固化菌藻系统处理养殖废水中氨氮的研究

周　鸣，汤红妍，贾晓平，苗　娟，朱书法

（1.河南科技大学化工与制药学院，河南洛阳471023；2.广东省渔业生态环境重点实验室，广东广州510300）

固化菌藻系统处理养殖废水中氨氮的研究

周鸣1，汤红妍1，贾晓平2，苗娟1，朱书法1

（1.河南科技大学化工与制药学院，河南洛阳471023；2.广东省渔业生态环境重点实验室，广东广州510300）

采用海藻酸钠-氯化钙固定法固化硝化细菌和硝化细菌与小球藻的混合物，来处理养殖废水中的氨氮污染，考察了处理时间、温度、pH和氨氮/固化小球用量比对氨氮去除效果的影响。实验结果显示，固化硝化细菌小球和固化菌藻小球均能有效去除废水中的氨氮，但固化菌藻小球的去除效果更佳。在28℃、pH=8、氨氮起始质量浓度为50 mg/L、氨氮/固化菌藻小球用量比为1∶40的实验条件下，24 h内能去除废水中96.51%的氨氮。实验结果证实，硝化细菌和小球藻具有一定的共生关系，在去除氨氮时有协同效应，固化菌藻小球在养殖废水脱氮中具有一定的应用前景。

氨氮；养殖废水；硝化细菌；小球藻；海藻酸钠

在我国，高密度的集约化水产养殖已形成产业规模，并在国民经济中占有重要地位。但在长期集约化养殖过程中，大量集中投料而残留下的饵料以及水生动物产生的排泄物会导致水体氨氮超标，引发水体富营养化，从而导致鱼类死亡和水质恶化，因此去除养殖水体中的氨氮对于保证水产养殖业的健康发展具有重要意义〔1〕。近年来，不少专家学者尝试利用微生物技术来去除水中的氨氮污染，其中硝化细菌被广泛使用〔2-3〕。硝化细菌为化能自养型微生物，它能通过硝化作用将氨氮高效去除，但世代周期长，生长缓慢，对环境条件有一定的要求。另有研究证实，微藻（如小球藻）也能去除水中的氨氮，将其转化为蛋白质、叶绿素等物质从而净化水体，并给鱼类提供养料〔4-5〕。微藻还能通过光合作用释放氧气，而硝化细菌是好氧微生物，微藻的存在是有利于其生长的，因此笔者尝试利用硝化细菌和小球藻共同处理氨氮废水。在投放方式上，研究发现向水体中直接投放微生物制剂来调控水质的效果不佳，主要原因是投入水体中的游离微生物在流水条件下易被水流冲走，在静水条件下易被其他生物吞食，持续时间短、利用率低下。在此背景下固定化微生物技术成为解决该问题的发展方向〔6-7〕。笔者利用海藻酸钠-氯化钙法对硝化细菌和小球藻进行包埋固定，海藻酸钠与Ca2+接触时具有瞬时凝胶化的特性，可以在温和条件下实现对微生物的包埋，且对微生物影响较小〔8〕。

综上所述，研究采用固定化技术固化硝化细菌和小球藻来处理养殖废水中的氨氮污染，考察处理时间、温度、氨氮/固化小球用量比对去除效果的影响。目前国内外关于固化菌藻系统处理氨氮的研究较少，该研究的开展期望能为此技术处理养殖水体氨氮污染的实际应用提供数据支持。

1　材料与方法

1.1实验材料

1.1.1菌藻的富集与驯化

硝化细菌为笔者实验室自行分离，污泥来自洛阳市涧西污水处理厂二沉池。实验前先对硝化细菌进行富集培养。培养期间每天检测氨氮的消耗量和硝酸氮、亚硝酸氮的产生量。培养基：NaH2PO40.25 g，MnSO4·4H2O 0.01 g，CaCO35 g，MgSO4·7H2O 0.04 g，KH2PO40.75 g，（NH4）2SO42 g，H2O 1 L；培养条件：28℃，pH在7.2～7.5，摇床150 r/min。

蛋白核小球藻购自中科院水生生物研究所，使用前经过水生四号培养基培养4 d，8 000 r/min下离心10min制备成小球藻浓缩液待用。水生四号培养基：（NH4）2SO40.2 g，MgSO4·7H2O 0.08 g，Ca（H2PO4）2·H2O+ 2（CaSO4·2H2O）0.03g，NaHCO30.1g，KCl0.025g，FeCl30.15 mL（质量分数1%），土壤浸出液0.5 mL，H2O 1 L。

1.1.2固化

固化菌藻小球（记为小球A）的制备：将1 g活性炭粉末加入100 mL菌藻液中（硝化细菌菌悬液与小球藻浓缩液的质量比为4∶1）混合培养24 h后离心。将离心底物与20 mL质量分数为2%海藻酸钠溶液混合均匀，再将其倒入20 mL浓度为0.1 mol/L 的CaCl2溶液进行混合。用移液管吸取混合物将其挤压为1～3 mm的小颗粒。将小颗粒置于0.1 mol/L 的CaCl2溶液12 h后，用蒸馏水洗涤待用。为对比实验效果，按上述步骤（未加入小球藻浓缩液）制备了固化硝化细菌小球（记为小球B）。

1.1.3模拟废水的配制

精确称取K2HPO4260 mg、MgSO4·7H2O 125 mg、NaCl 625 mg、MnSO412.5 mg、FeSO4·7H2O 12.5 mg、NH4Cl 148.3 mg、葡萄糖250 mg溶于1 000 mL鱼塘水中（养殖草鱼，COD为17 mg/L，氨氮0.1 mg/L，pH 为7.4），该模拟废水的氨氮质量浓度为50 mg/L。

1.2主要实验仪器

SW-CJ-1G超净工作台，苏州净化设备有限公司；AL104型电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；ZWY-110X30水浴振荡器，上海智城分析仪器制造有限公司；722可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；GL-20G-Ⅱ型离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.3活化

微生物经包埋固定化后活性会降低，实验前需将固化小球投入模拟废水中活化48 h，活化在水浴振荡器中进行，常温，振速为150 r/min。

1.4氨氮去除实验

在一定条件下，将活化后的固化小球与模拟废水共同置入250 mL锥形瓶，于恒温水浴振荡器中振荡反应（振速150 r/min）。待实验结束后取10 mL溶液于离心管中，在8 000 r/min的条件下离心分离10 min。将分离出的上清液用纳氏试剂比色法在420 nm处测定氨氮〔9〕。按式（1）计算去除率（η）。

式中：c0——氨氮起始质量浓度，mg/L；

ce——实验结束时的氨氮质量浓度，mg/L。

为保证准确性，实验均重复2次。

2　结果与分析

2.1海藻酸钙对氨氮的吸附

固化小球对氨氮的去除包括以下2个过程：（1）海藻酸钙的载体对水中氨氮的吸附；（2）固化小球内部生物对吸附进来的氨氮进行去除。所以需要载体对氨氮具有一定吸附能力，对此笔者展开研究。取20 g纯固化小球（未加入小球藻和硝化细菌）与100 mL质量浓度为50 mg/L的模拟氨氮废水一起倒入250 mL锥形瓶中，在室温、pH为8的条件下振荡吸附，氨氮随时间的变化情况如图1所示。

图1　纯固化小球对氨氮的吸附情况

如图1可知，海藻酸钙小球对氨氮具有一定的吸附能力，在实验条件下4 h左右可达到吸附平衡。这是由于形成的海藻酸钙小球内部多孔，比表面积较大，当其投入废水中时，氨氮会被吸附至小球表面，然后慢慢向内扩散，并逐渐达到吸附平衡。

2.2温度和时间对氨氮去除效果的影响

分别称取20g固化小球A、固化小球B与100mL质量浓度为 50 mg/L的模拟氨氮废水一起倒入250 mL锥形瓶中，控制实验温度为20、25、28、32、36℃，在pH=8条件下振荡，考察温度和时间对氨氮去除效果的影响，结果如图2所示。

图2　温度和时间对氨氮去除率的影响

由图2可知，固化小球A、B均能去除废水中的氨氮，温度是影响氨氮去除率的重要因素。这是因为温度的变化将直接影响生物的生长，温度过高会导致蛋白质变性，从而降低微生物的活性〔10〕，所以高温下氨氮去除率急剧降低。而低温则会使微生物生长缓慢，也会影响去除效率。由实验可知28℃是硝化细菌和菌藻系统的最适工作温度。在此温度下，24 h固化小球A的氨氮去除率可达96.51%，固化小球B的氨氮去除率可达92.62%。

对比固化小球A、B可知，固化菌藻小球在各个温度段的氨氮去除率均高于固化硝化细菌小球的去除率。这是因为小球藻不仅能通过同化作用去除氨氮，还能通过光合作用给硝化细菌提供额外的氧供应，而硝化细菌去除氨氮的产物又是小球藻的营养物质，两者具有一定共生关系，在去除氨氮时有协同效应。

图2还反映了时间对氨氮去除率的影响。以28℃时的小球A为例，整个反应可分为如下阶段：前6 h内反应过程十分迅速，氨氮去除率快速增加（由0至66.05%）；6 h后反应变缓，第24 h氨氮去除率为96.51%，第48 h氨氮去除率为98.53%，因此在实际使用过程中，24 h的反应时间即可。

2.3pH对氨氮去除效果的影响

分别称取20g固化小球A、固化小球B与100mL质量浓度为50 mg/L的模拟氨氮废水倒入250 mL锥形瓶中，控制pH为6、7、8、9，28℃下振荡24 h后氨氮去除率如图3所示。

图3　pH对氨氮去除率的影响

如图3所示，pH的变化会严重影响氨氮去除率。pH在7～8的弱碱性环境对硝化细菌和菌藻系统去除氨氮最为有利，而酸性或强碱性环境都不利于生物去除氨氮，这与文献报道一致〔4，10〕。此外，各个pH下菌藻体系也比单一的硝化细菌具有更高的氨氮去除率。

2.4氨氮与固化小球的质量比对氨氮去除效果的影响

称取一定质量的固化菌藻小球加入到100 mL质量浓度为50 mg/L的模拟氨氮废水中，控制小球用量为0.5、1、1.5、2、2.5 g/L（相应的氨氮与固化小球质量比为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50），在pH为8条件下振荡，24 h后氨氮去除率如图4所示。

图4　氨氮与固化小球质量比对氨氮去除率的影响

由图4可知，随着固化小球用量的增加，氨氮去除率随之提高，这是因为一定时间内单位质量小球的去除能力是有限的，要想获得更好的去除效果，需要提高固化小球的用量，或延长处理时间。但当质量比达到1∶40后（2 g/L）氨氮去除率提升变得缓慢，虽然1∶50时氨氮去除率更高，但1∶40的质量比显然更为经济。

为考察1∶40质量比的适应性，保持氨氮与固化菌藻小球质量比为1∶40不变，改变模拟氨氮废水的初始质量浓度，其他实验条件与图4实验相同，结果如图5所示。

图5　氨氮初始质量浓度对氨氮去除率的影响

实验证实，1∶40的质量比在不同初始氨氮下均能保持较好的去除率，说明固化菌藻小球的适应性强，对氨氮浓度的变化有较强的适应能力。

3　结论

（1）海藻酸钠和氯化钙形成的固化小球具有较好的机械强度和稳定性，且对氨氮有一定的吸附能力。经海藻酸钠-氯化钙固化处理后，硝化细菌和小球藻对外界环境的适应性变强。

（2）在相同实验条件下，相比于固化硝化细菌小球，固化菌藻小球的氨氮去除效果更佳。在28℃、pH为8、氨氮起始质量浓度为50 mg/L、氨氮与固化菌藻小球质量比为1∶40的实验条件下，24 h后能去除96.51%的氨氮。

上述实验结果表明，硝化细菌和小球藻具有一定的共生关系，在去除氨氮时有协同效应，固化菌藻小球在养殖废水脱氮中具有一定的应用前景。

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Study on the treatment of ammonia nitrogen in aquacultural wastewater by the immobilized algal-bacterial system

Zhou Ming1，Tang Hongyan1，Jia Xiaoping2，Miao Juan1，Zhu Shufa1
（1.School of Chemical Engineering and Pharmaceutics，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China；2.Key Laboratory of Fishery Ecology and Environment，Guangdong Province，Guangzhou 510300，China）

Solo nitrifying bacteria and the mixture of nitrifying bacteria and chlorella immobilized by sodium alginate and CaCl2have been used for treating the ammonia nitrogen pollution in aquacultural wastewater.The influences of treatment time，temperature，pH and the dosage ratio of ammonia nitrogen/immobilized balls on the removing effects of ammonia nitrogen are investigated.The experimental results show that these immobilized balls（solo nitrifying bacteria and the mixture of nitrifying bacteria and chlorella）can effectively remove ammonia nitrogen from aquacultural wastewater.However，the removing effect of the immobilized bacteria-algal balls are better.Under the following conditions：temperature is 28℃，pH 8，initial ammonia nitrogen mass concentration 50 mg/L and dosage ratio of ammonia nitrogen/immobilized bacteria-algal balls 1∶40，95%of ammonia nitrogen can be removed in 24 hours.These results show that nitrifying bacteria and chlorella have certain symbiotic relationship，and synergistic effect occurs while ammonia nitrogen is being removed.Therefore，the immobilized bacteria-algal balls applied to the denitrification in aquacultural wastewater have certain application prospects.

ammonia nitrogen；aquacultural wastewater；nitrifying bacteria；chlorella；sodium alginate

X703

A

1005-829X（2016）08-0020-04

国家自然科学基金（41471256）；广东省渔业生态环境重点实验室开放基金项目（LFE-2014-6）；河南省高等学校重点科研项目（15A610003）

周鸣（1980—），博士，副教授。E-mail：axore@163.com。

2016-07-07（修改稿）