菌藻共生处理猪场废水的效果研究

杜学振，申 婷，邢冠润，李君荣

(金华职业技术学院，浙江 金华 321017)

养殖业废水中COD、NH4+-N等含量高，给水生态环境造成了严重影响，因此，养殖业废水资源化处理关系到农村生态环境的改善和畜牧业的可持续发展[1]。菌藻共生系统处理养殖业废水近年来被广泛关注，研究发现菌藻之间有共生协同作用，这种协同作用可以有效提高污水中氮、磷等物质的去除效率[2]。

微藻具有高效的脱氮除磷能力，如栅藻、小球藻、单生卵囊藻等15种淡水微藻对猪场养殖废水的除磷效果均可达90%以上[3]，朱新曼等[4]研究表明莱茵衣藻在污水中的生长状态良好且对污水中总磷、总氮和COD 具有较好的处理效果，去除率分别可以达到98.7%、72.6%和81.5%。光合菌是指在厌氧条件下，能够进行不放氧光合作用的一类细菌的总称，它对食品加工、畜禽养殖、水产品加工、印染等所产生的高浓度有机废水均有显著的净化效果[5-6]。有研究表明光合菌对养殖废水中COD 及氨氮的去除率均达到85%以上[7]。吴向华[8]等在暗纹东方鲀养殖池中添加50 μg/L以上光合菌可以增加水中溶氧，净化水体环境，将COD、BOD及氨氮浓度值降至正常范围。结合微藻和光合菌自身对养殖业废水处理的特点及优势，将两者进行结合构建菌藻共生系统来处理养殖业废水，有望进一步提高处理效果。

为研究不同梯度比例菌-藻共生系统对猪场废水中COD、TN、NH4+-N、TP等去除效果，本文对比研究了光合菌与普通小球藻、淡水卵囊藻、斜生栅藻、莱茵衣藻以不同梯度比例混合对猪场废水的处理能力，以确定菌-藻共生系统的最佳比例，为菌藻共生系统应用到实际生产提供研究基础。

1 材料与方法

1.1藻种与菌种 本研究中处理猪场废水用的扩培藻种来自于乐清光语生物科技有限公司(乐清，中国)，其中普通小球藻的藻种库编号为GY-D25，淡水卵囊藻的藻种库编号为GY-D5，莱茵衣藻的藻种库编号为GY-D55，斜生栅藻的藻种库编号为GY-D13，光合菌为光合细菌混合菌。

1.2微藻驯化与扩繁 将纯藻接种到BG-11培养液中,在无菌条件下进行，从50 mL到1 L锥形瓶中逐渐扩繁放大培养，具体操作如下：将一定量的藻液先接种于含有25 mL已灭菌培养液的50 mL锥形瓶中，在摇床上震荡培养(温度为25 ℃，全天光照，光照强度为100 lux，转速为120 rpm)，待藻液颜色从黄绿到深绿时，吸取20 mL到含有150 mL的优化BG-11的锥形瓶中，并且从150 mL到1 L逐级扩繁放大培养(重复以上操作)，以获得大量的藻体，供试验使用。期间定期在显微镜下观察微藻的生长状况，检查藻种是否被污染。试验前首先将微藻藻种进行离心浓缩(6000 rpm，5 min)，然后用超纯水悬浮微藻细胞，再次离心、浓缩(6000 rpm，5 min)，重复操作3次，然后将藻液配置成藻细胞计数密度为1×106cells/mL左右，供试验用。

1.3菌藻配比分组与废水处理方法 猪场废水取自浙江金华市某猪场育肥猪舍，接取排入沼气池前的猪场尿粪冲洗废水，通过离心机5000 r/min、3 min离心预处理，去除废水中的浑浊固形物。经预处理后的猪场废水的pH、COD、TN、NH4+-N、TP的测定值分别为5.89、131.4 mg/L、267.5 mg/L、189.6 mg/L、44.3 mg/L。根据不同藻种分为4个大试验组，每个大试验组根据不同菌藻比例分为4个试验组(表2)，分别为单一微藻组、菌藻比1∶350组、菌藻比1∶35组、菌藻比1∶3.5组。

各组分别取1000 mL锥形瓶，加入600 mL经预处理后的猪场废水和300 mL对应的单一微藻或混合菌藻。将锥形瓶置于全天候提供人工光照的温室环境内(相对湿度、室内温度、光照强度分别为65%、25℃、100 lux左右)，采用小型空气泵(功率20～25 W)及气石提供1 min/h的连续通气以提供水循环和微藻生长所需的二氧化碳。

1.4猪场废水的水质测定指标 各试验组处理猪场废水的试验时间为14 d，试验开展过程中每隔2 d抽取菌藻废水混合溶液样品，在离心机上以5000 r/min离心3 min去除废水中的菌藻，取上清液进行猪场废水的pH、COD、TN、NH4+-N、TP等水质指标测定。pH(水质酸碱度)依据GB 6920-1986采用玻璃电极法测定，COD(水质化学需氧量)依据HJ 828-2017采用重铬酸盐法测定，TN(水质总氮)依据HJ 636-2012采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，NH4+-N (水质氨氮)依据HJ 535-2009采用纳氏试剂分光光度法测定，TP(水质总磷)依据GB 11893-89采用钼酸铵分光光度法测定。

1.5数据分析 每个试验组分别设置3个平行试验，试验数据用 SPSS22.0 数据统计软件进行one-way ANOVA单因素方差分析，最终的试验结果以平均数±标准差(X±SD)表示。

2 结果与分析

2.1菌藻共生系统生物量外观观察 各试验组间外观颜色变化如图1，菌藻共生组颜色总体较单一微藻组绿，特别是卵囊藻和斜生栅藻组，小球藻组菌藻1-4组较单一微藻组颜色更深。

2.2对猪场废水水质pH的影响 通过测定各组pH值发现，各试验组pH值不断上升最终趋于稳定，除卵囊藻外，其他试验大组中菌藻共生组在前8天pH上升幅度均显著高于相对应的单一微藻组(P<0.05)，卵囊藻试验组中2-2组pH在第4-6 d上升幅度较大。

2.3对猪场废水COD的处理能力 通过测定各组COD值发现，4-2组和4-3组及1-4组对废水COD的处理效果最好，分别达到92.80%、92.70%和92.24%，其中4-3组在试验前4 d的对废水COD的处理速率最快。小球藻-光合菌组中，菌藻共生组对废水COD的处理效果较单一小球藻组均有不同程度的提高，其中1-4组的处理效果(92.24%)较单一小球藻1-1组(85.73%)有显著提高(P<0.05)。卵囊藻-光合菌组中， 2-2组处理 效果最好(90.53%)，2-4组处理效果最差(84.59%)。莱茵衣藻-光合菌组中，3-3组处理效果最好(91.10%)，但菌藻共生组和单一微藻组之间无显著性差异(P>0.05)。斜生栅藻-光合菌组中，4-2组和4-3组对废水COD的处理效果最好，分别达到92.80%和92.70%，显著高于单一微藻组(P<0.05)。

2.4菌藻共生系统对猪场废水TN和NH4+-N的处理能力 通过测定各组TN值发现，小球藻-光合菌组中，菌藻共生组对废水TN的处理效果较单一小球藻组均有不同程度的提高，其中1-4组的处理效果(83.79%)较单一小球藻1-1组(73.70%)有显著提高(P<0.05), 卵囊藻-光合菌组中,菌藻共生组对废水TN 的处理效果较单一小球藻组均有不同程度的提高,且随着光合菌比例的增加，对TN的处理效果趋于更好，2-4组的处理效果(84.97%)较单一卵囊藻2-1组(71.17%)有显著提高(P<0.05)。莱茵衣藻-光合菌组中，各组对废水中TN的处理速率较其他菌藻共生组速率更快，处理效果整体也更好，其中3-4组对废水TN的处理效果最好达94.73%。斜生栅藻-光合菌组中，各组对废水的处理效果整体较好，其中4-3组和4-4组对废水TN的处理效果分别达94.78%和94.62%。

通过测定各组NH4+-N值发现，各大组中， 菌藻共生组对废水中NH4+-N的处理效果均比单一微藻组的处理效果好。小球藻-光合菌组中， 菌藻共生组之间无显著性差异(P>0.05)，但都显著高于单一微藻组(P<0.05)，其中1-4组处理效果最好，达92.89%。卵囊藻-光合菌组中，2-3组和2-4组处理效果达95.08%和96.45%显著高于单一微藻2-1组80.56%(P<0.05)。 莱茵衣藻-光合菌组中， 3-3组和3-4组对废水中NH4+-N的处理效果达 97.82% 和 98.64% 显著高于单一微藻3-1组(P<0.05)，是所有大组中处理效果最好的两个小组。斜生栅藻-光合菌组中，菌藻共生组之间无显著性差异(P>0.05)，但都显著高于单一微藻组(P<0.05)，其中4-2组处理效果最好，达93.43%。

2.5菌藻共生系统对猪场废水TP的处理能力 通过测定各组TP值发现，小球藻-光合菌组中，菌藻共生组对废水中TP的处理效果均较单一微藻组的处理效果好，其中1-2组的处理效果(93.71%)较单一小球藻1-1组(87.03%)有显著提高(P<0.05)。卵囊藻-光合菌组中，2-2组的处理效果最好，达94.34%。莱茵衣藻-光合菌组中，菌藻共生组对废水中TP的处理效果均较单一微藻组处理效果差，且菌比例越高，处理效果越差，其中3-3组和3-4组处理效果分别为80.83%和80.04%，均显著低于单一微藻组(P<0.05)。斜生栅藻-光合菌组中，4-2组和4-3组对废水中TP的处理效果和单一微藻组无显著性差异(P>0.05)，4-4组对废水中TP的处理效果显著性低于组内其他试验组(P<0.05)。

3 讨论

本研究中，菌藻共生组生物量总体高于单一微藻组，特别是卵囊藻和斜生栅藻组，说明光合菌和微藻之间有协同共生关系。各试验组pH值不断上升最终趋于稳定，在试验前中期菌藻共生组pH较对应的单一微藻组上升更快，迅速达到8.5-9.5之间，提升了微藻的活跃度，这与邹古月[9]等研究一致。在去除废水COD方面，斜生栅藻4-2组、4-3组及小球藻1-4组对废水COD的处理效果最好，分别达到92.80%、92.70%和92.24%，但其他菌藻共生组较相对应的单一微藻组并无明显差异，说明小比例的光合菌对斜生栅藻及大比例的光合菌对小球藻均有显著促进作用，这表明，光合菌对废水中低浓度有机质有较强的降解转化能力，微藻可以促进废水中有机物质的去除，两种物质起到了协同作用[10]，这与钟瑞[11]等人研究一致，随着光合菌浓度的增加，小球藻对废水COD的处理效果提高。但本试验中光合菌只对斜生栅藻和小球藻的作用明显，且斜生栅藻和小球藻与光合菌的最佳比例并不相同，这有可能不是最优比例，有待后续研究确定。

各菌藻共生组对废水中TN的处理效果均比相应的单一微藻组处理效果好，这表明，光合菌可以促进微藻对猪场废水中TN的处理效果。其作用机理是，光合菌在厌氧条件下，可以发生反硝化反应，使硝酸氮还原为气态氮从而去除废水中的氮[12]。在去除废水NH4+-N方面，各菌藻共生组对废水中氨氮的处理效果均优于单一微藻组，说明光合菌对微藻处理废水中氨氮有促进作用。这可能和光合菌在好氧条件下的生长方式有关，在好氧条件下光合菌合成细胞原生质，废水中的氨氮可以被光合菌直接吸收消耗[13]。

菌藻共生系统中光合菌比例越大对废水中TP的处理效果越差，小球藻和卵囊藻的菌藻共生组中，菌藻比1∶350组的处理效果均显著高于对应的单一微藻组。这表明，少量光合菌可以有效促进微藻对废水中TP的处理效果。光合菌无论在好氧还是厌氧条件下,对磷的去除方式都是通过直接吸收分解去完成的[14]，但高比例的光合菌组并不能起到更好的除磷效果，这可能是因为高比例光合菌和微藻间产生了相互竞争关系，有研究表明在菌藻共生系统中，当环境中磷含量较低时，微藻可以产生抑制细菌生长或毒害细菌的物质—藻毒素，从而导致细菌的裂解死亡[15]。

4 结论

菌藻共生系统对猪场废水的净化效果优于单一微藻，其中斜生栅藻菌藻比1∶35组在去除猪场废水COD、TN方面效果显著，小球藻和卵囊藻菌藻比1∶3.5组在去除猪场废水TP方面有显著提高。