养殖废水中微藻的预处理方法研究

养殖废水中微藻的预处理方法研究

随着水产养殖的快速发展，水产养殖废水排放的环境影响日益突出。水体富营养化、污染，破坏湿地等自然系统，导致疾病的传播。分类b。这些影响又制约着养殖产业的发展,因此,加强养殖废水的处理与循环利用成为水产养殖业健康发展的重要课题。研究表明,养殖废水富含的氮、磷等多种营养成分是藻类养殖或者鱼贝藻综合养殖体系中的重要资源［３－４］。藻类生长直接吸收废水中溶解的无机或有机营养物质,提高pH值促进磷的沉降与氨的挥发,起到抑菌消毒作用［５］,这不仅减轻了养殖带来的负面环境影响,还为经济水产品种提供饵料,或与生物能源生产系统耦合产生附加价值［３－４］,是一项成本低、能耗少、效益高、开发潜力大的环保工程［６］。本试验通过比较经不同方法(过滤养殖废水即对照组、加热法、臭氧消毒法及次氯酸钠消毒法)预处理的大西洋鲑(Salmosalar)养殖废水中小球藻(Chlorellaspp.)、盐藻(Dunaliellasalina)、三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)、湛江等鞭金藻(Isochrysiszhanjiangensis)4种常用饵料微藻的生长,探讨养殖废水预处理方法对微藻生长的影响及微藻生长对养殖废水中氮、磷的去除效果,筛选适宜养殖废水处理与规模化培养的藻种,为利用养殖废水规模化培养微藻及废水处理提供理论基础。1材料和方法1.1藻类的起源和繁殖小球藻、盐藻、三角褐指藻、湛江等鞭金藻为山东东方海洋科技有限公司微藻实验室提供,藻种用f/2培养液进行培养。1.2再生水净化剂分离藻的制备水样分批取自大西洋鲑工厂化海水循环养殖系统。试验分为四组:对照组为循环养殖排出的过滤海水;加热组为循环养殖过滤海水经煮沸后的冷却水;臭氧组为直接采自循环系统中经蛋白分离器与臭氧发生器(2.0~3.5L/min,处理能力为200m３/h,大连汇新钛设备开发有限公司)联合处理过的消毒海水;消毒组为循环养殖过滤海水用质量浓度为60mg/L次氯酸钠消毒,硫代硫酸钠中和,淀粉碘化钾确定无余氯的水。将处于指数生长期的藻种接种到处理好的试验用水中,藻液∶培养用水比例为1∶7。试验在500mL锥形瓶中进行,在每个组别中接种上述4个藻种,每一个藻种设3个平行。在室内自然光照与22~27℃下培养,每日摇瓶3~5次。试验结束时在3个平行中取同等体积藻液混均,离心后以备营养盐测定。1.3水体营养盐含量测定用血球计数板计数藻细胞密度,取3个平行的均值。藻细胞比生长速率(μ)按下式计算:式中,n０为起始藻细胞数(个/mL),nｔ为经过t时间培养后的藻细胞数(个/mL),t为培养时间(d)。水体中营养盐含量测定:藻液经高速离心(5000r/min)后,弃藻泥收集上清液。氨氮(NH４＋-N)和活性磷酸盐(PO４３－-P)分别采用《海洋监测规范》［７］中次溴酸盐氧化法与磷钼蓝分光光度法测定,亚硝酸氮(NO２－-N)和硝酸氮(NO３－-N)分别采用重氮—偶氮比色法和锌镉还原—重氮偶氮法［８］测定。2结果2.1水样化学需氧量氮、磷的测定因水样分批采集且经不同方法处理,各组别间水质指标有一定差异(图1)。水样均澄清,盐度为27~31。对照组的pH为7.11,其他三组均有升高,加热组最高,为8.10。水样中无机氮以硝酸氮(4.20~5.77mg/L)为主,占80%以上;其中臭氧组的这一比例达到91%,但其亚硝酸氮与氨氮明显低于其他三组。活性磷质量浓度为0.34~0.52mg/L,各组差异不明显。氮、磷分子比为28~36,以消毒组最低,加热组最高。各试验组化学需氧量质量浓度差异最大,加热组相比对照组略有下降,消毒组在水样未做处理前高达11.85mg/L(因消毒处理后加入过量的硫代硫酸钠影响消毒后的化学需氧量测定,故无法比较消毒前后变化);臭氧组最低,仅为3.1mg/L。2.2两组比生长率的比较养殖废水3种预处理方法对微藻生长的影响见图2。由图2可见,4个试验组中小球藻生长状况良好,若忽略接种密度可能产生的影响,消毒组的比生长率(0.219/d)高于其他组,但在第4d后密度增长缓慢;臭氧组与对照组的比生长率相同,高于加热组(0.161/d)。三角褐指藻对照组的细胞密度先升后降且沉于瓶底,在其余三组特别是臭氧组、消毒组呈持续增加趋势,但其比生长率较低(分别是0.153/d、0.148/d)。湛江等鞭金藻在3个预处理组中均生长良好,比生长率以消毒组最高(0.235/d),加热组与臭氧组生长速率相同,对照组经短暂快速生长(4d)期后快速消亡。除了对照组,4d为盐藻指数生长期,之后加热组和消毒组分别进入静止期和相对生长下降期,臭氧组4d后则迅速死亡,盐藻在对照组中无法生长。另外,第4~6d后臭氧组陆续出现其他底栖藻类和多种浮游生物,三角褐指藻、湛江等鞭金藻均沉于瓶底。2.34鞭金藻对氮、磷的去除效果养殖废水中氨氮为藻类优先利用［９］。本试验水样中氨氮质量浓度很低,以去除硝酸氮为主要氮形式的无机氮为废水处理的主要目标之一,因此,本试验以硝酸氮的去除率为氮去除率指标。废水中各种微藻生长对氮、磷去除率见图3。对照组中因盐藻与湛江等鞭金藻快速死亡不予对比,小球藻与三角褐指藻对氮、磷的去除率无明显差异。加热组湛江等鞭金藻对氮、磷去除率分别为54.5%和76.0%,明显低于其他藻种;盐藻对氮去除率也较低(74.5%),但对磷的去除率达到91.5%;三角褐指藻与小球藻对氮、磷的去除率均在85%以上。臭氧组除了湛江等鞭金藻的氮去除率为58.9%、盐藻的磷去除率为81.2%外,氮、磷的去除率均在90%以上。消毒组各藻种对磷的去除率均在95%以上,但氮的去除率较低,湛江等鞭金藻仅为28.2%,盐藻为37.6%,小球藻为67.2%,最高的三角褐指藻为80%。3讨论3.1海水养殖废水处理海水养殖的残饵、排泄物中所含的氮、磷等营养物质以及悬浮颗粒物和有机物的排放成为近海水体富营养化的重要污染源,如大西洋鲑网箱养殖系统排放到环境中的氮、磷分别占投入饵料中氮、磷的62%和70%,其中45%的氮和18%的磷以溶解态形式排放［１０］。采用工厂化养殖系统与循环水处理设施,大大提高了饵料转化系数,减少了营养物质的排放量,大西洋鲑循环养殖的单位产量排污量明显低于其他鱼类［１１］。但是,海水养殖废水成分复杂特别是高盐度的影响,增加了海水养殖废水处理的难度［１１］。所以,目前采用的处理方法是将海水养殖废水直接排放入海,增加了近海环境压力,这种环境压力反过来又成为养殖业自身发展的制约因素。因此,海水养殖废水的处理成为一个亟待解决的环境问题。藻类生物滤器可以有效地吸收、利用养殖废水中的营养物质,减轻养殖废水对环境的影响,提高养殖系统的经济输出,增进食品安全,藻类对污染水体特别是海水养殖废水进行生物修复是废水处理的有效措施之一［６，１２］。但由本试验结果可知,有些经济微藻无法直接在养殖废水中培养,即存在废水与藻类生长的适配性问题［１３］。目前,微藻培养过程中常规的海水消毒方式有加热消毒法、过滤除菌法、次氯酸钠消毒法等［１４］,蛋白分离后臭氧消毒法在养殖实践中效果良好,利用臭氧的强氧化能力不仅可除去氨、亚硝酸盐等有害物质,起到很好的杀菌效果,还可迅速降低海水养殖废水中的化学需氧量［１５］。但试验结果表明,臭氧法不能有效杀死生物孢子囊,很快出现的浮游生物影响微藻培养,甚至导致培养失败。次氯酸钠具强氧化性和杀菌效果,处理后水样未发现浮游生物,处理效果较为彻底,适用于大规模微藻的培养。3.2不同种类藻去除亚硝酸盐的效果研究表明,微藻处理废水效果因藻种、废水来源、营养盐的种类而不同。小球藻对工厂化对虾养殖废水中氨氮与活性磷的去除率分别在80%和85%以上［１６］,对养猪场人工废水无机氮、无机磷的最终去除率分别达88%和73.2%［１７］,小球藻与微生物菌群组合对珍珠蚌(Margaritianadahurica)养殖废水无机氮、无机磷去除效果更高［１８］。结合本试验结果来看,小球藻对不同来源废水均有较好的净化效果。不同藻的去除效果因营养盐种类而不同,如斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)去除硝态氮效果最好,最大去除率为64.8%,月牙藻(Selenastrumreinsch)去除氨氮效果最好,最大去除率为15.4%,螺旋鱼腥藻(Anabaenaspiroides)最先去除亚硝酸盐氮,去除率最高达98.3%［１９］,本试验中湛江等鞭金藻对硝酸氮的去除率要低于小球藻、三角褐指藻和盐藻。绿色巴夫藻(Pavlovaviridis)、青岛大扁藻(Platymonashelgolanclica)、三角褐指藻和塔胞藻(Pryamimonassp.)4种藻对NH４＋-N、PO４３－-P的去除率高于99%,而对NO３－-N的去除率较低,塔胞藻最高也仅为15.4%［９］。但本试验表明,三角褐指藻等微藻可以有效地去除硝酸氮。因此,不同养殖废水要根据营养盐形态及藻对营养盐的优先利用原则有针对性选择藻种。除了适宜温度、光照等条件外,在养殖废水中培养微藻还受到其他因子的影响:(1)营养组成的影响,如小球藻的最适宜氮/磷为8［１７］;中肋骨条藻最适宜硅/磷为5,增加氨、磷改变营养盐结构会导致优势藻的变化［２０］;本试验氮/磷约为30,表明磷可能成为藻类生长的限制因子。(2)营养物质间互为限制因子,如牟氏角毛藻(Chaetocerosmulleri)优先利用NH３-N,且NH３-N会抑制藻细胞对NO３-N的吸收［２１］。(3)有机物的影响,如小球藻在养猪废水化学需氧量高达500mg/L以上时仍生长较好［１７］,但牟氏角毛藻对有机物的利用较低［２０］。本试验消毒组较低的氮去除率可能也受此影响。(4)废水滞留时间,藻类一般在3~5d可达到较好的去除效果［１６，２０］。在本试验中也发现,4d是藻类生长的重要时间结点,过短或过长均会影响处理效果。(5)由本试验结果看,预处理养殖废水能满足微藻的生长,但处理方法不仅影响微藻生长,还影响微藻去除硝酸氮的效果。研究这些影响因素有助于提高藻种筛选的针对性。4发展海水养殖产业的水环境有利于解决产业与环境之间的矛盾我国对海水养殖废水排放问题还未引起足够的重视