王忠江，王子越，王貴祥，鄭 宇，王麗麗，隋宇航

牛場廢水培養(yǎng)肥壯蹄形藻的工藝參數(shù)優(yōu)化

王忠江1,2，王子越1，王貴祥1，鄭 宇1，王麗麗1,2，隋宇航1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江省寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術與裝備重點實驗室，哈爾濱 150030）

該研究選用肥壯蹄形藻（為試驗藻種，以秸稈過濾后牛場廢水與BG11培養(yǎng)基的混合物為微藻培養(yǎng)液，在前期單因素試驗基礎上研究廢水添加比、光照強度、光照時間和通氣量對微藻干重、氨氮去除率、總磷去除率和Chemical Oxygen Demand (COD)去除率的交互影響，通過Central Composite Design (CCD)中心組合試驗得到了相應的影響模型。試驗結果表明牛場廢水培養(yǎng)肥壯蹄形藻的最優(yōu)工藝條件為：廢水添加比例26%、光照強度9 028 lx、光照時間21.5 h、通氣量2.0 L/min。該研究采用優(yōu)化工藝，在14 d的培養(yǎng)周期末期，肥壯蹄形藻的干重達到了1.141g/L，廢水中氨氮去除率、總磷去除率和COD去除率分別達到了99.65% 、99.15%、85.83%，響應值指標的預測值和實際值誤差均在2%以內。各因素對目標值的交互作用關系為：廢水添加比例和光照時間對肥壯蹄形藻干重的交互作用較強，廢水添加比例和通氣量對肥壯蹄形藻培養(yǎng)液中氨氮去除率、總磷去除率和COD去除率均具有較強的交互作用，而光照強度和光照時間僅對總磷去除率具有較強的交互作用。該研究為牛場廢水培養(yǎng)微藻的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論參考。

廢水；過濾；微藻培養(yǎng)；工藝優(yōu)化；交互作用

0 引 言

微藻作為一種生物質能源，與其他能源植物相比，具有生長速度快，環(huán)境適應力強，產(chǎn)品附加價值高等優(yōu)點[1-3]，因此微藻生物質被廣泛地應用于食品、藥品、保健品、動物飼料、生物能源等方面[4-7]。然而，成本較高且收集不便是微藻在培養(yǎng)過程中存在的主要問題，同時也是其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的阻礙[8-10]。研究人員也一直在尋找富含氮、磷等營養(yǎng)成分的潛在微藻培養(yǎng)基質[11-13]，從而降低微藻培養(yǎng)過程的成本，推動微藻行業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近些年來，中國的畜牧業(yè)得到了快速的發(fā)展，但隨之也產(chǎn)生了大量的畜禽養(yǎng)殖廢水及糞便，這些排泄物如果不能得到及時有效的處理，不但會造成營養(yǎng)物質的流失，也會對環(huán)境造成嚴重的污染[14]。有數(shù)據(jù)顯示，中國2019年牛出欄數(shù)量約為4 533.87萬頭，按照國家環(huán)?？偩滞扑]的排泄系數(shù)，預計將產(chǎn)生33 097.25萬t糞便和16 548.63 萬t尿液，其已經(jīng)成為國內僅次于鋼鐵和煤炭的第三大污染行業(yè)[15]。目前牛場廢水的處理已成為制約中國養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要瓶頸[16]。因此，治理畜禽排泄廢水，凈化和保護水資源的任務已經(jīng)刻不容緩。

已有研究表明[17-18]，含有大量氮、磷等營養(yǎng)成分的畜禽養(yǎng)殖廢水可以成為微藻培養(yǎng)的潛在營養(yǎng)源。但畜禽養(yǎng)殖廢水存在濁度大、總懸浮固體（Total Suspended Solids )過高、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand )較大等影響微藻生長的因素，這些因素會影響光的透過性從而影響微藻生長。人們往往會通過沉降、離心等方式對廢水進行處理[19]，這些預處理方式通常處理效果差，且處理成本高，無法在微藻規(guī)?；囵B(yǎng)中廣泛應用。Lv等[20]在試驗之前，通過沉降和過濾器過濾去除養(yǎng)牛場廢水中大量的不可溶顆粒固體。Lu等[21]將養(yǎng)牛場廢水通過重力沉降作用，隨后在使用前通過紗布過濾。據(jù)相關文獻[22-23]報道將粉碎之后的秸稈作為濾料對畜禽廢水進行過濾處理，可以有效地截留污水中的顆粒性物質，并降低廢水中的懸浮物、COD等指標。同時秸稈在過濾牛場廢水的過程中還可以吸收部分污水，減少后續(xù)污水處理量。過濾牛場廢水后的秸稈碳氮比降低，使之更利于后續(xù)的厭氧或者好氧發(fā)酵，在一定程度上加快了秸稈的利用進程，使其變廢為寶。

本研究以肥壯蹄形藻為試驗對象，采用秸稈過濾后牛場廢水培養(yǎng)微藻，這樣可以有效處理牛場廢水，同時還可以降低微藻培養(yǎng)成本。本文主要探討了牛場廢水添加比例、光照強度、光照時間、通氣量對微藻干重、廢水中氨氮、總磷、COD去除率等指標的交互作用關系，并獲得了秸稈過濾后牛場廢水培養(yǎng)微藻的最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及其預處理

試驗采用的廢水取自哈爾濱市某養(yǎng)牛場，將其取回后儲存于4 ℃冰箱內備用。試驗過濾所用秸稈取自東北農(nóng)業(yè)大學試驗田，粉碎后備用（粒徑約為10～20 mm）。利用加入秸稈的濾柱對牛場廢水進行過濾，以用于微藻培養(yǎng)。其中，秸稈過濾前后牛場廢水的相關指標如表1所示。

表1 過濾前后牛場廢水指標

注：表中試驗數(shù)據(jù)表示為平均值±標準偏差。

Note: The test data in the table are expressed as mean ± standard deviation.

由表1可知，秸稈過濾的預處理方式有效地降低了牛場廢水中的總懸浮物、濁度等指標，其中，總懸浮物去除率達到了51.7%，濁度去除率為45.1%，為后續(xù)培養(yǎng)微藻創(chuàng)造了有利條件。

1.2 藻種及其培養(yǎng)

研究所用的肥壯蹄形藻esa購于中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫，藻種編號為FACHB-2104，將微藻接入到BG11培養(yǎng)基中并置于人工氣候培養(yǎng)箱中進行預培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為（26±1）℃，光照強度為2 500 lx，光暗比h/h為12∶12，通氣量設定為1.0 L/min，空氣在進入培養(yǎng)液前經(jīng)0.2m濾膜過濾。藻種在BG11培養(yǎng)基中培養(yǎng)至對數(shù)生長期后備用。

1.3 試驗方法與設計

1.3.1 試驗條件

采用牛場廢水和BG11培養(yǎng)基[24]的混合液培養(yǎng)微藻，牛場廢水的添加量[25]為10%。利用OBY-Q600-SEI型人工氣候培養(yǎng)箱（常州歐邦電子有限公司）進行微藻培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為（26 ± 1）℃，光照強度為4 000 lx，同時利用HG-180型旋渦式氣泵（臺灣亞士霸電機集團有限公司）向微藻培養(yǎng)液持續(xù)通入空氣，通氣量設定為1.5 L/min，空氣在進入培養(yǎng)液前經(jīng)0.2m濾膜過濾。

試驗容器為有效容積700 mL，體積1 000 mL的三角瓶，將在BG11培養(yǎng)基中生長至對數(shù)生長期末期的藻液以10%的接種量分別加入各組培養(yǎng)液中，初始微藻生物量約為35 mg/L。每組3個重復，在多個培養(yǎng)箱中同時進行批式培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為14 d，每隔1 d取樣，利用3-30K型高速離心機在10 000 r/min的條件下離心，之后測定上清液中氨氮質量濃度、總磷質量濃度和COD值。

1.3.2 試驗方案

為研究牛場廢水培養(yǎng)微藻過程廢水添加比例、光照強度、光照時間和通氣量的交互作用，以肥壯蹄形藻為試驗藻種，前期采用單因素方法研究了牛場廢水添加比例（10%、30%、50%、70%、90%）、光照強度（2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 lx）、光照時間（12、15、18、21、24 h）、通氣量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 L/min）對肥壯蹄形藻生長及廢水相關指標的影響。單因素試驗結果表明：當廢水添加比例大于50%時，在試驗開始后的前5 d微藻生長受到明顯抑制，所以后續(xù)中心組合試驗中牛場廢水添加比例的范圍為10%～50%；不同光照強度下各試驗組的微藻生長情況不同，且越高的光照強度的干重積累量越高，所以后續(xù)中心組合試驗中光照強度的范圍為6 000～10 000 lx；光照周期對肥壯蹄形藻在牛場廢水培養(yǎng)基質中的生長影響極顯著（<0.01），且隨著光照時間的延長，微藻的生長狀況也越好，所以后續(xù)中心組合試驗中光照時間的范圍為12～24 h；通氣量對肥壯蹄形藻在牛場廢水培養(yǎng)基質中的生長影響顯著（<0.05），且隨著通氣量的增大，微藻干重值先增大后減小，在通氣量為1.5 L/min時生長情況最好，后續(xù)中心組合試驗中通氣量的范圍為0.5～2.5 L/min。且試驗結果表明，微藻干重值越大的試驗組，相對應的氨氮去除率、總磷去除率、COD去除率也越大，即微藻干重值與氨氮去除率（2=0.554 7）、總磷去除率（2=0.686 7）、COD去除率（2=0.671 7）呈正線性相關。在前期單因素研究的基礎上進行 Central Composite Design（CCD）中心組合試驗設計，每組試驗設置三次平行，結果取3次平行試驗的平均值。優(yōu)化微藻培養(yǎng)工藝，研究各主要影響因素間的交互作用關系，試驗的因素水平編碼表如表2所示。

表2 響應面試驗因素與水平

基于單因素試驗結果，以廢水添加比、光照強度、光照時間和通氣量4個因素作為變量，微藻干重、氨氮去除率、總磷去除率和COD去除率為響應指標1、2、3、4，利用Design-Expert 8.0.6軟件對各因素進行統(tǒng)計分析并建立回歸數(shù)學模型，得出肥壯蹄形藻在牛場廢水中較優(yōu)的培養(yǎng)條件；利用響應曲面法分析各因素間的交互作用對相應指標的影響，根據(jù)試驗結果對各參數(shù)組合進行優(yōu)化，通過Design-Expert 8.0.6軟件最終尋求秸稈過濾后的牛場廢水中培養(yǎng)肥壯蹄形藻的最優(yōu)工藝條件，得到該試驗條件下的響應值干重和廢水中的氨氮、總磷以及COD去除率。

1.3.3 指標測定

微藻生物量的測定采用干重法[26]；氨氮和總磷使用荷蘭SKALAR連續(xù)流動分析儀測定[27]，均參照《水和水質監(jiān)測分析方法》（第四版）[28]；COD采用快速密閉消解法測定[29]。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013進行統(tǒng)計分析；采用SPSS 19.0進行差異顯著性分析；利用Design-Expert 8.0.6對CCD中心組合試驗進行線性回歸和優(yōu)化。

2 結果與分析

2.1 CCD中心組合試驗

為了確定各因素之間的交互作用關系，優(yōu)化牛場廢水培養(yǎng)微藻的工藝條件，本研究設計了4因素5水平CCD中心組合試驗，分別以微藻干重(1)和廢水中的氨氮去除率(2)、總磷去除率(3)以及COD去除率(4)為響應值，分析廢水添加比()、光照強度()、光照時間()和通氣量()對試驗結果的影響。試驗設計與結果如表3所示。

2.2 方差分析

根據(jù)試驗結果，采用 Design-Expert 8.0.6軟件進行多元線性二次回歸分析，得到回歸模型并對基于編碼參數(shù)的回歸模型進行檢驗，結果表明（表4），廢水添加比例、光照強度、光照時間和通氣量對微藻干重和培養(yǎng)液中氨氮、總磷和COD去除率影響均顯著；廢水添加比例和光照時間的交互作用對微藻干重影響顯著；廢水添加比例和通氣量的交互作用對培養(yǎng)液中氨氮、總磷和COD去除率影響均顯著，而對微藻干重無顯著性影響；光照強度和光照時間的交互作用對培養(yǎng)液中總磷去除率影響顯著?；貧w模型的失擬項均不顯著，表明模型與試驗數(shù)據(jù)相符。

2.2.1 干重

根據(jù)試驗結果，采用 Design-Expert 8.0.6 軟件進行多元線性二次回歸分析，得到回歸模型并對模型進行檢驗，如表4所示。經(jīng)失擬性檢驗后可知，失擬平方和=0.328 6>0.05不顯著，回歸方程有意義。模型<0.000 1高度顯著，模型的預測值與試驗的真實值相關性較強，說明所選模型適當；校正系數(shù)2=0.951 5，說明該模型擬合度較好。最終得到剔除不顯著項后的響應值干重1對自變量（廢水添加比例）、（光照強度）、（光照時間）、（通氣量）編碼值的二次多項式回歸方程

1=1.033 - 0.100+ 0.036+ 0.060+ 0.025- 0.023-

0.0762- 0.0202- 0.0322- 0.0192（1）

2.2.2 氨氮去除率

根據(jù)試驗結果，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行多元線性二次回歸分析，得到回歸模型并對模型進行檢驗，如表4所示。經(jīng)失擬性檢驗可知，失擬平方和=0.987 1>0.05不顯著，回歸方程有意義。模型<0.000 1高度顯著，模型的預測值與試驗的真實值的相關性較強，說明所選模型適當；校正系數(shù)2=0.957 1，說明該模型擬合度較好。最終得到剔除不顯著項后的響應值氨氮去除率2對自變量（廢水添加比例）、（光照強度）、（光照時間）、（通氣量）編碼值的二次多項式回歸方程

2=94.143 - 2.683+ 2.002+ 2.737+ 3.766+

1.273- 0.8772- 1.1782- 0.9482（2）

2.2.3 總磷去除率

根據(jù)試驗結果，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行多元線性二次回歸分析，得到回歸模型并對模型進行檢驗，如表4所示。經(jīng)失擬性檢驗后可知，失擬平方和= 0.220 9>0.05不顯著，回歸方程有意義。模型<0.000 1高度顯著，模型的預測值與試驗的真實值的相關性較強，說明所選模型適當；校正系數(shù)2=0.977 5，說明該模型擬合度較好。最終得到剔除不顯著項后的響應值總磷去除率3對自變量（廢水添加比例）、（光照強度）、（光照時間）、（通氣量）編碼值的二次多項式回歸方程

3=99.232 - 2.703+ 2.282+ 3.026+ 2.992+ 1.058-

0.655- 2.1342- 1.1492- 1.4992- 1.6422（3）

表4 肥壯蹄形藻干重、氨氮去除率、總磷去除率、COD去除率二次方程的方差分析

注：1：2= 0.951 5，2：2= 0.957 1，3：2= 0.977 5，4：2= 0.970 7；*：< 0.05，差異顯著，**：< 0.01，差異極顯著。

Note:1:2= 0.951 5,2:2= 0.957 1,3:2= 0.977 5,4:2= 0.970 7; * is< 0.05, indicating significant difference, ** is< 0.01, indicating extremely significant difference.

2.2.4 COD去除率

根據(jù)試驗結果，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行多元線性二次回歸分析，得到回歸模型并對模型進行檢驗，如表4所示。經(jīng)失擬性檢驗后可知，失擬平方和= 0.810 0>0.05不顯著，回歸方程有意義。模型<0.000 1高度顯著，模型的預測值與試驗的真實值的相關性較強，說明所選模型適當；校正系數(shù)2=0.970 7，說明該模型擬合度較好。最終得到剔除不顯著項后的響應值COD去除率4對自變量（廢水添加比例）、（光照強度）、（光照時間）、（通氣量）編碼值的二次多項式回歸方程

4=79.298 - 3.002+ 2.914+ 3.533+ 3.817+ 0.979-

2.3992- 1.4142- 1.5142- 1.5592（4）

2.3 響應曲面分析

為了評價自變量廢水添加比、光照強度、光照時間和通氣量對微藻干重、廢水中氨氮、總磷和COD去除率的交互作用，通過Design-Expert 8.0.6軟件繪制響應曲面圖對各因素間兩兩交互作用進行分析，確定最佳因素水平范圍，找到最優(yōu)因素組合以及最優(yōu)工藝確定的最大響應值。繪制出肥壯蹄形藻兩兩因素交互作用對響應值1、2、3、4影響顯著的響應曲面圖如圖1～圖5所示。

在光照強度為8 000 lx和通氣量為1.5 L/min時，廢水添加比例和光照時間兩因素的交互作用對肥壯蹄形藻干重的影響如回歸響應曲面圖1所示。由圖1可以看出，響應值干重在廢水添加比例方向坡度較大，即微藻干重受廢水添加比例影響更顯著（< 0.01），且隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻的干重先增大后減小，隨著光照時間的增大，肥壯蹄形藻的干重先增大后減小。此外，由圖1中等高線分布可以看出，等高線沿廢水添加比例方向的分布更為密集，說明廢水添加比例與光照時間相比對微藻干重的影響更大。

圖2為光照強度8 000 lx和光照時間18 h時，廢水添加比例和通氣量兩因素的交互作用對氨氮去除率的影響。從圖2中可以看出，廢水添加比例和通氣量對響應值氨氮去除率的影響均較大，隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻對廢水的氨氮去除率逐漸減小。而隨著通氣量的增大，肥壯蹄形藻對廢水的氨氮去除率逐漸增大。此外，由圖2中等高線分布可以看出，當通氣量較小時，等高線沿廢水添加比例方向的分布更為密集；而當通氣量較大時，等高線沿廢水添加比例方向的分布則較為稀疏。當廢水添加比例較小時，等高線沿通氣量方向的分布更為稀疏；而當廢水添加比例較大時，等高線沿通氣量方向的分布則較為密集。這說明廢水添加比例和通氣量對廢水中氨氮去除率影響的交互作用較大。

圖3為光照強度8 000 lx和光照時間18 h時，廢水添加比例和通氣量兩因素的交互作用對總磷去除率的影響。由圖3可以看出，響應值總磷去除率在廢水添加比例方向坡度較大，即總磷去除率受廢水添加比例影響更顯著，且隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻對廢水的總磷去除率逐漸減小，而隨著通氣量的增大，肥壯蹄形藻對廢水的總磷去除率逐漸增大。此外，由圖3中等高線分布可以看出，當通氣量較小時，等高線沿廢水添加比例方向的分布更為密集；而當通氣量較大時，等高線沿廢水添加比例方向的分布則較為稀疏。當廢水添加比例較小時，等高線沿通氣量方向的分布更為稀疏；而當廢水添加比例較大時，等高線沿通氣量方向的分布則較為密集。這說明廢水添加比例和通氣量對總磷去除率影響的交互作用較大。

在廢水添加比例為30%和通氣量為1.5 L/min的試驗條件下，光照強度和光照時間兩因素的交互作用對總磷去除率的影響如回歸響應曲面圖4所示。由圖4可以看出，響應值總磷去除率在光照時間方向坡度較大，即總磷去除率受光照時間影響更顯著，且隨著光照時間的增大，肥壯蹄形藻對廢水的總磷去除率逐漸增大，而隨著光照強度的增大，肥壯蹄形藻對廢水的總磷去除率逐漸增大。此外，由圖4中等高線分布可以看出，當光照時間較小時，等高線沿光照強度方向的分布更為密集；而當光照時間較大時，等高線沿光照強度方向的分布較為稀疏。當光照強度較小時，等高線沿光照時間方向的分布更為密集；而當光照強度較大時，等高線沿光照時間方向的分布較為稀疏。這說明光照時間和光照強度對總磷去除率影響的交互作用較大。

圖5為光照強度8 000 lx和光照時間18 h時，廢水添加比例和通氣量兩因素的交互作用對COD去除率的影響。由圖5可以看出，響應值COD去除率在廢水添加比例方向坡度較大，即COD去除率受廢水添加比例影響更顯著，且隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻對廢水的COD去除率先增大后減小，當廢水添加比例較高時，微藻生長受到抑制，對廢水中的COD去除效果也受到影響。此外，由圖5中等高線分布可以看出，等高線沿廢水添加比例方向的分布更為密集，說明廢水添加比例和通氣量相比對COD去除率的影響更大。

2.4 參數(shù)尋優(yōu)

為確定牛場廢水培養(yǎng)肥壯蹄形藻的最佳工藝條件參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件的optimization優(yōu)化模塊，對上文中的回歸模型進行有約束目標優(yōu)化求解，目標函數(shù)為（），肥壯蹄形藻的約束函數(shù)為（）

根據(jù)試驗結果和實際情況，預設在滿足反應結果的前提下，得到優(yōu)化結果如表5所示：肥壯蹄形藻在廢水添加比例為25.97%時，光照強度為9 028.11 lx，光照時間為21.51 h，通氣量為2.05 L/min時，可以達到各響應值的理論最大值。為便于實際試驗過程中參數(shù)控制，將最優(yōu)條件修正為牛場廢水添加比為26%，光照強度9 028 lx，光照時間21.5 h，通氣量為2.0 L/min。其中，肥壯蹄形藻干重的理論預測最大值為1.12 g/L，氨氮去除率100%，總磷去除率100%，COD去除率85.56%。

表5 工藝參數(shù)優(yōu)化結果

2.5 試驗驗證

為驗證模型的準確性，根據(jù)試驗結果，以試驗可操作性、節(jié)約能源和提高效率為原則，對軟件得出的藻種最佳工藝條件進行試驗驗證。本論文通過軟件Design-Expert 8.0.6依據(jù)單因素試驗結果設計CCD中心組合試驗，最終得出肥壯蹄形藻培養(yǎng)的最佳工藝條件：牛場廢水添加比為26%，光照強度9 028 lx，光照時間21.5 h，通氣量為2.0 L/min。根據(jù)優(yōu)化結果進行3組平行試驗，并取平均值計算各指標與預測值誤差。驗證結果如表5所示，在優(yōu)化后的工藝條件下，肥壯蹄形藻的微藻干重、氨氮去除率、總磷去除率、COD去除率實際值分別為1.141 g/L、99.65%、99.15%、85.83%，均與預測值接近，干重誤差在2%以內，其余指標誤差均在1%以內，且微藻干重和COD去除率均優(yōu)于預測值，表明優(yōu)化結果可信，符合預期要求。

3 討 論

在光照強度為8 000 lx和通氣量為1.5 L/min時，干重受廢水添加比例影響更顯著（<0.01），且隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻的干重先增大后減小，這是因為隨著廢水添加比例的增高，培養(yǎng)液中氮磷含量逐漸增大，營養(yǎng)源充足，利于微藻的生長；但是隨著廢水添加比例的繼續(xù)增大，會導致氨氮含量過高對微藻的生長產(chǎn)生抑制作用，且廢水添加比例較高時，培養(yǎng)液的濁度增加，影響了光的透過性，光照條件無法滿足微藻的生長需要。隨著光照時間的增大，肥壯蹄形藻的干重先增大后減小，是由于光照時間對微藻生物量累積尤為重要，光照時間越長，藻光合作用獲得的能量越多，有利于微藻合成各種細胞組分，促進生長繁殖[30]；其后隨著光照時間的繼續(xù)增加，微藻細胞生長受到抑制，干重下降，說明微藻的生長需要一個適宜的光照時間。從圖2中可以看出，廢水添加比例和通氣量對響應值氨氮去除率的影響均較大（<0.01），隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻的氨氮去除率逐漸減小，其原因是廢水添加比例越高，廢水中氨氮含量就會越高，過高的氨氮含量抑制微藻細胞體的同化作用[31]，導致微藻對廢水中的氨氮利用率較低。而隨著通氣量的增大，肥壯蹄形藻的氨氮去除率逐漸增大，這一方面是由于較高的通氣量對廢水中的氨氮有一定的脫除作用，另一方面是由于當通氣量較大時，進入微藻培養(yǎng)裝置內的二氧化碳量增加，利于微藻的光合作用，此外通氣量較大時對微藻培養(yǎng)液的攪拌作用也隨之增強，可以在一定程度上抵消牛場廢水濁度較大對微藻培養(yǎng)的不利影響。

當光照強度為8 000 lx和光照時間為18 h時，總磷去除率受廢水添加比例影響更顯著（<0.01），且隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻的總磷去除率逐漸減小，這主要是由于微藻對磷的去除主要是使磷通過磷酸化作用進入細胞中的能量傳遞物質ATP中[32]，隨著廢水添加比例的增大，培養(yǎng)液逐漸變得渾濁，影響了光的透過性，進而抑制微藻的能量傳遞過程，影響微藻的生長，導致微藻對廢水中磷的利用率較低。而隨著通氣量的增大，肥壯蹄形藻的總磷去除率逐漸增大，通氣量的增大為微藻生長過程中光合作用提供了充足的碳源，保證肥壯蹄形藻光合作用的正常進行[31]。微藻對磷的間接去除主要是由于光合作用會導致pH偏高，pH的升高促進了磷的沉淀，同時光合作用帶來的較高的氧含量也對其有利[33]。在廢水添加比例為25%和通氣量為1.5 L/min的試驗條件下，肥壯蹄形藻的總磷去除率隨著光照時間和光照強度的增大而逐漸增大，且肥壯蹄形藻的總磷去除率受光照時間的影響更顯著，有研究表明[30]較高光照強度可以促進微藻對營養(yǎng)元素的需求，足夠強度的光照也能為微藻光合作用提供充足的能量來源；光周期對光合效率也有影響，且與光照強度密切相關[34]。由圖5可以看出，COD去除率受廢水添加比例影響更顯著（<0.01），且隨著廢水添加比例的增大，肥壯蹄形藻的COD去除率先增大后減小，這是由于較高的廢水添加比例抑制了微藻的生長，影響了微藻對廢水中COD去除效果。

4 結 論

1）通過CCD中心組合試驗設計，得到了廢水添加比、光照強度、光照時間和通氣量對微藻干重、廢水氨氮去除率、總磷去除率和COD去除率影響的數(shù)學模型，優(yōu)化得到了牛場廢水培養(yǎng)微藻的最佳工藝條件為廢水添加比26%，光照強度9 028 lx，光照時間21.5 h，通氣量2.0 L/min。

2）廢水添加比例和光照時間對肥壯蹄形藻干重的交互作用較強，廢水添加比例和通氣量對肥壯蹄形藻培養(yǎng)液中氨氮去除率、總磷去除率和COD去除率均具有較強的交互作用，而光照強度和光照時間僅對總磷去除率具有較強的交互作用。

[1] Hoekman S K, Broch A, Robbins C, et al. Review of biodiesel composition, properties, and specifications. Renewable and Sustainable Energy Reviews[J]. 2012, 16(1): 143-169.

[2] 田朝玉，葉曉，華威，等. 基于污水處理的微藻培養(yǎng)研究進展[J]. 環(huán)境工程，2016，34(3)：1-5.

Tian Chaoyu, Ye Xiao, Hua Wei, et al. Research progress of microalgae culyivation using wastewater resources[J]. Environmental Engineering, 2016, 34(3): 1-5. (in Chinese with English abstract)

[3] 胡洪營，李鑫，楊佳. 基于微藻細胞培養(yǎng)的水質深度凈化與高價值生物質生產(chǎn)耦合技術[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2009，18(3)：1122-1127.

Hu Hongying, Li Xin, Yang Jia. Coupling of wastewater deep purification and high quality biomass production based on microalgae cultivation[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(3): 1122-1127. (in Chinese with English abstract)

[4] Abinandan S, Shanthakumar S. Challenges and opportunities in application of microalgae (Chlorophyta) for wastewater treatment: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 52: 123-132.

[5] Goswami R K, Mehariya S, Verma P, et al. Microalgae-based biorefineries for sustainable resource recovery from wastewater[J]. Journal of Water Process Engineering, 2021, 40: 101747.

[6] Su Y, Wu D, Xia H, et al. Metallic nanoparticles induced antibiotic resistance genes attenuation of leachate culturable microbiota: The combined roles of growth inhibition, ion dissolution and oxidative stress[J]. Environment International, 2019, 128: 407-416.

[7] Zhao Y, Ge Z, Lui H, et al. Ability of different microalgae species in synthetic high-strength wastewater treatment and potential lipid production[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2016, 91(11): 2888-2895.

[8] Amini H, Wang L, Shahbazi A. Effects of harvesting cell density, medium depth and environmental factors on biomass and lipid productivities ofgrown in swine wastewater[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 152: 403-412.

[9] Wang S, Hu S, Shang H, et al. Study on the co-operative effect of kitchen wastewater for harvest and enhanced pyrolysis of microalgae[J]. Bioresource Technology, 2020, 317: 123983.

[10] Zhao Z, Mertens M, Li Y, et al. A highly efficient and energy-saving magnetically induced membrane vibration system for harvesting microalgae[J]. Bioresource Technology, 2020, 300: 122688.

[11] Chandra R, Rohit M V, Swamy Y V, et al. Regulatory function of organic carbon supplementation on biodiesel production during growth and nutrient stress phases of mixotrophic microalgae cultivation[J]. Bioresource Technology, 2014, 165: 279-287.

[12] Garcia D, Posadas E, Blanco S, et al. Evaluation of the dynamics of microalgae population structure and process performance during piggery wastewater treatment in algal-bacterial photobioreactors[J]. Bioresource Technology, 2018, 248: 120-126.

[13] Ji F, Zhou Y, Pang A, et al. Fed-batch cultivation of Desmodesmus sp. in anaerobic digestion wastewater for improved nutrient removal and biodiesel production[J]. Bioresource Technology, 2015, 184: 116-122.

[14] Wijffels R H, Barbosa M J. An outlook on microalgal biofuels[J]. Science, 2010, 329: 796-799.

[15] Lv J, Wang X, Feng J, et al. Biomass production and nutrients removal from non‐sterile municipal wastewater and cattle farm wastewater inoculated withGD[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2019, 94(8): 2580-2588.

[16] Juliana G V, Eduardo J, Maria I Q. Uptake of phosphorus from dairy wastewater by heterotrophic cultures of cyanobacteria[J]. Desalination and Water Treatment, 2012, 40(1): 224-230.

[17] Ganeshkumar V, Subashchandrabose S R, Dharmarajan R, et al. Use of mixed wastewaters from piggery and winery for nutrient removal and lipid production byMM3[J]. Bioresource Technology, 2018, 256: 254-258.

[18] Marjakangas J M, Chen C Y, Lakaniemi A M, et al. Selecting an indigenous microalgal strain for lipid production in anaerobically treated piggery wastewater[J]. Bioresource Technology, 2015, 191: 369-376.

[19] Cheng P, Chu R, Zhang X, et al. Screening of the dominant Chlorella pyrenoidosa for biofilm attached culture and feed production while treating swine wastewater[J]. Bioresource Technology, 2020, 318: 124054.

[20] Lv J, Liu Y, Feng J, et al. Nutrients removal from undiluted cattle farm wastewater by the two-stage process of microalgae-based wastewater treatment[J]. Bioresource Technology, 2018, 264: 311-318.

[21] Lu W, Wang Z, Wang X, et al. Cultivation ofusing raw dairy wastewater for nutrient removal and biodiesel production: Characteristics comparison of indoor bench-scale and outdoor pilot-scale cultures[J]. Bioresource Technology, 2015, 192: 382-388.

[22] Le T H X, Mosley L, Marschner P. Nitrogen and phosphorus removal from wastewater by sand with wheat straw[J]. Environmental Science and Pollution Research International, 2019, 26(7): 11212-11223.

[23] Sanjay B, Shah, Devinder K, et al. Cool temperature performance of a wheat straw biofilter for treating dairy wastewater[J]. Journal of Environmental Science and Health, Part B, 2002, 37(5): 493-505.

[24] 霍書豪，陳玉碧，劉宇鵬，等. 添加沼液的BG11營養(yǎng)液微藻培養(yǎng)試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(8)：241-246.

Huo Shuhao, Chen Yubi, Liu Yupeng, et al. Experiment on microalgae cultivation in BG11 nutrient solution adding biogas slurry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CASE), 2012, 28(8): 241-246. (in Chinese with English abstract)

[25] 王忠江，隋超，王澤宇，等. 小球藻對不同沼液添加量培養(yǎng)液的適應性及凈化效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(3)：221-226.

Wang Zhongjiang, Sui Chao, Wang Zeyu, et al. Adaptation ofto culture liquid with different biogas slurry adding proportion and its purified effect[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CASE), 2017, 33(3): 221-226. (in Chinese with English abstract)

[26] 劉學銘，余若黔，梁世中. 分批異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻光密度值與干重的關系[J]. 微生物學通報，1999，26(5)：339-341.

Liu Xueming, Yu Ruoqian, Liang Shizhong. The relationship between optical density and dry weight ofin batch heterotrophic culture[J]. Microbiology, 1999, 26(5): 339-341. (in Chinese with English abstract)

[27] 楊珺，張效蘇，吳忠祥，等. 水質凱氏氮標準樣品的研究[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2002，14(1)：14-19.

Yang Jun, Zhang Xiaosu, Wu Zhongxiang, et al. Research about standard samples of water quality-determination of kjeldahl nitrogen[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2002, 14(1): 14-19. (in Chinese with English abstract)

[28] 水和廢水監(jiān)測分析方法編委會國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）[M]. 中國環(huán)境科學出版社，2002.

[29] 吳冰華，張安龍. 快速密閉消解-分光光度法測定化學需氧量[J]. 河南工程學院學報：自然科學版，2013，25(2)：43-45.

Wu Binghua, Zhang Anlong. Determination of COD by quick sealing digestion-spectrophotometry[J]. Journal of Henan Institute of Engineering, 2013, 25(2): 43-45. (in Chinese with English abstract)

[30] 袁麗娜，宋煒，肖琳，等. 附生假單胞菌存在下不同光照時間對銅綠微囊藻生長與磷代謝的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2006，22(2)：85-87.

Yuan Lina, Song Wei, Xiao Lin, et al. Effects of duration of light irradiation on growth and phosphorus metabolism ofon the presence of adnasent pseudomonas sp[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2006, 22(2): 85-87. (in Chinese with English abstract)

[31] 甄茜，蔡婕，郭行，等. 微藻在廢水脫氮除磷中的應用[J]. 水處理技術，2017，43(8)：7-12.

Zhen Xi, Cai Jie, Guo Xing, et al. Application of microalgae in removing nitrogen and phosphorus from wastewater [J]. Technology of Water Treatment, 2017, 43(8): 7-12. (in Chinese with English abstract)

[32] 邢麗貞. 固定化藻類去除污水中氮磷及其機理的研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2005.

Xing Lizhen. Investigations on Methods and Mechanism for Removal of Nitrogen & Phosphorus in Wastewater by Immobilized Algae[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2005. (in Chinese with English abstract)

[33] 劉曉晨，李振輪，謝德體. 藻類在水體脫氮除磷中的作用及其資源化利用[J]. 環(huán)境科學與技術，2014，37(3)：18-24.

Liu Xiaochen, Li Zhenlun, Xie Deti. Functions and resource utilizing of algae removing nitrogen and phosphorus from water[J]. Environmental Science & Techoology, 2014, 37(3): 18-24. (in Chinese with English abstract)

[34] 彭文琴. 不同碳源和光照周期對三種微藻生長及油脂積累的影響[D]. 南昌：南昌大學，2012.

Peng Wenqin. Effects of Different Carbon Sources and Photoperiod on the Growth and the Lipid Accumulation of three kinds of Microalgae[D]. Nanchang: Nanchang University, 2012. (in Chinese with English abstract)

Process optimization of cultivation ofin cattle farm wastewater

Wang Zhongjiang1,2, Wang Ziyue1, Wang Guixiang1, Zheng Yu1, Wang Lili1,2, Sui Yuhang1

(1.,,150030,;2.,150030,)

Water shortage and pollution are pushing to upgrade the conventional treatment of wastewater in the world. Microalgae-based Wastewater Treatment (WWT) has been widely expected to meet the new demand for the removal of nutrients and pathogens in recent years. However, a pretreatment process is normally required on the microalgae culture in wastewater from a cattle farm, such as settling, centrifugation, aeration, and dilution. It is a high demand for the potential microalgae culture substrates rich in nutrients, such as nitrogen and phosphorus, thereby reducing the cost of the pretreatment process for the better commercialization of the microalgae industry. Particularly, a large amount of breeding wastewater and manure have been rapidly produced in the livestock industry. In this study, the wastewater from a cattle farm was filtered by straw to cultivate the microalgae, in order to timely alleviate the loss of nutrients and environmental pollution. Kirchneriella obesa was selected as the experimental algae species. The mixture of straw-filtered wastewater and BG11 medium was also used as the microalgae culture medium. A systematic investigation was made on the effects of wastewater addition ratio, light intensity, photoperiod, and aeration on the dry weight of microalgae, as well as the ammonium (NH4+-N), Total Phosphorus (TP), and Chemical Oxygen Demand (COD) removal rate. A Central Composite Design (CCD) with a single factor test was carried out to optimize the process parameters during cultivation. The results demonstrated promising potential of WWT in the nutrients removal from cattle farm wastewater. An optimal combination of process parameters for the cultivation was achieved as follows: 26 % of wastewater, light intensity of 9 028 lx, light time of 21.5 h, and the aeration intensity of 2.0 L/min. By the end of the 14-day culture period, the dry weight of Kirchneriella obesa reached 1.141 g/L under optimal conditions, where 99.65%, 99.15%, and 85.83% of NH4+-N, TP, COD were removed, respectively. There were within 2% errors of the predicted and actual values for the response indexes. The dry weight of microalgae and COD removal rate were higher than predicted, indicating the credible optimization for the expected requirements. There was an outstanding interaction of wastewater addition ratio and light time on the dry weight of the algae. A strong correlation was also found between the wastewater addition ratio and aeration amount on the removal rate of NH4+-N, TP, and COD in the culture solution of the algae. But the light intensity and light time had only interacted with the removal rate of TP. This finding can provide a theoretical reference to promote the industrial production of microalgae culture for the wastewater from a cattle farm.

wastewater; filtration; microalgae cultivation; process optimization; interaction

2021-08-20

2021-11-18

黑龍江省重點研發(fā)計劃項目（GA21C024）；國家高技術研究發(fā)展計劃（2014AA022001）

王忠江，博士，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程。Email：neauwzj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.029

Q938

A

1002-6819(2021)-24-0257-09

王忠江，王子越，王貴祥，等. 牛場廢水培養(yǎng)肥壯蹄形藻的工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(24)：257-265. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.029 http://www.tcsae.org

Wang Zhongjiang, Wang Ziyue,Wang Guixiang, et al. Process optimization of cultivation ofin cattle farm wastewater[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 257-265. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.029 http://www.tcsae.org