杜青平，林俊熙，李文深，李梓豪，吳派霖

（廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖場規(guī)?；⒓s化的程度進一步增強，但我國畜禽廢棄物的綜合利用率和無害化率分別不足60%和50%。在資源利用率和無害化處理率較低的情況下，畜禽養(yǎng)殖廢棄物引起的環(huán)保問題日益嚴重[1]。大中型沼氣工程在規(guī)?；B(yǎng)殖場迅速推廣，在獲得大量沼氣資源的同時也產(chǎn)生了大量的沼液廢水[1]。加強沼液中污染物去除與資源再利用協(xié)同去除處理技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，對沼液資源化利用具有實際意義。

沼液廢水經(jīng)厭氧發(fā)酵后，從生物代謝角度考慮利用特定藻類協(xié)同代謝其中的有機物[2]，是一種經(jīng)濟有效的多層次資源利用、打造生態(tài)農(nóng)業(yè)的潛在思路。小球藻具有繁殖快、周期短、易于培養(yǎng)、對高濃度厭氧發(fā)酵沼液具有抗性等特點[3]。本實驗研究小球藻對實際發(fā)酵沼液中有機質(zhì)的吸收代謝情況，探討小球藻對厭氧發(fā)酵沼液凈化及碳積累資源化利用的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗所用藻種為普通小球藻（Chlorella vulgaris），由養(yǎng)豬場厭氧污水處理廠廢水池分離獲得，根據(jù)文獻方法[3]進一步馴化后使用。

氯化銨、酒石酸鈉鉀、碘化汞、碘化鉀，分析純，均為天津市北聯(lián)精細化學(xué)品開發(fā)有限公司；氫氧化鈉、硝酸鉀，分析純，杭州雙林化工試劑有限公司；亞硝酸鈉、鉬酸銨，分析純，醫(yī)藥集團化學(xué)試劑有限公司；酒石酸銻鉀、磷酸二氫鉀、硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A-5975C型GC-MS，美國Agilent公司；KDC-140HR型高速冷凍離心機，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；VIS-723N可見分光光度計，北京瑞利分析儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海歷辰邦西儀器科技有限公司；ZSD-1090光照培養(yǎng)箱，上海智城分析儀器制造有限公司。

1.3 沼液處理

在10個未經(jīng)稀釋的發(fā)酵沼液中接種約20%藻液，使每mL沼液中小球藻初始含量約為104個，進行25℃、光照強度3 000 lx、光暗比為12∶12恒溫培養(yǎng)。培養(yǎng)完成后取適量藻液3 000 r/min，離心10 min取上清液測定藻細胞的含量及沼液中氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總磷、磷酸鹽、COD含量[3]。

1.4 水質(zhì)測定

氨氮（NH4+-N）測定采用國標(biāo)HJ 535—2009的納氏試劑分光光度法；硝酸鹽氮（NO3--N）測定采用國標(biāo)HJ/T346—2007的紫外分光光度法；亞硝酸鹽氮（NO2--N）測定采用國標(biāo)GB 7493—87的分光光度法；總磷 （TP）測定采用GB 11893—89的鉬酸銨分光光度法測定；磷酸鹽（PO43-）測定采用國標(biāo)HJ 669—2013的離子色譜法測定；化學(xué)需氧量（COD）測定采用國標(biāo)HJ 828—2017的重鉻酸鹽法測定。

1.5 小球藻生物量及脂肪酸組成測定

小球藻生物量測定：取20 mL （V）的藻液，4 000 r/min離心后,于105℃烘箱烘至恒重（M），M/V即小球藻生物量。

根據(jù)文獻方法[3]提取油脂方法并計算含油率和測定脂肪酸成分。

式中，Ma為帶有油脂的玻璃管質(zhì)量（g）；Mb為玻璃管空重（g）；Mc為藻粉質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通小球藻在厭氧發(fā)酵沼液中的生長特性

測定普通小球藻在厭氧發(fā)酵沼液中接種后的生長量，繪制生長曲線，結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，小球藻接種到發(fā)酵沼液4 d后就進入對數(shù)生長期，表明藻細胞的潛伏期較短；第8 d左右藻細胞進入穩(wěn)定生長期；在第10 d時普通小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)量約為2.4 g/L，表明普通小球藻在發(fā)酵沼液中積累了豐富的有機質(zhì)，為其后續(xù)資源化利用創(chuàng)造了條件。

圖1 厭氧發(fā)酵沼液中小球藻的生長曲線

2.2 普通小球藻脂肪酸組成

為了進一步研究藻細胞積累的油脂質(zhì)量，對發(fā)酵沼液中獲得的普通小球藻所含油脂進行成分分析。發(fā)現(xiàn)普通小球藻利用發(fā)酵沼液中營養(yǎng)物質(zhì)生長，藻細胞中能夠積累大量的含碳化合物，這些化合物主要是脂肪酸，以C16至C20的長鏈脂肪酸為主。大部分藻細胞產(chǎn)生的脂肪酸為多不飽和脂肪酸，占總量的73.9%，這些脂肪酸可作為資源化的油脂加以利用。

2.3 普通小球藻對發(fā)酵沼液中硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮的去除

發(fā)酵沼液中的氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的含量結(jié)果見圖2。從圖2可知，普通小球藻生長過程中，沼液中三種形態(tài)氮的含量均呈下降趨勢，表明三種形態(tài)的氮都可以作為小球藻的氮源，但其被藻細胞消耗和利用的時間不同。

圖2 普通小球藻對厭氧發(fā)酵沼液中不同形態(tài)氮的去除特性

培養(yǎng)液中的氨氮含量隨著藻細胞的生長逐漸降低，到培養(yǎng)第12 d時，氨氮的含量由初始的234 mg/L降為35 mg/L，去除率達85%。硝態(tài)氮初始濃度為2.55 mg/L，培養(yǎng)10 d后硝態(tài)氮的含量檢測值為0 mg/L，表明在藻細胞生長過程中硝態(tài)氮迅速被利用或轉(zhuǎn)化。培養(yǎng)液中的亞硝態(tài)氮的含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，初始含量為0.57 mg/L，在培養(yǎng)2 d內(nèi)逐漸上升到1.23 mg/L，然后隨著藻細胞的生長，亞硝態(tài)氮的含量逐漸下降，在第12 d時培養(yǎng)液中的亞硝態(tài)氮含量約為0.16 mg/L，去除率為72%。

以上數(shù)據(jù)表明，在培養(yǎng)初期，藻細胞可直接利用氨氮和硝態(tài)氮，而隨著培養(yǎng)的進行，體系中的氨氮和硝態(tài)氮含量降低后開始利用亞硝態(tài)氮，而在培養(yǎng)起始階段，反應(yīng)體系中可能有其他的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮。有文獻報道，小球藻在含有硝態(tài)氮的溶液中會利用還原酶將硝態(tài)氮還原成亞硝態(tài)氮并釋放到培養(yǎng)液中，導(dǎo)致培養(yǎng)液中的亞硝態(tài)氮升高[4]，可能是沼液培養(yǎng)前2 d中亞硝態(tài)氮升高的原因。

2.4 普通小球藻對發(fā)酵沼液中總磷、磷酸鹽的去除

對發(fā)酵沼液中的總磷、磷酸鹽的去除特性進行測定，結(jié)果見圖3。由圖3可知，發(fā)酵沼液中的總磷和磷酸鹽的含量均隨培養(yǎng)時間延長呈下降趨勢。當(dāng)藻細胞生長到12 d時，沼液中初始濃度為4.23 mg/L的磷酸鹽被完全降解，表明小球藻在生長代謝中很好地利用了發(fā)酵沼液中的磷酸鹽。發(fā)酵沼液中的總磷濃度在12 d內(nèi)逐步降低，由初始濃度7.25 mg/L降低至1.30 mg/L，去除率為82%，表明小球藻對發(fā)酵沼液中的總磷利用比較徹底。這與王愿珠等[5]利用生物膜貼壁培養(yǎng)小球藻凈化豬糞沼液廢水的研究結(jié)果類似，說明普通小球藻對發(fā)酵沼液中的磷有良好的去除效果。

圖3 普通小球藻對厭氧發(fā)酵沼液中總磷、磷酸鹽的去除特性

2.5 厭氧發(fā)酵沼液中COD的變化

對發(fā)酵沼液的COD含量進行測定，結(jié)果見圖4。從圖4可知，隨著培養(yǎng)時間延長，發(fā)酵沼液中COD逐漸減少，經(jīng)過12 d的培養(yǎng)，發(fā)酵液COD由最初的336 mg/L降低至93 mg/L，去除率達72%。

圖4 厭氧發(fā)酵沼液中COD變化曲線

3 結(jié)論

普通小球藻在接種到厭氧發(fā)酵沼液中后能夠正常生長繁殖，在第8 d進入生長穩(wěn)定期。經(jīng)過12 d培養(yǎng)后，對厭氧發(fā)酵沼液的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮的去除率分別為100%、72%、85%，對磷酸根、總磷的去除率分別為100%和82%，對COD的去除率為72%，期間積累大量的脂肪酸。因此，普通小球藻對厭氧發(fā)酵沼液有優(yōu)異的凈化能力，并且存在碳積累資源化利用的潛力。