固定化小球藻去除氮磷的研究_王其鹏.pdf

第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT固定化小球藻去除氮磷的研究固定化小球藻去除氮磷的研究王其鹏，张达娟，黄莺，王泽斌，张树林*，张志华（天津农学院水产学院，天津市水产生态及养殖重点实验室，天津 300384）摘摘 要要:使用海藻酸钠（SA）和聚乙烯醇（PVA）作为载体、以氯化钙（CaCl2）和硼酸（H3BO3）为交联剂，制作固定化小球藻，在筛选最佳制备条件的基础上探讨固定化小球藻对人工废水和养殖用水的净化效果。结果表明，当SA和CaCl2质量分数均为 2%，PVA和 H3BO3质量分数分别为 1%和 3%，交联时间为 12 h时制备的固定化小球藻最佳。PVA质量分数为1%时固定化小球藻去除人工废水中的氨氮、亚硝态氮、硝态氮和总磷的效果最好，去除率分别为60.92%、77.04%、79.06%和83.38%。在草金鱼循环水实验中应用，固定化小球藻去除氮磷效果较对照组有显著优势。关键词关键词:固定化;小球藻;无机氮;总磷开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X714 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0062-004藻类是水体中的初级生产者，将水体中无机盐和有机物质所含的氮磷，吸收到自身转化为生物质成分，可作为肥料等 1。王黎颖 2 研究表明，相较于其他藻类，小球藻（Chlorella）在去除效果和达到最高去除率所需的时间均具有更大优势，有效解决养殖动物排泄物及饵料过剩造成养殖水体氮磷超标，改善自然生态系统3。目前，液态藻在工业化处理废水吸收氮磷等营养物质的应用广泛。在水族观赏鱼养殖，藻类亦可改善水质，保障水族缸中的生态环境与养殖对象的正常生长4。但液态藻净化水体实际应用中存在净化时间长、占地大、成本高等问题。为解决上述问题，微藻固定化技术脱颖而出，在次生代谢产物，净化氮磷废水、保存种质资源等方面具有相当广阔的应用前景5。固定后藻细胞的浓度，物理稳定性及净化效率有所提高，在水体中保存和保持活性的时间更长且更容易收集并反复利用6。海藻酸钠（SA）应用于固定细胞7，具有无生物毒性，易固定，机械强度良好，价格实惠等优点。吴义诚等8指出固定化小球藻处理废水效果良好且易重复使用，然而固定化小球藻仍存在不稳定，易破裂等问题，制备时在海藻酸钠中加入一定量的聚乙烯醇（PVA）可以有效增加固定化小球藻的强度，并能减少细胞泄漏量。本实验使用 SA 和 PVA 作为载体、以氯化钙（CaCl2）和硼酸（H3BO3）为交联剂，在筛选最佳制备条件的基础上探讨固定化小球藻对人工废水和养殖用水的净化效果。1 实验部分实验部分1.1实验材料实验材料普通小球藻（Chlorella vulgaris）购自中国科学院武汉水生生物研究所；草金鱼（Carassius auratus）购自天津市西青区曹庄花卉市场，体重为（1505）g，体长为（80.5）cm。1.2实验设计实验设计1.2.1筛选小球藻固定效果最佳的制备条件筛选小球藻固定效果最佳的制备条件参考文献9，分别添加不同质量分数 SA、PVA-SA、CaCl2、CaCl2-H3BO3溶液，交联不同时间（表1），比较固定化小球藻的机械强度、成球速度、粘连度和传质效果，筛选固定效果最佳的制备条件。1.2.2PVA含量对固定化小球藻去除人工废水中含量对固定化小球藻去除人工废水中氮磷的影响氮磷的影响根据初步筛选结果，SA和CaCl2质量分数均为2%，H3BO3质量分数为3%，分别设定1%、1.5%、2%DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.012收稿日期：2022-05-09基金项目：国家自然科学基金项目（32172978）；中央引导地方（天津）科技发展专项（21ZYCGSN00500）；天津市淡水养殖产业技术体系创新团队-养殖水环境调控岗位（ITTFRS2021000-009）；天津市教委科研计划项目（2020ZD06，2021KJ110）作者简介：王其鹏（1999），男，硕士研究生，研究方向为水产养殖；联系电话：13102109949；电子邮件：通讯作者：张树林，教授；电子邮件：62王其鹏等，固定化小球藻去除氮磷的研究和2.5%共4个PVA浓度，每组设3个平行，交联12 h，制备固定化小球藻。将其分别接种到5 L的人工废水10中，每组初始含藻量相同（小球藻密度为6.4104 cells/mL），培养6 d，每天取样测定人工废水的氨氮、亚硝氮、硝氮和总磷质量浓度。1.2.3固定化小球藻在草金鱼循环水系统中的应用固定化小球藻在草金鱼循环水系统中的应用根据筛选的最佳条件制备固定化小球藻，处理组中接种固定化小球藻，对照组不接种固定化小球藻，每组15尾鱼，养殖用水45 L，3 d投饵1次，每次约30 g，进行13 d养殖实验，每隔1 d取样，测定养殖用水的氨氮、亚硝态氮、硝态氮和总磷浓度。1.3实验方法实验方法1.3.1固定化小球藻的制作固定化小球藻的制作取同等体积的PVA-SA固定化载体溶液与小球藻藻液均匀混合，随后用50 mL注射器吸取固定化包埋载体，在距离预冷后的 CaCl2-H3BO3复合交联剂20 cm处滴入，形成固定化小球藻（d=0.50.05 cm），常温交联12 h后取出，用蒸馏水清洗34次后备用。1.3.2小球藻固定效果测定小球藻固定效果测定固定化小球藻的机械强度、成球速度、粘连度和传质效果的评估参见文献 11。传质效果计算式为：M=（Mt-M0）C。式中，C为四环素溶液浓度；M0为固定化胶球初始重量；Mt为不同条件下固定化胶球最终重量；M为单位时间下固定化胶球吸附四环素重量。1.3.3水质指标的测定水质指标的测定参考国家环保总局 水和废水监测分析方法12进行水质指标的测定。氨氮：纳氏试剂分光光度法；亚硝氮：重氮-偶氮比色法；硝氮：锌镉还原法；总磷：钼酸铵分光光度法。1.4数据处理数据处理实验结果用平均值标准差形式表示，采用Origin 软件进行计算、作图，使用 SPSS26.0 的 one-way ANOVA和Tukey多重比较进行统计分析。2 结果与讨论结果与讨论2.1不同制备条件对小球藻固定化效果的影响不同制备条件对小球藻固定化效果的影响对比不同制备条件对小球藻固定化效果，结果表明：SA质量分数为2%、3%、4%时，固定化小球藻机械强度较好且成球不粘连，质量分数2%的SA成球速度和传质效果明显优于其它浓度；CaCl2质量分数2%对应的固定化小球藻机械强度最好，且成球速度和传质效果明显优于其它浓度；H3BO3质量分数为3%和4%固定化小球藻机械强度、成球速度较佳且不粘连，H3BO3质量分数为3%时固定化小球藻传质效果最佳；当固定化时间为12 h机械强度和成球速度较好，传质效果最佳，因此处理时间取12 h为宜。综上筛选固定效果最佳的制备条件：SA质量分数 2%、CaCl2质量分数 2%、H3BO3质量分数 3%、交联时间12 h。但随PVA质量分数的增大，固定化小球藻的机械强度提高，成球速度和传质效果降低且出现粘连（表2），因此添加低浓度PVA对固定化小球藻整体效果较好，具体最优浓度需以水中氮磷的去除率为指标进一步分析。2.2PVA浓度对固定化小球藻去除人工废水中氮浓度对固定化小球藻去除人工废水中氮磷效果的影响磷效果的影响接种固定化小球藻后，人工废水的氮磷浓度呈明显的下降趋势（见图 1）。第 6 天，质量分数 1%PVA实验组氨氮、亚硝氮和硝氮质量浓度降至最低，分别为7.82、0.003 4、0.25 mg/L，显著低于其它实验组（P0.05），去 除 率 分 别 为 60.92%、77.04%、79.06%；1%PVA 实验组总磷质量浓度在第 6 天为0.40 mg/L，显著低于其他实验组（P有机氮硝态氮亚硝态氮13。硝态氮含量的降低趋势呈“Z”字形，这可能是由于微藻首先利用最佳氮源，待水体中的最佳氮源含量较低时，微藻才利用硝态氮。王黎颖2的研究得出固定化小球藻氨氮，亚硝态氮和总磷的去除率为78%、58%和68%，与本实验不同，这与其固定条件 SA 为 4%，PVA 为2%相关，综上质量分数1%的PVA固定化小球藻去除人工废水氮磷的效果最好。2.3固定化小球藻对草金鱼循环水系统中氮磷的固定化小球藻对草金鱼循环水系统中氮磷的净化效果净化效果草金鱼养殖循环水中氮磷质量浓度变化检图2。第9天后实验组氨氮质量浓度基本维持稳定，在（a）氨氮（b）亚硝氮（c）硝氮（d）总磷图1PVA含量对固定化小球藻去除废水中氮磷的影响Fig.1Effects of PVA content on the removal of nitrogen and phosphorus from immobilized Chlorella024681012140.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5(氨氮)/(mgL-1)处理时间/d 固定化小球藻 对照组（a）氨氮024681012140.000.020.040.060.080.10(亚硝氮)/(mgL-1)处理时间/d 固定化小球藻 对照组（b）亚硝氮0246810121401234(硝氮)/(mgL-1)处理时间/d 固定化小球藻 对照组（c）硝氮024681012140.00.10.20.30.40.5(总磷)/(mgL-1)处理时间/d 固定化小球藻 对照组（d）总磷图2固定化小球藻对草金鱼循环水系统中氮磷的影响Fig.2Effect of immobilized Chlorella on nitrogen and phosphorus in the circulating water system of Carassius auratus64王其鹏等，固定化小球藻去除氮磷的研究1.731.89 mg/L，对照组维持在 3.733.74 mg/L，第13天时，实验组氨氮质量浓度极显著低于对照组（P0.01）；整个养殖周期中实验组亚硝酸态氮和硝酸态氮的浓度均显著低于对照组（P0.05）；实验组总磷的质量浓度为0.290.35 mg/L，对照组为0.370.41 mg/L，至实验结束时，二者有极显著差异（P0.01）。李金祥等14对小球藻进行固定化，同样发现固定化小球藻对水体中氮磷的去除效果良好，对氨氮和总磷的去除率为67.3%和81.1%，故固定化小球藻在一定程度上可以净化养殖水中的氮磷。固定化小球藻对含氮磷水体具有优良的耐受性15。然而，小球藻处理污水的产业化要求仍然存在较大差距。开发适合于固定化藻类净化污水的高效、可规模化运转的生物反应器，克服包埋载体对基质与代谢产物扩散的阻碍作用，从而为大规模生产奠定基础。3 结结 论论对比不同固定化条件小球藻的成球效果和对氮磷的去除效果，制备固定化小球藻最佳条件为海藻酸钠和氯化钙质量分数均2%，聚乙烯醇和硼酸质量分数分别为1%和3%，交联时间为12 h。PVA质量分数为1%时固定化小球藻去除人工废水中的氨氮、亚硝态氮、硝态氮和总磷的效果最好，去 除 率 分 别 为 60.92%、77.04%、79.06%和83.38%。通过对比固定化小球藻实验组和无固定化小球藻对照组草金鱼循环水系统中氮磷的净化效果。在第13天时实验组的氮磷质量浓度均显著低于对照组（P0.05），投放固定化小球藻后在一定程度上可以净化养殖水中的氮磷。参考文献：1FLORIAN D,PABLOLVAREZ-DAZ,SOPHIE F S,et al.The environmental biorefinery:using microalgae to remediate wastewater,a win-win paradigmJ.Energies,2016,9(3):132-159.2王黎颖.小球藻对水产养殖废水的净化及响应D.天津:天津科技大学,2018.3姜瑞,曾红云,王强.氨氮废水处理技术研究进展J.环境科学与管理