藻茵共生固定化斜生栅藻处理猪粪废水的研究

毕亚楠

摘要：采用斜生栅藻和木醋杆茵构建藻茵共生系统固定化藻，制备了粒径为1cm和2cm的固定化藻，以游离藻作对照，测定了斜生栅藻处理后的猪粪废水的氨氮含量、总磷含量、总氮含量并计算了去除率;探究了不同粒径的固定化斜生栅藻和游离斜生栅藻对猪粪废水的净化能力。实验结果显示，固定化藻对猪粪废水中氨氮、总磷、总氮的去除率高于游离藻，且1cm固定化藻的去除能力更好。说明较小粒径的固定化斜生栅藻对净化畜禽废水有明显优势，具有较高的应用价值。

关键词：藻茵共生;固定化斜生栅藻;氮;磷;去除率

中圈分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0132-03

1引言

近年来，随着养殖业的不断发展，增加了化肥、农药的使用量。由于畜禽废水排放量大且集中，含有重金属、残留兽药和病原体，且氨氮和有机磷含量高。一些企业为降低成本，将未经处理的畜禽废水直接排放到环境中或者直接农用，不但使水质恶化，而且严重污染了生态环境和农田。但随着乡村振兴农业政策下绿色农业的推广，畜禽污水处理也受到了重视。

将微藻用于污水处理的想法是Oswald等在1957年提出的，其奠定了藻类污水生物处理技术的基础。微藻对废水中氮磷、有机物有去除效力，而细菌具有降解污染代谢物的能力，将两者有效地结合起来，微藻进行光合作用释放的O2可供好氧茵进行生命活动，该细菌能将废水中的氨氮及含磷有机物降解为无机盐，产生的代谢产物CO2、无机氮磷化合物又为微藻的光合作用提供碳源和营养，该系统循环反复形成共生关系，即称为藻菌共生，该系统可以有效去除废水中的氮磷有机物，达到净化作用。基于在藻菌共生中CO2循环和物质循环的特殊性，并结合其他相关技术和工艺，建立废水处理体系，可有效实现污水的自净，且符合自然生态发展模式，具有极好的前景。

微藻固定化技术于20世纪80年代兴起，是一项正在发展的生物技术。基于藻菌共生体系，结合固定化藻类工艺，国内外开展了一些研究：Chevalier等提出基于藻菌共生将固定化藻类用于水处理;严国安等研究了固定化栅藻对污水的处理效果;高鹏利用包埋固定化铜绿微囊藻（Microcystisaeruginosa）处理污水探讨其NH4⁺-N和TP的去除效果;李正魁将固定化氮循环菌在废水中培養，以处理富营养化的水体等，这些研究证明了微藻可以有效去除畜禽废水中的氮、磷、重金属元素等物质，能达到净化效果。由于针对在藻菌共生系统下，固定化斜生栅藻对污水的处理能力的研究鲜有报告。为此，本实验通过建立藻菌共生体系，运用木醋杆菌形成的细菌纤维素固定化斜生栅藻，设置游离藻为对照，比较斜生栅藻在游离与固定化两种状态下对猪粪废水中氮磷含量的影响，从而判定其对污水处理的能力高低，为固定化斜生栅藻净化畜禽废水的研究与应用提供数据。

2材料和方法

2.1实验材料

斜生栅藻种（Scenedesmusobliquus），来自云南省农业科学院;木醋杆菌（Gluconacetobacterxylinus），来自云南省农业科学院。

2.2实验方法

2.2.1猪粪废水的采集和预处理

猪粪废水取自云南农业大学养猪厂。取适量猪粪废水，用蒸馏水稀释并搅拌，静置24h，后，用10层纱布过滤，得到预处理的废水。

2.2.2猪粪废水的灭茵

将猪粪废水以封口膜密封，分装至小锥形瓶中，放置进高压蒸汽灭菌锅，于121℃，25min条件下灭菌，结束后取出备用。

2.2.3培养方法

2.2.3.1藻种培养

量取100mL SE液体培养基，转移至容量为250mL的锥形瓶中，在无菌状态下，将斜生栅藻的藻种接种于SE液体培养基中，接种量为10%，于25℃，光照强度约为3500lux，通空气条件下培养10d（表1）。

2.2.3.2菌种培养

在无菌条件下，将木醋杆菌菌种接种于含有基础培养基的锥形瓶中进行培养，约一周（表2）。

2.2.3.3藻种的固定化处理

取灭菌过的小锥形，分别接入斜生栅藻藻液，5%的木醋杆菌菌液制备粒径为1am、2cm的固定化藻。静置8h，木醋杆菌形成的细菌纤维素包裹微藻，微藻成团状。

2.2.4测定方法

氨氮（NH3-N2）含量采用纳氏试剂比色法测定;总氮（TN）的含量采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法测定;总磷（TP）的测定采用过硫酸钾消解，钼锑抗分光光度法测定。具体方法参见文献[10]。

2.3 实验设计

分别取粒径为1cm、2cm的固定化藻、游离藻液按其占总体积的15%的投放率放人300mL的灭菌废水中，每个实验组设3个平行实验，于25℃，光照强度约为3500lux条件下的光照培养箱中培养。分别在第Od，第3d，第6d，第9d时定时取样10mL，测定其氨氮（NH3-N：）、总氮（TN）、总磷（TP）的值。

2.4数据统计与处理

2.4.1去除率

2.4.2统计分析

运用Excle 2010进行数据处理和图表生成。

3结果与讨论

3.1固定化藻和游离藻作用下对猪粪废水的水质的影响

3.1.1氨氮（NH3-N2）的去除效果

如图1为游离藻与不同粒径固定化藻在O～9d内对猪粪废水中氨氮的去除率，可以看出游离藻与固定化藻对猪粪废水中的氨氮均有较好的去除效果。前3d变化率均较大，固定化藻的去除效果优于游离藻;接下来3d固定化藻的去除率的增长速度减慢，游离藻的去除率仍以较快速度增长;最后3d均趋于平缓且游离藻与固定化藻的去除率差异不大，但1or/1固定化藻较优，达94.6%。

3.1.2总磷（TP）的去除效果

如图2为游离藻与不同粒径固定化藻在O～9d内对猪粪废水中总磷的去除率，可以看出固定化藻的去除效果显著优于游离藻。前3d，去除率均较快增长，但1cm固定化藻去除率高达60%以上，去除优势明显;随后3d，固定化藻的去除率以较慢速度增长，而游离藻的去除率变化极小;最终固定化藻达到较高的去除率，且1cm固定化藻较优，达89.2%，而游离藻的去，除效果差去除率不及50%。

3.1.3总氮（TN）的去除效果

如图3为游离藻与不同粒径固定化藻在O～9d内对猪粪废水中总氮磷的去除率，可以看出固定化藻去除效果更佳。固定化藻与游离藻的去除率均以稳定的速度增长，固定化藻的去除效果始终优于游离藻，1cm固定化藻与2cm固定化藻最终的的去除率均较高，达98%左右，且1cm固定化藻略优。

3.1.4讨论

从以上实验结果看出，固定化斜生栅藻的净化效果优于游离藻，是因为固定化微藻形成的球状结构，比表面积较大，氮磷及有机物质易吸附于固定化藻表面并渗透内部至饱和，增加了反应的接触面积;并且固定化藻的生理特性发生了变化，能提高微藻的合成代谢活性，使氨氮及有机磷的利用率增大，因此固定化藻的降解效果显著。与此同时，1cm固定化藻的去除性能优于2cm固定化藻，表明固定化藻的粒径大小也会影响藻的生长代谢，过大的粒径会限制其反应速率，不利于物质的吸收。

4结论

（1）固定化斜生栅藻对猪粪废水中的氨氮、总磷、总氮的去除率高于游离斜生栅藻。

（2）固定化藻粒径的大小会对氨氮和磷的去除效果产生影响，粒径为1cm的固定化藻去除效果更好，但粒径大小对去除效果的具体影响还有待于今后进一步研究。