1 引言(Introduction)

　　厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是畜禽養(yǎng)殖廢水的主要處理技術(shù).沼氣發(fā)酵過程可去除原料中大量可溶性有機物, 但化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)等濃度依然較高, 抗生素等微量有機污染物也難以脫除, 直接排入水體會帶來環(huán)境污染和生態(tài)威脅(孫建平等, 2009; Park et al., 2010; Chen et al., 2015).微藻生長速率快、環(huán)境適應性強, 生長過程中可吸收利用沼液中營養(yǎng)物質(zhì), 從而降低氮磷等主要污染指標而達到處理沼液的目的(王愿珠等, 2017).同時, 微藻生物質(zhì)具有高附加值, 可用作生物柴油的原料(Levine et al., 2011; 程軍等, 2016), 也可作為動物飼料(Cheng et al., 2015).培養(yǎng)成本較高制約了微藻生物質(zhì)能源與資源化利用技術(shù)的應用, 而營養(yǎng)物質(zhì)的成本占微藻總培養(yǎng)成本的10%~20%(Singh et al., 2011), 因此利用沼液培養(yǎng)微藻, 降低微藻培養(yǎng)營養(yǎng)成本與水耗, 將有助于降低微藻培養(yǎng)成本, 同時實現(xiàn)廢棄物資源化再利用.

　　Singh等(2011)利用小球藻和柵藻凈化家禽糞便沼液, 總氮(TN)和總磷(TP)去除率分別達到60%和80%.然而, 其沒有考察沼液中COD的凈化效果. Ji等(2015)將餐廚廢水按照體積比例0.5%~10%與標準培養(yǎng)基混合后培養(yǎng)綠藻Scenedesmus obliquus, 對TN和TP的脫除效率分別為75%和12%.Wang等(2010)探究小球藻凈化牛糞厭氧發(fā)酵沼液, COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別為27.4%~38.4%、100%、75.7%~82.5%和62.5%~74.7%.顯然, 沼液中COD的凈化率較低, 對TN和TP的脫除效率也不高.沼液滅菌、CO2曝氣是微藻凈化沼液中兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié), 而目前的研究中關(guān)于滅菌方式以及CO2體積濃度對微藻凈化沼液效率的影響幾乎沒有涉及.另外微藻對沼液中抗生素等微污染物的脫除效果也未見報道.

　　本文針對養(yǎng)豬場廢水厭氧發(fā)酵沼液, 采用小球藻光合生長脫除其中污染物, 考察了臭氧氧化及高壓蒸汽兩種沼液滅菌方式及優(yōu)化的CO2體積濃度對沼液脫N, P和去除COD、抗生素替米考星等污染物的影響.

　　2 材料與方法(Materials and methods)

2.1 養(yǎng)豬場廢水來源及藻種

　　養(yǎng)豬場廢水原液及其厭氧發(fā)酵沼液采集自嘉興大運河生態(tài)牧業(yè)公司.對沼液樣品離心除去懸浮顆粒物后, 取上清液滅菌和調(diào)節(jié)pH后接種小球藻進行生長凈化實驗.

　　實驗所用藻種Chlorella PY-ZU1是由Chlorella Pyrenoidosa經(jīng)過5.5萬居里的60Co -γ射線輻射誘變得到的(Cheng et al., 2013).細胞在SE標準培養(yǎng)基中保藏, 包含0.25 g NaNO3、0.075 g K2HPO4 · 3H2O、0.075 g MgSO4 · 7H2O、0.025 g CaCl2 · 2H2O、0.175 g KH2PO4、0.025 g NaCl、40 mL土壤浸出液, 0.005 g FeCl3 · 6H2O, 1 mL Fe-EDTA和1 mL A5微量元素溶液, 溶解在958 mL的去離子水中.

　　2.2 沼液預處理、滅菌以及微藻培養(yǎng)方式

　　沼液通過高速離心機8000 r · min-1離心10 min, 上清液用1 mol · L-1的氫氧化鈉和1 mol · L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH到6~6.5, 作為不滅菌組的培養(yǎng)基.上清液在112 ℃進行高壓蒸汽滅菌30 min, 再用1 mol · L-1的氫氧化鈉和1 mol · L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH到6~6.5, 作為高壓蒸汽滅菌組的培養(yǎng)基.將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的濃度為50 mg · L-1的臭氧氣體連續(xù)通入1 L沼液中10 min, 再用1 mol · L-1的氫氧化鈉和1 mol · L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH到6~6.5, 作為臭氧氧化滅菌組的培養(yǎng)基.在1 L臭氧氧化滅菌后的沼液中添加43.9 mg KH2PO4(10 mg · L-1 P元素)和4.8 mg FeCl3 · 6H2O(1 mg · L-1 Fe元素)作為添加P元素和Fe元素實驗組的培養(yǎng)基.

　　Chlorella PY-ZU1在人工溫室中培養(yǎng), 溫度為27 ℃, 光照強度為8000 Lux, 24 h連續(xù)光照.反應器為柱狀生物反應器(160 mm × ϕ56 mm工作容積為300 mL), 富CO2氣體從一根長鋼管(180 mm×ϕ3 mm)通入反應器底部.取新鮮的藻種接種到不同處理的沼液中, 接種密度為0.1 g · L-1, 通入體積濃度為2%~30%的CO2氣體, 通氣量由質(zhì)量流量計控制為30 mL · min-1.

　　2.3 分析測試方法

　　COD、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)成分測試：取10 mL藻液在9000 r · min-1轉(zhuǎn)速下離心5 min, 取上清液由HACH DR890水質(zhì)分析儀測量.沼液的陽離子由熱電公司X series電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS測量, 陰離子含量用瑞士Metrohm 883 Basic IC Plus離子色譜儀測量.粗纖維采用FOSS FT350(丹麥)纖維測定儀測量, 有機酸采用HP 6890/5973GC-MS聯(lián)用儀測量.培養(yǎng)期間, 通過離心法測定小球藻的生物量, 取10 mL藻液在9000 r · min-1轉(zhuǎn)速下離心5 min, 去除上清液, 然后用去離子水清洗重復兩次, 再在80 ℃下烘干24 h, 用電子天平稱重, 以g · L-1計算生物質(zhì)干重.藻液pH檢測：取2 mL藻液于試管中, 將便攜式pH計(Mettler Toledo FG-2, 瑞士)探頭浸沒在藻液中, 穩(wěn)定后讀取pH值.

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion)

3.1 養(yǎng)豬場廢水原液及其厭氧發(fā)酵后沼液的成分分析

　　養(yǎng)豬場廢水原液(以下稱原液)在經(jīng)厭氧發(fā)酵處理前COD為1580 mg · L-1, TN為1095 mg · L-1, 有機物主要成分是粗纖維和有機酸(表 1), 另外還含有微量抗生素替米考星.微量的抗生素存在于水體中也會對環(huán)境帶來較大潛在威脅, 如毒害水生生物、誘導抗生素抗性基因和細菌.經(jīng)過厭氧發(fā)酵, 沼液中COD降至794 mg · L-1, 總氮降至854.7 mg · L-1, 依然遠遠高于排放標準.氨氮含量升高, 原因是水解酸化和厭氧發(fā)酵過程中大分子有機物如蛋白質(zhì)等降解釋放出氨氮的速度快于細菌消耗氨氮的速度.沼液中主要的無機元素呈降低趨勢(表 2).沼液中除了微量元素鐵(0.29 mg · L-1)、錳(0.20 mg · L-1)、鉬(0.0070 mg · L-1), 其他元素均遠高于小球藻標準培養(yǎng)基, 富含有機質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)成分及氨基酸等生命活性物質(zhì), 因此沼液中含有足夠的營養(yǎng)物質(zhì)可以用來支持微藻生長.此外, 沼液中重金屬含量極低, 除含有極少量砷以外, 其他均低于檢測限, 因此重金屬在微藻中的富集作用可以忽略.

　　表 1 養(yǎng)豬場厭氧發(fā)酵前原液及發(fā)酵后沼液的主要污染物

　　表 2(Table 2)

　　表 2 養(yǎng)豬場厭氧發(fā)酵前原液、發(fā)酵后沼液及小球藻標準培養(yǎng)基的無機成分

 　　3.2 滅菌方法對微藻生長和污染物脫除的影響

　　沼液中含有細菌等各種微生物, 可能會與微藻爭奪營養(yǎng)而抑制微藻生長.分別考察了對沼液不滅菌、高壓蒸汽滅菌和臭氧氧化滅菌對微藻生長脫除沼液中污染物的影響.首先, 測試了在對藻液進行滅菌之后, 接種微藻之前, 沼液中污染物的含量.在高壓蒸汽滅菌以后, 沼液中COD、NH3-N、TN、TP和替米考星的濃度分別為：780.62、703.92、835.23、12.21和0.0064 mg · L-1.高壓蒸汽滅菌對污染物濃度影響較小, NH3-N和TN濃度的下降是由于高溫促進了NH3的揮發(fā).采用臭氧氧化滅菌之后, 沼液中COD、NH3-N、TN、TP和替米考星的濃度分別為：725.87、691.36、820.39、12.22和0.0059 mg · L-1.由于臭氧具有強氧化性, 能夠攻擊C═C鍵和苯環(huán), 將較大分子的有機物降解成較小分子有機物, 因此COD下降了8.5%, 同時由于向沼液中曝入氣體, 加快了NH3的揮發(fā), 因此NH3-N和TN也有所下降, 但臭氧滅菌對各種污染物脫除比例較小.圖 1a表明, 不滅菌條件下, 小球藻生長速度較慢, 經(jīng)過11 d培養(yǎng)生物質(zhì)產(chǎn)量為3.01 g · L-1, 但未因細菌污染而死亡.COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為41.6%、65.3%、67.1%和62.7%, 抗生素替米考星的脫除效率為65.9%(圖 1b), 污染物脫除效率較低.而經(jīng)過高壓蒸汽滅菌后, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量提高到3.89 g · L-1, 提高了29%.121 ℃高壓蒸汽使沼液中微生物細胞的蛋白質(zhì)由于高溫而凝固, 從而達到滅菌的效果.冷卻后再接種小球藻培養(yǎng)時, 由于沒有其它微生物爭奪營養(yǎng), 小球藻快速生長同化沼液中的C、N、P等營養(yǎng)元素, COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到46.3%、72.2%、71.2%和98.0%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到72.8%.顯然, COD的脫除效率依然較低.這是因為沼液中的COD主要組成是纖維素、有機酸等難降解較大分子量的有機物, 微藻對此的同化降解能力較低、速度較慢.采用臭氧氧化滅菌條件下, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量提高到4.50 g · L-1, 比未滅菌條件下提高了49.5%.臭氧依靠其強氧化性, 損傷沼液中微生物的細胞膜成份, 導致其新陳代謝障礙, 并繼續(xù)穿透膜破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖, 改變細胞的通透性, 從而導致細胞溶解、死亡(胡桂英等, 2009).臭氧氧化滅菌后的沼液中小球藻快速生長, COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到73.9%、85.1%、80.1%和98.4%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到83.5%.相對未滅菌條件, COD的脫除效率顯著提高了77.6%.這是因為臭氧對沼液的作用除了滅菌以外, 還會攻擊沼液中大分子有機物的苯環(huán)及其他不飽和基團, 使纖維素、有機酸等降解為小分子有機物, 從而有利于微藻吸收利用(Vaiopoulou et al., 2015).此處臭氧的使用量較小, 僅能將大分子轉(zhuǎn)化為小分子, 因此臭氧對COD的脫除率不高, 小球藻對小分子有機物的同化吸收是COD脫除的主要組成部分.因此, 結(jié)合本研究中沼液特點, 臭氧氧化滅菌是最優(yōu)的滅菌方法.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 1

　　圖 1臭氧氧化滅菌和高壓蒸汽滅菌條件下微藻生長曲線(a)及污染物脫除效率(b) (各工況下均通入15% CO2)

　　3.3 CO2濃度對微藻生長脫除污染物的影響

　　微藻光合自養(yǎng)需要CO2, 考察了不同CO2體積濃度對微藻生長和營養(yǎng)同化效率的影響.當CO2濃度為2%時, 小球藻生物質(zhì)產(chǎn)量為2.48 g · L-1(圖 2a).COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為42.5%、65.9%、68.1%和71.9%, 抗生素替米考星脫除效率為70.7%(圖 2b).隨著CO2濃度從2%增加到15%, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量從2.48 g · L-1增加到4.50 g · L-1, 提高了81.5%.相應的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到73.9%、85.0%、80.1%和98.4%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到83.5%.光合作用分為光反應和暗反應兩個階段.光反應吸收光能產(chǎn)生ATP和NADPH, 為暗反應提供能量和原料.暗反應又稱碳固定反應, 利用光反應產(chǎn)生的ATP和NADPH, 將CO2固定為細胞中的有機物.隨著通入的CO2濃度增大, 沼液中光合作用暗反應的原料增多, 有利于加快暗反應的進行, 促進CO2固定為生物質(zhì), 從而導致微藻生長加快.除此之外, 藻液中連續(xù)通入CO2會導致藻液中H+濃度升高, 而微藻光合作用會消耗H+, 導致H+濃度升高.在低CO2濃度下, 藻細胞生長消耗H+速率比CO2溶解生成H+速率快, 因此pH上升, 而小球藻最適pH在6.0~6.5, 較低的pH值不利于藻細胞光合生長.隨著通入的CO2濃度從2%增加到15%, CO2溶解增多, H+生成速率接近消耗速率, 藻液的平均pH值從7.5下降到6.3(沼液初始pH范圍為6~6.5).隨著CO2濃度從15%繼續(xù)提高到30%, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量從4.50 g · L-1降低到2.46 g · L-1.相應的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別降低至41.9%、69.7%、53.5%和61.1%, 抗生素替米考星的脫除效率降至72.7%.文獻表明, 過高濃度的CO2對微藻生長具有明顯抑制作用(楊熙等, 2017).隨著CO2濃度從15%提高到30%, 由于H+生成速率過快, 遠大于消耗速率, 因此培養(yǎng)液pH從6.3下降到5.7, 培養(yǎng)液的酸化使得藻細胞生長速率降低.通入體積濃度30%的CO2對微藻生長產(chǎn)生了較強抑制.實驗結(jié)果表明, 微藻培養(yǎng)時通入體積濃度為15%的CO2, 能夠促進微藻生長速率, 顯著提高沼液凈化效率.

　　圖 2

　　圖 2通入不同體積濃度CO2條件下微藻生長曲線(a)及污染物脫除效率(b) (各工況下均采用臭氧氧化滅菌)

　　3.4 沼液中添加P和Fe元素對微藻生長和污染物脫除的影響

　　由表 2可知, 沼液中磷元素(12.30 mg · L-1)和鐵元素(0.29 mg · L-1)濃度遠低于小球藻標準培養(yǎng)基.研究表明, 對淡水浮游植物, 當環(huán)境中的N : P摩爾比大于20 : 1時, 對植物造成磷限制(李夜光等, 2006).本實驗中使用的養(yǎng)豬場廢水厭氧發(fā)酵沼液N : P為69 : 1, 很顯然會對小球藻形成磷限制.鐵是藻類生長過程中電子傳遞、光合作用、呼吸作用等多個生物過程的必要元素, 是除N、P元素外藻類生長中最重要的元素, 缺鐵可導致葉綠素含量降低, 從而抑制光合生長(于洪賢等, 2016).因此, 為進一步提高微藻生長速率和污染物脫除效率, 研究了在沼液中添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素對微藻生長的影響.在不添加任何元素的條件下, 小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量為4.50 g · L-1(圖 3a).COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為73.9%、85.0%、80.1%和98.4%, 抗生素替米考星的脫除效率為83.5% (圖 3b).在沼液中添加10 mg · L-1 P元素后再接種培養(yǎng)小球藻, 此時小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量增加到5.36 g · L-1, 提高了19.1%.顯然, 添加P元素彌補了沼液中磷源不足的缺陷, 有利于促進微藻生長.相應的COD、NH3-N和TN的脫除效率分別提高到79.1%、87.8%和85.6%, TP的脫除效率為98.3%, 幾乎不變, 這是因為P元素相對缺乏, 在培養(yǎng)過程中幾乎可以全部利用.抗生素替米考星的脫除效率也提高到88.0%.

　　圖 3

　　圖 3沼液中添加P和Fe元素條件下微藻生長曲線(a)及污染物脫除效率(b) 

　　在沼液中添加1 mg · L-1 Fe元素后再接種培養(yǎng)小球藻, 相對于不添加任何元素的情況, 小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量增加到5.54 g · L-1, 提高了23.1%.添加Fe元素有利于微藻光合色素的合成, 促進新陳代謝, 從而加快生長速率, 提高營養(yǎng)鹽同化速率.相應的COD、NH3-N和TN的脫除效率分別提高到81.8%、90.3%和88.4%, TP的脫除效率為98.4%幾乎不變, 抗生素替米考星的脫除效率提高到90.7%.添加P元素和Fe元素均有利于提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量和污染物脫除效率, 同時添加兩種元素時, 促進效果更加明顯.實驗結(jié)果表明, 在沼液中同時添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素后再接種培養(yǎng)小球藻時, 小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量為5.81 g · L-1, 相對未添加任何元素條件下提高了29.1%.兩種主要元素的補充使得沼液中的營養(yǎng)成分得以滿足微藻生長需要.相應的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到88.5%、93.6%、91.2%和98.9%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到90.7%.各種污染物的脫除效率均達到較高水平, 污染物濃度也達到國標排放標準.

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 本文通過選擇滅菌方式、優(yōu)化CO2濃度和沼液無機成分大幅提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量和沼液凈化效率.對沼液臭氧氧化滅菌使生物質(zhì)產(chǎn)量提高49.5%, 通入15% CO2使生物質(zhì)產(chǎn)量提高81.5%, 添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素使生物質(zhì)產(chǎn)量進一步提高29.1%.

　　2) 在最佳條件下:對沼液臭氧氧化滅菌, 添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素, 培養(yǎng)過程中連續(xù)通入體積濃度為15%的CO2, 小球藻生物質(zhì)產(chǎn)量達5.81 g · L-1, 相應的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為88.5%、93.6%、91.2%和98.9%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到90.7%.

　　3) 微藻生物質(zhì)富含油脂, 可提取并進一步加工成生物柴油.脫脂后的微藻生物質(zhì)富含蛋白質(zhì)、氨基酸等營養(yǎng)元素, 可用作畜禽養(yǎng)殖飼料.微藻凈化沼液的方法和技術(shù)在凈化沼液的同時, 利用太陽能將沼液中的污染物變廢為寶, 實現(xiàn)了廢棄物資源化利用.(來源：環(huán)境科學學報 作者：葉慶)