陳帥行 馬浩天 于杰 徐雯 李潤(rùn)植 崔紅利

摘要：大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖廢水的處理仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題?；谖⒃迮囵B(yǎng)系統(tǒng)不僅能有效凈化畜禽養(yǎng)殖廢水，而且可以極大地降低微藻生物質(zhì)制備成本。但畜禽養(yǎng)殖廢水中通常富含大量的氨氮，抑制了大多數(shù)微藻的生長(zhǎng)，已經(jīng)成為微藻凈化畜禽養(yǎng)殖廢水工藝規(guī)模化應(yīng)用的限制因素。本研究旨在利用芬頓（Fenton）法預(yù)處理雞場(chǎng)沖圈廢水，降低氨氮含量，促進(jìn)微藻有效生長(zhǎng)。以雞場(chǎng)沖圈廢水為研究對(duì)象，測(cè)定其本底組成。利用Fenton法預(yù)處理雞場(chǎng)沖圈廢水降低氨氮濃度，解除高氨氮抑制微藻生長(zhǎng)現(xiàn)象，使斜生柵藻可以生長(zhǎng)。通過(guò)Fenton法預(yù)處理，可以有效降低氨氮的濃度，施用蒸餾水1 ∶ 1稀釋Fenton試劑后柵藻可有效生長(zhǎng)。斜生柵藻無(wú)法在雞場(chǎng)沖圈廢水原液和Fenton法預(yù)處理后的廢水中正常生長(zhǎng)，但預(yù)處理之后經(jīng)過(guò)與水1倍稀釋后生長(zhǎng)良好。這為后續(xù)建立微藻凈化畜禽養(yǎng)殖廢水聯(lián)產(chǎn)微藻產(chǎn)品的生產(chǎn)體系奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：斜生柵藻;雞場(chǎng)沖圈廢水;Fenton氧化法;高氨氮去除;高氨氮廢水

中圖分類號(hào)： X703 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）23-0279-07

隨著國(guó)家政策的支持，我國(guó)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到了快速發(fā)展，大規(guī)模的畜禽養(yǎng)殖已經(jīng)成為我國(guó)的主要發(fā)展方向。在畜禽養(yǎng)殖日常管理中產(chǎn)生過(guò)量的沖圈廢水，而這些廢水中含有大量的難以降解的有機(jī)物，處理不當(dāng)或直接排放將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害[1-2]。

目前我國(guó)處理規(guī)?；笄輳U水有3種主要的基本方法，分別是自然處理模式、好氧處理模式和厭氧處理模式。厭氧發(fā)酵可制備沼氣，造價(jià)低，能耗低，處理過(guò)程不需要氧氣，可以有效去除有機(jī)物，是最常見(jiàn)的處理畜禽沖圈廢水的工藝[3-5]。厭氧發(fā)酵處理反應(yīng)完后會(huì)產(chǎn)生沼渣和沼液，但目前缺乏完善的沼液處理系統(tǒng)，而基于微藻培養(yǎng)系統(tǒng)處理畜禽養(yǎng)殖沼液的工藝是新型、環(huán)境友好型的工藝，目前已經(jīng)引起極大的關(guān)注[6-7]。

由于沼液中的高氨氮含量抑制部分藻種在沼液生長(zhǎng)，導(dǎo)致微藻培養(yǎng)系統(tǒng)處理畜禽養(yǎng)殖沼液的工藝無(wú)法進(jìn)行，嚴(yán)重阻礙了該工藝的應(yīng)用與發(fā)展，因此降低氨氮含量是亟待解決的問(wèn)題[8]。當(dāng)前降低氨氮含量主要的方法是稀釋法和混合法，前者須要消耗大量水，后者盡管不須要消耗水，但依舊存在體積大的缺點(diǎn)，因此必須開(kāi)發(fā)新型的降解高氨氮的方法[9-10]。

新型的芬頓（Fenton）氧化法是通過(guò)硫酸亞鐵和過(guò)氧化氫反應(yīng)生成具有高氧化度的羥基，其可以高效地氧化廢水中富含的有機(jī)物及酚類物質(zhì)[11-15]。通過(guò)Fenton氧化法降解氨氮的文章還未見(jiàn)報(bào)道。本研究使用Fenton氧化法預(yù)處理雞場(chǎng)沖圈廢水降低氨氮含量，優(yōu)化斜生柵藻生長(zhǎng)條件，從而達(dá)到使用雞場(chǎng)沖圈廢水培養(yǎng)柵藻的目的，以期為建立微藻凈化畜禽廢水聯(lián)產(chǎn)高價(jià)值微藻產(chǎn)品的生產(chǎn)工業(yè)體系奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 微藻藻種 本試驗(yàn)所用藻種為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所分離保存的斜生柵藻。

1.1.2 雞場(chǎng)沖圈廢水、純體系高氨氮廢水與BG11培養(yǎng)基 試驗(yàn)所用的含高氨氮的廢水采自山西省太谷縣某養(yǎng)雞場(chǎng)沖圈廢水，經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾2次滅菌備用。使用氯化銨試劑模擬純體系高氨氮廢水。以BG11培養(yǎng)基作為對(duì)照，pH值為7.5，BG11培養(yǎng)基的成分見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 雞場(chǎng)沖圈廢水污染物組分的檢測(cè) 雞場(chǎng)沖圈廢水中總氮和總磷含量分別采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光法和鉬酸氨分光光度計(jì)法測(cè)定?；瘜W(xué)需氧量和氨氮含量分別采用重鉻酸鉀法和納氏試劑分光光度法測(cè)定。

1.2.2 斜生柵藻的培養(yǎng)和生物量的測(cè)量 將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的斜生柵藻接入到含50 mL BG11培養(yǎng)基和滅菌雞場(chǎng)沖圈廢水原液的 150 mL 三角瓶中培養(yǎng)，共2組，使每個(gè)三角瓶中的斜生柵藻細(xì)胞濃度為2.0（D650 nm）。每組處理重復(fù)3次，將三角瓶置于溫度為25 ℃，光照度為4 000 lx，光照—黑暗周期為 16 h—8 h 的光照培養(yǎng)箱中，連續(xù)培養(yǎng)8 d。

1.2.3 純體系高氨氮廢水濃度配比 使用氯化銨試劑，在150 mL三角瓶中分別配制200、400、800、1 200、1 600 mg/L濃度的氨氮，每個(gè)梯度重復(fù)3次，模擬高氨氮條件下，檢測(cè)斜生柵藻可以耐受的氨氮濃度。斜生柵藻接種濃度、培養(yǎng)時(shí)間和環(huán)境同“1.2.2”節(jié)。

1.2.4 Fenton氧化法預(yù)處理雞場(chǎng)沖圈廢水 Fenton試劑配比最佳濃度的篩選：取1 000 mL純體系氨氮廢水置于2 L燒杯中，研究FeSO4和H2O2的不同濃度以及反應(yīng)時(shí)間，分別篩選出FeSO4和H2O2的最佳條件[13-15]，處理純體系高氨氮廢水，反應(yīng)一段時(shí)間后，測(cè)量其吸光度，計(jì)算出溶液中剩余氨氮的濃度;雞場(chǎng)沖圈廢水經(jīng)Fenton法預(yù)處理后，過(guò)濾2次去除絮凝物，直接作為斜生柵藻培養(yǎng)基。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次，使用DPS 軟件LSD法分析試驗(yàn)結(jié)果在0.05水平上的差異顯著性，使用Origin 8.0軟件繪制統(tǒng)計(jì)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 雞場(chǎng)沖圈廢水中主要污染物及含量

雞場(chǎng)沖圈廢水原液中主要污染物檢測(cè)結(jié)果顯示，pH值為7.5左右，養(yǎng)雞場(chǎng)廢水中的NH3-N含量極高（表2）。

2.2 斜生柵藻在雞場(chǎng)沖圈廢水中的生長(zhǎng)表型

連續(xù)8 d對(duì)斜生柵藻在雞場(chǎng)沖圈廢水原液（CW）和 BG11 培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)表型進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示，培養(yǎng)3 d后，柵藻在雞場(chǎng)沖圈廢水中的細(xì)胞濃度略低于在BG11 培養(yǎng)基中的細(xì)胞濃度，但均呈上升的趨勢(shì)，之后，柵藻在 BG11 培養(yǎng)基中生長(zhǎng)迅速，而在雞場(chǎng)沖圈廢水原液中無(wú)法正常生長(zhǎng)，呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，推測(cè)可能是由于雞場(chǎng)沖圈廢水中氨氮濃度過(guò)高，且雞場(chǎng)沖圈廢水固體懸浮物密度高，透光率差，光合作用受到影響，從而抑制柵藻的生長(zhǎng)。羅龍?jiān)淼妊芯堪l(fā)現(xiàn)，小球藻在含有250 mg/L氨氮的廢水中生長(zhǎng)受到抑制，當(dāng)氨氮濃度低于130 mg/L時(shí)才可以存活[16]。因此推測(cè)雞場(chǎng)沖圈廢水中高氨氮濃度是抑制柵藻生長(zhǎng)的根本原因。

2.3 斜生柵藻耐受氨氮的最高濃度

由于柵藻無(wú)法在雞場(chǎng)沖圈廢水原液中生長(zhǎng)，推測(cè)是氨氮濃度過(guò)高抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，使用氯化銨試劑模擬配制5個(gè)不同濃度梯度的氨氮廢水，檢測(cè)柵藻細(xì)胞耐受氨氮的最大濃度。由圖2可知，藻細(xì)胞在氨氮含量為800、1 200、1 600 mg/L 3組中生物量緩慢下降，可能是氨氮濃度過(guò)高引起藻細(xì)胞死亡所致。而400 mg/L和200 mg/L處理組，藻細(xì)胞生物量在培養(yǎng)1 d后呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，在培養(yǎng)的后7天生物量逐漸提高，與BG11處理組相比較，200 mg/L組的生物量在8 d后開(kāi)始接近 BG11 組，而400 mg/L組中的生物量生長(zhǎng)緩慢，說(shuō)明在其培養(yǎng)1 d后藻細(xì)胞受氨氮濃度的抑制，從第2天開(kāi)始恢復(fù)正常生長(zhǎng)，結(jié)果說(shuō)明柵藻細(xì)胞可以耐受的最大氨氮濃度為 400 mg/L。因此，須通過(guò)Fenton法降低氨氮含量。

2.3 Fenton試劑的最佳條件

2.3.1 Fe2+濃度的摸索 室溫下，在氨氮濃度為 1 600 mg/L，pH值為5.5，H2O2濃度為30 mg/L，反應(yīng)時(shí)間為60 min的條件下，觀察 Fenton 試劑對(duì)氨氮的處理效果。從圖3可以看出，當(dāng) Fe2+濃度小于 20 mg/L 時(shí)，隨著鐵離子含量的增加氨氮的去除率越高，原因是 Fe2+作為催化劑，可以加速反應(yīng)的進(jìn)行，催化 H2O2生成 OH·，當(dāng)Fe2+濃度大于20 mg/L時(shí)，它還原 H2O2 的同時(shí)，自身氧化為 Fe3+，不僅消耗H2O2，而且還抑制 OH·的產(chǎn)生，增加水色度，因此高濃度的 Fe2+和OH· 的產(chǎn)生并不成正比，氨氮的去除率最高達(dá)到 40%，所以最佳的 Fe2+濃度為20 mg/L （P<0.05）。

2.3.2 H2O2 濃度的摸索 室溫下，在氨氮的濃度為1 600 mg/L，pH值為5.5，F(xiàn)eSO4 的濃度為20 mg/L，反應(yīng)時(shí)間為60 min的條件下觀察H2O2濃度對(duì)氨氮去除能力的影響。如圖4所示，隨著H2O2濃度的增加，氨氮的去除率也在逐漸增加，這是因?yàn)?0 mg/L的 Fe2+和低濃度的 H2O2 反應(yīng)，一部分 Fe2+催化 H2O2 產(chǎn)生 OH·?多余的 Fe2+被氧化為 Fe3+?消耗H2O2的同時(shí)抑制 OH· 的產(chǎn)生，隨著 H2O2 含量的增加，F(xiàn)e2+的利用率提高，催化H2O2產(chǎn)生更多的OH·，因此氨氮的去除率也隨之增加，H2O2濃度為200 mL/L時(shí)氨氮去除率最高，氨氮的含量接近為0。所以最佳的H2O2 濃度為200 mL/L （P<0.05）。

2.3.3 反應(yīng)時(shí)間的摸索 室溫下，在氨氮的初始濃度為1 600 mg/L，H2O2 濃度為50 mL/L，F(xiàn)e2+濃度為20 mg/L，pH值 為 5.5的條件下，考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)Fenton試劑去除氨氮的影響。如圖5所示，F(xiàn)enton 試劑反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)氨氮去除率可達(dá)到80%，反映50 min時(shí)氨氮去除率可達(dá)到98%，因此最佳反應(yīng)時(shí)間為50 min（P<0.05）。

2.3.4 反應(yīng)pH值的摸索 室溫條件下，當(dāng)氨氮的初始濃度為1 600 mg/L，H2O2 濃度為50 mL/L，F(xiàn)e2+濃度為20 mg/L，反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)檢測(cè)pH值對(duì)Fenton 試劑去除氨氮的影響。如圖6所示，當(dāng)pH值為3時(shí)剩余氨氮含量幾乎為0，去除率可達(dá)到95%以上，隨著pH值增加不利于OH·的產(chǎn)生，氨氮去除率逐漸下降，所以最佳的反應(yīng)pH值為3（P<0.05）。

2.3.5 反應(yīng)溫度的摸索 室溫條件下，當(dāng)氨氮的濃度為1 600 mg/L，H2O2 濃度為50 mL/L，F(xiàn)e2+濃度為20 mg/L，反應(yīng)時(shí)間為60 min，pH值為3，考察溫度對(duì) Fenton 試劑去除氨氮的影響。如圖7所示，F(xiàn)enton 試劑在環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)氨氮去除率即可達(dá)到95%，氨氮?dú)堄嗔繛?9 mg/L，25、35、45、55、65、75℃區(qū)間溫度越高，去除氨氮的效果越差，剩余氨氮含量越高。

2.4 Fenton試劑對(duì)雞場(chǎng)沖圈廢水的處理影響

選擇 Fenton 試劑的最佳條件值，檢測(cè)對(duì)不同濃度氨氮的去除效果，分別選擇200、400、 800、1 200、1 600 mg/L等5個(gè)梯度的氨氮濃度，由圖8可以看出200 mg/L和400 mg/L氨氮組的氨氮含量剩余低于30 mg/L，800、1 200、1 600 mg/L 3組的氨氮剩余量低于40 mg/L（P<0.05），相比最初值，去除率均接近100%。

2.5 使用 Fenton試劑處理的雞場(chǎng)沖圈廢水培養(yǎng)斜生柵藻

使用 Fenton 試劑的最佳值處理雞場(chǎng)沖圈廢水（CW）后，培養(yǎng)柵藻細(xì)胞。由圖9可知，1～3 d后生物量緩慢上升，從第4天開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，而B(niǎo)G11組的呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。推測(cè)可能是 Fenton 試劑反應(yīng)完后剩余的 H2O2 抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，而 H2O2具有高度的氧化性，可以氧化廢水中的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，因此，剩余的過(guò)氧化氫可以氧化藻細(xì)胞。李娟等研究過(guò)氧化氫對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)及損傷效應(yīng)表明，H2O2是一種潛在的除藻劑，會(huì)對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生不同程度的毒害作用，H2O2濃度越大，毒害作用越大，H2O2本身分解也只產(chǎn)生水和氧氣，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可以用來(lái)殺滅水體中的銅綠微囊藻[17]。因此在此基礎(chǔ)上篩選藻細(xì)胞耐受H2O2 的最高濃度。

2.6 柵藻耐受 H2O2 的濃度

推測(cè) Fenton 試劑反應(yīng)結(jié)束后，剩余 H2O2的存在會(huì)抑制柵藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，因此，設(shè)計(jì)5、10、30、50、100、150 mL/L等6個(gè) H2O2 梯度濃度，檢測(cè)柵藻細(xì)胞耐受H2O2的最高濃度。從圖10看出，除BG11組外其他組的藻細(xì)胞生物量均呈負(fù)增長(zhǎng)，5、10、30、50 mL/L H2O2組生物量下降緩慢，無(wú)上升趨勢(shì)。其中100、150 mL/L組的藻細(xì)胞生物量藻前3 d迅速下降并接近于0，說(shuō)明H2O2的濃度越高，柵藻細(xì)胞的凋亡的速度就越快。圖11 顯示，隨著 H2O2含量的增加，去除氨氮的效果也越明顯，盡管含有5、10、30、50 mL/L H2O2 的 Fenton 試劑去除氨氮的效率明顯，但剩余的氨氮濃度過(guò)高，仍然抑制柵藻的生長(zhǎng);100、150 mg/L H2O2組氨氮的去除率分別為75%、92%（P<0.05），但反應(yīng)完過(guò)后仍殘存有H2O2，藻細(xì)胞被剩余的 H2O2 氧化致死。

2.7 柵藻在1 ∶ 1稀釋Fenton試劑處理雞場(chǎng)沖圈廢水后的生長(zhǎng)情況

圖12為使用蒸餾水對(duì)原來(lái)的5個(gè) H2O2梯度做1 ∶ 1稀釋，除 BG11 組和50 mL/L組正常生長(zhǎng)，其余組的生物量均呈下降趨勢(shì)。由圖13可知，除50、100、150 mL/L等3組的氨氮含量低于400 mg/L外，其他組氨氮剩余量均在400 mg/L以上。且 100 mL/L 組剩余的氨氮含量低于200 mg/L，150 mg/L 組的氨氮含量接近為0，2組在圖12中卻顯示生物量呈下降趨勢(shì)，推測(cè)通過(guò)1 ∶ 1稀釋后剩余的氨氮含量無(wú)法抑制柵藻生長(zhǎng)，反應(yīng)過(guò)后剩余的H2O2 卻抑制柵藻細(xì)胞生長(zhǎng)。而在含50 mL/L H2O2 的Fenton條件下，通過(guò)1 ∶ 1稀釋后柵藻細(xì)胞可以正常生長(zhǎng)，并吸收利用廢水中剩余的無(wú)機(jī)物及有機(jī)物。推測(cè)可能是因?yàn)?1 ∶ 1 稀釋后氨氮和 H2O2 濃度均下降至藻細(xì)胞可以耐受的水平。

3 討論與結(jié)論

現(xiàn)如今集約式畜禽的大規(guī)模養(yǎng)殖發(fā)展迅速，日常產(chǎn)生的畜禽沖圈廢水體積較大，而廢水中含有大量的有機(jī)物無(wú)法快速降解，廢水凈化不達(dá)標(biāo)或直接排放，隨著時(shí)間的積累對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[18-23]。目前處理畜禽沖圈廢水多使用化學(xué)法和物理法，前者會(huì)造成二次污染，后者設(shè)備昂貴，運(yùn)行成本高。生物法是一個(gè)低成本的可行方案，基于微藻體系凈化雞場(chǎng)沖圈廢水是當(dāng)今較為受關(guān)注的工藝，不僅管理方便、成本低廉，還可以聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)，但由于雞場(chǎng)沖圈廢水中氨氮含量過(guò)高，固體懸浮物過(guò)多影響光照度，因此，微藻無(wú)法直接在原液中生存，須要進(jìn)行預(yù)處理才可以生長(zhǎng)[24-26]。

傳統(tǒng)的微藻凈化畜禽廢水均是通過(guò)倍數(shù)稀釋后才可以生長(zhǎng)，例如Gonzlez等利用藻菌系統(tǒng)凈化豬場(chǎng)廢水，發(fā)現(xiàn)微藻無(wú)法在原液中直接生存，也無(wú)法在2倍稀釋廢水中生長(zhǎng)，推測(cè)可能是較高的氨氮濃度抑制了柵藻的生長(zhǎng)[27]。楊闖等通過(guò)沼液培養(yǎng)小球藻1周后發(fā)現(xiàn)，在25%濃度沼液中培養(yǎng)小球藻，其生物量高于在50%、100%濃度沼液中培養(yǎng)的生物量[28]。馬浩天等通過(guò)將埃氏小球藻接種于雞場(chǎng)廢水中，無(wú)法直接生長(zhǎng)，2倍稀釋后仍受到抑制，4倍稀釋后小球藻可以快速生長(zhǎng)[29]。高倍數(shù)稀釋廢水雖然可以起到培養(yǎng)微藻凈化廢水的作用，但同時(shí)也浪費(fèi)了有限的水資源，造成處理量大的問(wèn)題。而本試驗(yàn)中通過(guò) Fenton 法預(yù)處理雞場(chǎng)廢水后，1 ∶ 1稀釋后斜生柵藻就可以生長(zhǎng)。

Fenton 法預(yù)處理雞場(chǎng)沖圈廢水可以有效處理降低氨氮含量和固體懸浮物，雞場(chǎng)廢水與蒸餾水1 ∶ 1稀釋后微藻可以穩(wěn)定生長(zhǎng)，達(dá)到獲得生物質(zhì)的目的。Fenton 氧化法的實(shí)質(zhì)是H2O2 在 Fe2+的催化作用下生成 OH·，OH· 具有較強(qiáng)的氧化能力，因此對(duì)傳統(tǒng)的難以降解的有機(jī)物可以有效地氧化[30-32]。Fenton氧化法在反應(yīng)過(guò)程中H2O2含量的高低影響著后期培養(yǎng)微藻的生物量的高低，如圖12所示，低濃度（5、10、30 mL/L） H2O2在1 ∶ 1稀釋后柵藻仍無(wú)法生長(zhǎng)，推測(cè)可能是 H2O2 的含量過(guò)低，去除氨氮的效率低，氨氮的剩余含量過(guò)高，抑制了藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，高濃度（100、150 mL/L） H2O2 含量在反應(yīng)完之后，殘存著剩余的 H2O2，剩余的 H2O2 氧化藻細(xì)胞，使柵藻細(xì)胞無(wú)法生長(zhǎng)。只有50 mL/L H2O2處理組在處理完廢水后，可以培養(yǎng)柵藻細(xì)胞，推測(cè)可能是1 ∶ 1稀釋后，50 mL/L H2O2反應(yīng)完后完全消解或剩余的濃度不足以抑制藻細(xì)胞。

總之，本研究表明，F(xiàn)enton 法能夠有效降低雞場(chǎng)沖圈廢水中氨氮含量，優(yōu)化柵藻生長(zhǎng)環(huán)境，1 ∶ 1稀釋下柵藻可有效生長(zhǎng)。這為在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中建立兼顧水資源節(jié)約、環(huán)保、高效凈化畜禽廢水工程以及聯(lián)產(chǎn)生物燃油優(yōu)化工藝提供了科學(xué)參考。

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