖废水初始化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)浓度、细菌投加量对海水养殖废水处理效果的影响及处理条件优化，为光合细菌处理海水养殖废水的实际应用提供实验基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

细菌：光合细菌(辽宁师范大学提供，编号为PSB001，从海水对虾养殖池底泥分离纯化而来)。

超净工作台(SW-CJ-1C，浙江苏净净化设备有限公司)；台式高速冷冻离心机(TGL-16K，湘仪离心机有限公司)；恒温气浴振荡器(ZD-85，金坛市友联仪器研究所)；高压蒸汽灭菌锅(MLS-3200，三洋SANYO)。

1.2 实验方法

1.2.1 光合细菌的培养

配制光合细菌海水培养基，pH=7.2，培养基组成见表1。

表1 光合细菌培养基组成

(1)好氧培养。采用摇瓶培养，摇床转速为150 r·min-1，温度为25 ℃，好氧培养物为淡黄色。

(2)光照厌氧培养。在100 ml血清瓶中厌氧，光照培养箱中静置培养(光照强度2 500 lux)，光厌氧菌液为紫红色。

1.2.2 人工污水配置

人工污水的配方为COD:N:P=100:10:1，用葡萄糖增加COD含量，磷酸二氢钾和氯化铵提供N、P元素。

1.2.3 COD净化

(1)COD初始浓度对净化效果的影响。取4份200 ml的细菌悬液，3 500 r·min-1离心15 min，弃上清液，取细菌沉淀分别加入到装有100 ml人工污水(COD浓度非别为1 000、500、250、125 mg·L-1)的锥形瓶。放入25 ℃恒温摇床，转速为150 r·min-1。每隔1 d取样，样品离心10 min，取上清液测定污水COD含量。

(2)细菌投加量对净化效果的影响。取不同体积(100、200、400 ml)的细菌悬液，3 500 r·min-1离心15 min，弃上清液，取细菌沉淀分别加入到装有100 ml人工污水(COD浓度为500 mg·L-1)的锥形瓶。放入25 ℃恒温摇床，转速为150 r·min-1。每隔1 d取样，样品离心10 min，取上清液测定污水COD含量。

(3)光照与好厌氧环境对去除效果的影响。取4份200 ml的细菌悬液，3 500 r·min-1离心15 min，弃上清液，取沉淀加入到装有100 ml人工污水(COD浓度为500 mg·L-1)中。环境1：恒温摇床中进行好氧微光照处理。环境2：用铝箔包裹锥形瓶放入恒温摇床进行好氧黑暗处理。环境3：橡胶塞封口静置于光照培养箱进行厌氧光照处理。环境4：用铝箔包裹静止放置进行厌氧黑暗处理。每隔1 d取样，样品离心10 min，取上清液测定污水COD含量。

1.2.4 化学指标测定

采用碱性高锰酸钾法测定COD。化学指标测定方法出自《海洋监测规范》第4部分(GB17378.4-1998)[16]。

2 结果与讨论

初始COD浓度对COD去除的影响如图1。COD初始浓度为1 000、500、250、125 mg·L-1时，每100 ml污水投放200 ml 光合细菌，4 d去除率分别为28.1%、75.0%、87.5、87.5%。COD去除量分别是281.0、375.0、218.8和109.4 mg·L-1。光合细菌COD净化能力明显优于传统生物处理方法——生物膜法[5]和活性污泥法[6]。

图1 初始COD浓度对COD去除的影响

光合细菌投加量对COD去除的影响如图2。污水COD初始浓度为500 mg·L-1，细菌OD 660 nm值为0.6，每100 ml污水投加200 ml光合细菌时COD去除效果较好，第四天COD去除率达到79.2%。COD去除效果高于嗜硫小红卵菌[17]、生物膜法[5]和活性污泥法[6]。

图2 光合细菌投加量对COD去除的影响

处理环境对COD去除的影响如图3。660 nm处理环境为好氧微光、厌氧光照、好氧黑暗、厌氧黑暗时都能去除COD。但相比之下好氧自然光和好氧黑暗条件下去除效果相对较好，厌氧光照4 d后去除率可以达到好氧黑暗条件下的去除率。光合细菌去除COD效果高于嗜硫小红卵菌[17]、生物膜法[5]和活性污泥法[6]。

图3 处理环境对COD去除的影响

污水处理后光合细菌的干重见表2(表中数据为“均值±(标准差)”)。各处理条件下细菌均有生长，好氧微光环境下细菌增重最大，与其高COD去除率有关。说明此细菌净化有机物的能力强。

表2 光合细菌干重

3 结 论

(1)每100 ml 污水投放200 ml 光合细菌，COD净化效果最佳。(2)COD初始浓度为500 mg·L-1时，COD净化效果最佳。(3)好氧环境要好于厌氧环境的COD净化效果，光照环境要好于黑暗环境，厌氧光照4 d后可以达到好氧黑暗条件下的去除率。(4)光合细菌(PSB001)COD去除能力高，可作为海水养殖废水生物净化的强化菌株。

参考文献：

[1] 农业部渔业渔政管理局.2017中国渔业统计年鉴[M]. 北京:中国农业出版社,2017,17.

[2] 王亮梅. 海水养殖水的净化处理[J].水处理技术,2005,31(10):79-81.

[3] 陈进斌,苗英霞,邱金泉,等. 海水养殖废水处理技术研究进展[J]. 盐业与化工, 2016,45(5):1-5.

[4] 王娟,范迪. 工厂化海水养殖废水处理技术[J]. 海洋科学,2004, 28(8):72-75.

[5] 徐艳梅,冯丽娟,忻礼斌,等. 海水养殖废水生物膜反应器快速启动研究[J].环境科学与技术,2015,38(12):222-227.

[6] 车鉴,徐牧,阳桂菊,等. 硅藻土固定化颗粒污泥对海水养殖废水除氨性能[J].环境工程学报,2014,8(12):5318-5322.

[7] 李志伟,代明月,高孟春,等.好氧时间与缺氧时间变化对O/A-SBR处理海水养殖废水性能影响[J].中国海洋大学学报,2016,46(5):104-110.

[8] WANG H, ZHANG G, PENG M, et al. Synthetic white spirit wastewater treatment and biomass recovery by photosynthetic bacteria: feasibility and process influence factors[J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2016, 113:134-138.

[9] PRACHANURAK P, CHIEMCHAISRI C, CHIEMCHAISRI W, et al. Biomass production from fermented starch wastewater in photo-bioreactor with internal overflow recirculation[J]. Bioresource Technology, 2014,165: 129-136.

[10] TALAIEKHOZANI A, REZANIA S. Application of photosynthetic bacteria for removal of heavy metals, macropollutants and dye from wastewater: A review[J]. Journal of Water Process Engineering， 2017,19:312-321.

[11] KAEWSUK J, THORASAMPAN W, THANUTTAMAVONG M, et al. Kinetic development and evaluation of membrane sequencing batch reactor (MSBR) with mixed cultures photosynthetic bacteria for dairy wastewater treatment[J]. Journal of Environmental Management, 2010,91 (5):1161-1168.

[12] ABDULLAH M I. Biodegradation ofreactivered195azodyeby the bacteriumRhodopseudomonaspalustris51ATA[J]. African Journal of Microbiology Research[J]. 2012,6(1):120-126.

[13] ZHOU Q, ZHANG P, ZHANG G. Biomass and carotenoid production in photosynthetic bacteria wastewater treatment: Effects of light intensity[J]. Bioresource Technology,2014,171: 330-335.

[14] MENG F, YANG A, ZHANG G, et al. Effects of dissolved oxygen concentration on photosynthetic bacteria wastewater treatment: Pollutants removal, cell growth and pigments production[J]. Bioresource Technology, 2017, 241: 993-997.

[15] WU P, ZHANG G, LI J, et al. Effects of Fe2+concentration on biomass accumulation and energy metabolism in photosynthetic bacteria wastewater treatment[J]. Bioresource Technology,2012,119:55-59.

[16] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会. GB 17378.4-2007 海洋监测规范(第4部分: 海水分析)[S]. 北京：中国标准出版社, 2008.

[17] 王娜,曲艳艳,王伟伟,等. 嗜硫小红卵菌净化模拟海水养殖废水效果研究[J].水产养殖,2015,36(4):26-28.