利用啤酒廢水培養(yǎng)極大螺旋藻

王鈺舟，楊 雷，張景來，蘇仁杰，陳 龍，王婧超

（1. 中國人民大學 環(huán)境學院，北京 100872；2. 北京藍寶酒業(yè)有限公司，北京 102407）

啤酒工業(yè)的規(guī)模化發(fā)展導致大量高濃度有機廢水的產生。啤酒廢水水質變化較大，富含糖類、氨基酸、蛋白質等有機污染物及鉀、鈣、鎂的硅酸鹽、磷酸鹽等無機污染物，屬較高濃度有機廢水。該廢水雖無毒，但直接排放易導致水體的重度污染。但另一方面，該廢水可生化性好（BOD5/COD＞0.3），因此可作為良好的微生物培養(yǎng)基進行資源化利用［1］。

螺旋藻（Spirulinasp.）是一種水生光合放氧的多細胞原核生物，富含蛋白質、維生素、不飽和脂肪酸、多糖和礦物質，具有極其重要的營養(yǎng)、藥理及能源化等開發(fā)利用價值。自Oswald［2］提出采用微藻處理污水以來，國內外各研究機構紛紛開展了利用廢水培養(yǎng)微藻的研究［3-13］。啤酒廢水作為一種高濃度有機廢水近年來也成為廢水培養(yǎng)微藻技術的研究熱點。目前的研究都停留在小試階段，主要通過對廢水進行稀釋并添加一定量的營養(yǎng)物質配成廢水培養(yǎng)基，以探索適宜微藻生長的各種理化條件，而對廢水水質對螺旋藻生長影響的研究相對缺乏。

本工作選用極大螺旋藻（Spirulina maxima）為藻種，進行啤酒廢水的螺旋藻培養(yǎng)實驗，主要目標是通過對培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件進行優(yōu)化，探索一種適合啤酒廢水規(guī)?；囵B(yǎng)螺旋藻的技術。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

NaOH，Na2NO3，Na2HPO4·12H2O：分析純。

極大螺旋藻：中國科學院水生生物研究所，采用SP培養(yǎng)基純種培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度（30±0.1）℃，光照度3 000 lx，光照周期12 h（明）：12 h（暗）。SP培養(yǎng)基的組成（ρ，g/L）：NaHCO313.61，NaCO34.03，K2HPO40.50，Na2HPO4·12H2O 2.50，K2SO41.00，NaCl 1.00，MgSO4·7H2O 0.20，CaCl2·H2O 0.04，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.01，微量元素溶液 1 m L/L，pH=9～10。

啤酒廢水取自北京某啤酒生產廠，經滅菌、稀釋后作為廢水培養(yǎng)基。啤酒廢水的水質見表1。

表1 啤酒廢水的水質 mg/L

721型可見分光光度計：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；CTL-12型化學需氧量速測儀：承德市華通環(huán)保儀器有限公司；LX-1010B型數(shù)字式照度計：深圳佳信儀器儀表貿易有限公司；PHS-25型pH計：上海精科儀器設備有限公司；JPB-607A型便攜式溶解氧測定儀：上海雷磁儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 極大螺旋藻的培養(yǎng)

在1 L錐形瓶中加入 600 m L啤酒廢水，用NaOH調節(jié)廢水pH至9.50，以50 mg/L的接種量加入極大螺旋藻，置于光照度3 000 lx、培養(yǎng)溫度30 ℃的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天測定藻生物量（每m L培養(yǎng)液中極大螺旋藻的質量，以干重計）及離心水樣的COD、TN或TP，以COD去除率達到最大值時為一個培養(yǎng)周期。

1.2.2 生長條件實驗

分別以稀釋至不同初始COD的廢水作為培養(yǎng)基，在光照周期為12 h（明）∶12 h（暗）的條件下培養(yǎng)極大螺旋藻10 d，考察初始COD對極大螺旋藻生長的影響。以SP培養(yǎng)基作為對照。

以稀釋至適宜的初始COD的廢水為培養(yǎng)基，通過氮氣吹脫或曝氣的方式改變廢水的DO，分別在連續(xù)光照及黑暗條件下培養(yǎng)極大螺旋藻5 d，考察光照及DO對極大螺旋藻生長的影響。

以稀釋至適宜的初始COD的廢水為培養(yǎng)基，分別以2.5∶1，5∶1，15∶1，25∶1，35∶1的碳氮質量比添加NaNO3，在光照周期為12 h（明）∶12 h（暗）的條件下培養(yǎng)極大螺旋藻3 d，考察氮元素對極大螺旋藻生長的影響。以不添加NaNO3的相同廢水培養(yǎng)基作為對照。

以稀釋至適宜初始COD的廢水為培養(yǎng)基，根據(jù)一定的碳氮質量比添加氮元素，再添加Na2HPO4·12H2O，使廢水培養(yǎng)基中氮磷質量比分別為2.5∶1，5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，在光照周期為12 h（明）∶12 h（暗）的條件下培養(yǎng)極大螺旋藻3 d，考察磷元素對極大螺旋藻生長的影響。以不添加Na2HPO4·12H2O的相同廢水培養(yǎng)基作為對照。

1.3 分析方法

藻生物量的測定采用分光光度計測定560 nm處培養(yǎng)液的吸光度，根據(jù)標準曲線計算培養(yǎng)液中極大螺旋藻的質量濃度（以干重計）。COD的測定采用快速消解分光光度法［14］。TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［15］。TP的測定采用鉬酸銨分光光度法［16］。的測定采用紫外分光光度法［17］。的測定采用分光光度法［18］。光照度的測定采用照度計。pH的測定采用pH計。DO的測定采用便攜式溶解氧測定儀。

2 結果與討論

2.1 初始COD對極大螺旋藻生長的影響

在DO=4 mg/L、碳氮磷質量比為598∶8.5∶1的條件下，初始COD對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖1。由圖1a可見：在初始COD為1 400 mg/L時，極大螺旋藻快速生長1～3 d后，藻生物量不斷下降，直至藻種死亡；在初始COD為700，350，175 mg/L時，極大螺旋藻的生長狀況較為相似，始終處于增長模式，且當初始COD為700 mg/L時最好?？赡艿脑蚴歉邼舛绕【茝U水培養(yǎng)基顏色深，隨著極大螺旋藻的快速繁殖，廢水的透光性減弱，抑制了極大螺旋藻的進一步生長。由圖1b可見：初始COD為1 400 mg/L時廢水COD去除率最高僅為45.47%，而初始COD為700 mg/L時廢水COD去除率最高可達88.69%。原因是過高的COD破壞了極大螺旋藻自養(yǎng)生長和異養(yǎng)生長之間的平衡機制，使極大螺旋藻在僅利用廢水中少部分有機物后即開始死亡，說明極大螺旋藻不能在COD過高的廢水中生長。因此，綜合考慮藻生物量和廢水COD去除率，以下實驗采用初始COD為700 mg/L的廢水作為極大螺旋藻的培養(yǎng)基。

圖1 初始COD對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

2.2 DO及光照對極大螺旋藻生長的影響

在初始COD為700 m g/L、碳氮磷質量比為598∶8.5∶1時，光照條件下DO對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖2。由圖2a可見：當DO=2.5 mg/L、培養(yǎng)時間為3 d時，藻生物量最高，達150 mg/L；過高或過低的DO都不利于極大螺旋藻的生長。這是因為在光照條件下，極大螺旋藻的光合自養(yǎng)是一個放氧過程。廢水DO過高時會抑制極大螺旋藻的光合自養(yǎng)過程，而DO過低則不利于極大螺旋藻利用廢水中的有機物進行異養(yǎng)生長。由圖2b可見，各個DO水平下廢水COD去除率的差別并不大，說明廢水培養(yǎng)基的DO水平不會影響極大螺旋藻對廢水中有機物的利用?？赡艿脑蚴荄O水平只影響極大螺旋藻光合作用的能力，而光合作用所產生的氧氣已能滿足極大螺旋藻利用有機物的異養(yǎng)生長。

圖2 光照條件下DO對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

在初始COD為700 mg/L、碳氮磷質量比為598∶8.5∶1時，黑暗條件下DO對藻生物量的影響見表2。由表2可見：在黑暗條件下，極大螺旋藻不能進行厭氧生長，即使在有氧的條件下也會在第二天死亡；但當DO=7.5 mg/L（飽和溶解氧）時，藻生物量可在一天內增長2倍，說明極大螺旋藻能在短時間內利用有機物進行繁殖。以上結果說明：極大螺旋藻能在光照條件下進行混養(yǎng)生長，DO既不宜過高也不宜過低；而在黑暗條件下只能當氧氣充足時在短時間內進行異養(yǎng)生長。

表2 黑暗條件下DO對藻生物量的影響

2.3 添加氮磷營養(yǎng)元素對極大螺旋藻生長的影響

在初始COD為700 mg/L、DO=2.5 mg/L、氮磷質量比為25∶1的條件下，不同碳氮質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖3。由圖3a可見：與對照實驗相比，向廢水培養(yǎng)基中添加一定量的氮元素，培養(yǎng)1 d時極大螺旋藻的生長均加快；培養(yǎng)3 d后，碳氮質量比為15∶1的廢水中極大螺旋藻的生長最快。由圖3b可見，碳氮質量比為15∶1時廢水COD去除率最高。因此，本實驗適宜的碳氮質量比為15∶1。

圖3 不同碳氮質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

在初始COD為700 mg/L、DO=2.5 mg/L、碳氮質量比為15∶1的條件下，不同氮磷質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響見圖4。由圖4a可見：在前2 d的培養(yǎng)中，不同氮磷質量比的廢水中的藻生物量差別較?。坏诘?天時，氮磷質量比為15∶1的廢水中極大螺旋藻生長最快，說明廢水中磷元素含量過低或過高都不適宜極大螺旋藻的生長。由圖4b可見，培養(yǎng)3 d后，不同氮磷質量比的廢水的COD去除率差別也不大，但添加磷元素的廢水的COD去除率均高于對照實驗的結果，這可能是極大螺旋藻利用有機物代謝時主要通過磷酸戊糖途徑，添加磷元素后能加快極大螺旋藻對有機物的利用。因此，本實驗適宜的氮磷質量比為15∶1。

綜上所述，在采用啤酒廢水培養(yǎng)極大螺旋藻時，應以碳氮磷質量比為225∶15∶1的比例添加氮元素和磷元素。

圖4 不同氮磷質量比對藻生物量（a）和廢水COD去除率（b）的影響

2.4 極大螺旋藻的產量及啤酒廢水的處理效果

在實驗確定的最佳條件下用啤酒廢水培養(yǎng)極大螺旋藻，培養(yǎng)3 d后的藻生物量為175.55 mg/L，即極大螺旋藻在啤酒廢水中的產量為175.55 g/t。培養(yǎng)前后啤酒廢水的水質見表3。由表3可見，經過培養(yǎng)極大螺旋藻后，啤酒廢水的各項污染物指標都得到了改善，廢水中COD，TN，NH3-N，NO3-，TP的去除率分別達到85.43%，94.54%，74.66%，94.53%，61.54%。說明利用啤酒廢水培養(yǎng)極大螺旋藻，可在收獲藻體生物資源的同時，對廢水起到一定的凈化作用，雖然不能完全達標排放，但也大幅降低了后續(xù)廢水處理的污染負荷。

表3 培養(yǎng)前后啤酒廢水的水質 mg/L

3 結論

a）啤酒廢水中極大螺旋藻的最佳培養(yǎng)條件：初始COD 700 mg/L，DO 2.5 mg/L，pH= 9.50，添加氮磷元素至培養(yǎng)基的碳氮磷質量比225∶15∶1。

b）在最佳條件下培養(yǎng)3 d，藻生物量達175.55 mg/L，即極大螺旋藻的產量為175.55 g/t；廢水中TP的去除率分別達到85.43%，94.54%，74.66%，94.53%，61.54%。

c）本方法在收獲螺旋藻生物質的同時實現(xiàn)了啤酒廢水的凈化處理，說明利用啤酒廢水培養(yǎng)螺旋藻是一個值得探索的廢水資源化利用方向。

［1］ 鄭愛榕，趙立清，詹力揚，等. 利用啤酒廢水養(yǎng)殖螺旋藻的研究［J］. 海洋科學，2004，28（7）：26-30.

［2］ Oswald W J. Micro-algae and Waste-water Treatment［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1988：305-328.

［3］ Wei Tungchang，Mengshan Lee，Walter Den. Simultaneous carbon capture，biomass production，and diary wastewater purification bySpirulina maximaPhotobioreaction［J］. Ind Eng Chem Res，2013，52（5）：2046-2055.

［4］ Oswald W J，Borowilzka M A. Micro-algal Biotechnology［M］. Cambridge：Cambridge University Press，1988：305.

［5］ Nirmal Renuka，Anjuli Sood，Sachitra K Ratha，et al. Evaluation of microalgal consortia for treatment of primary treated sewage effluent and biomass production［J］. J Appl Phycol，2013，25（5）：1529-1537.

［6］ Biornsson W J，Nicol R W，Dickinson K E，et al.Anaerobic digestates are useful nutrient sources for microalgae cultivation：Functional coupling of energy and biomass production［J］. J Appl Phycol，2013，25（5）：1523-1528.

［7］ Sheyla Santa Isabel Marques，Iracema Andrade Nascimento，Paulo Fernando de Almeida，et al. Grow th ofChlorella vulgarison sugarcane vinasse：The effect of anaerobic digestion pretreatment［J］. Appl Biochem Biotechnol， 2013，171（8）：1933-1943.

［8］ 張紅紅，劉銳，張永明，等. 利用養(yǎng)豬廢水養(yǎng)殖鈍頂螺旋藻及凈化水質初步研究［C］//中國環(huán)境科學學會.中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（2012）. 南寧：中國環(huán)境科學學會，2012：1859-1864.

［9］ 田立丹，王素英. 常見廢水與螺旋藻生長的適配性研究［J］. 水產科學，2011，30（6）：325-330.

［10］ 李玉寶，鄭江，黎中寶，等. 利用沼氣廢液培養(yǎng)螺旋藻［J］. 安徽農業(yè)科學，2011，39（22）：13668 -13670.

［11］ 黃昆，張逸波，黃峙，等. 生活廢水培養(yǎng)螺旋藻（Spirulina platensis）中的營養(yǎng)物質構成［J］. 暨南大學學報：自然科學與醫(yī)學版，2009，30（5）：576 -580.

［12］ 常圓圓. 尿液和城市廢水應用于微藻的培養(yǎng)［D］. 杭州：浙江大學環(huán)境與資源學院，2013.

［13］ 夏旗. 鈍頂螺旋藻對沼液的處理與利用［D］. 重慶：西南大學資源與環(huán)境學院，2011.

［14］ 河北省環(huán)境監(jiān)測中心站. HJ/T 399—2007 水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法［S］. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2007.

［15］ 大連市環(huán)境監(jiān)測中心. HJ 636—2012 水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［S］. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2012.

［16］ 北京市環(huán)保監(jiān)測中心，上海市環(huán)境監(jiān)測中心. GB 11893—1989 水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法［S］. 北京：原國家環(huán)境保護局，1990.

［17］ 原國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. HJ/T 346—2007 水質 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法［S］. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2007.

［18］ 湖北環(huán)境測試中心. GB 7493—1987 水質 亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法［S］. 北京：原國家環(huán)境保護局，1987.

［19］ 中國環(huán)境科學研究院，中國釀酒工業(yè)協(xié)會. GB 19821—2005 啤酒工業(yè)污染物排放標準［S］. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2005.