螺旋藻凈化畜牧業(yè)放流水之研究課件

1、 旋藻淨(jìng)化畜牧業(yè)放水之研究 一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法 本實(shí)驗(yàn)所使用的藻種源為旋藻，取自於臺(tái)南海事學(xué)院，因?yàn)樵逶词艿江h(huán)境中其他藻種的污染，尤其以顫藻的污染最為嚴(yán)重，因此本研究首先將混合的藻種進(jìn)分與純化，再將純化的藻種以分子生物的技術(shù)進(jìn)鑑定，後續(xù)以人工配製的BG-11培養(yǎng)基與畜牧場(chǎng)的出水進(jìn)藻種培養(yǎng)，以解純化的藻種對(duì)培養(yǎng)液中氮、磷的移除效果。實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如圖1所示。 1.1旋藻純化與鑑定 1.藻種純化 本研究以為吸管法進(jìn)藻種的純化，用自製的微吸管，一端接上特製乳膠軟管，再使用顯微鏡和玻璃製微吸管之毛細(xì)現(xiàn)象吸取純目標(biāo)旋藻，續(xù)用BG-11培養(yǎng)基清洗並分出純旋藻，然後存放入含有3 mL BG-11之10 mL試管中

2、，培養(yǎng)約1星期後，再以顯微鏡觀察進(jìn)確認(rèn)。 2.旋藻鑑定和DNA定序 本研究以分子生物的技術(shù)進(jìn)純選藻鑑定，首先萃取藻體的DNA，再以細(xì)菌專(zhuān)用的引子(primer)，以聚合配鎖反應(yīng)(polymeras chain reaction，PCR)進(jìn)DNA複製，再以16S rDNA分子選殖( clone )實(shí)驗(yàn)，選擇適當(dāng)?shù)膭偃渭?xì)胞，插入藻體的DNA片段，最後委託明欣生物科技有限公司與成大核酸實(shí)驗(yàn)室，用核酸自動(dòng)定序儀(PE/ABI337 Sequencer)定序。3.純?cè)宕笈囵B(yǎng) 本研究使用人工配製的BG-11培養(yǎng)基與養(yǎng)牛場(chǎng)與養(yǎng)場(chǎng)三階段式處過(guò)的出水進(jìn)選藻的大培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為28恆溫，光照態(tài)分別為12小時(shí)照光與

3、12小時(shí)照光， 另提供空氣以補(bǔ)充二氧化碳。BG-11培養(yǎng)基成份如表1，由表中可發(fā)現(xiàn)氮源有NO3-N (247 mg/L)與微的銨氮(NH4+-N)；磷源為正磷酸鹽 (5 mg/L PO43-P)，滅菌卻後pH調(diào)整為7.4。 本研究所使用的畜牧出水取自於臺(tái)南某養(yǎng)場(chǎng)和屏東某養(yǎng)牛場(chǎng)三階段處設(shè)施的出水，其中場(chǎng)出水水體氨氮含高達(dá)580 mg/L導(dǎo)致旋藻死亡，所以將原水稀釋2倍和4倍再培養(yǎng)旋藻，牛場(chǎng)則直接以出水培養(yǎng)旋藻。 4.水質(zhì)分析 培養(yǎng)過(guò)程，為解旋藻的生長(zhǎng)情況，進(jìn)相關(guān)的水質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)的方法與頻表入下： 三、結(jié)果與討 3.1 BG-11培養(yǎng)基中之旋藻淨(jìng)化效分析1.濁、素a、pH之分析結(jié)果 旋藻在BG-1

4、1培養(yǎng)基中生長(zhǎng)期間之濁和素a變化，第0天到第14天之生長(zhǎng)期，濁由32.1 NTU增加到151 NTU，增為原的4.7倍，每天約增加7.7 NTU，素a由154 g/L增加到1220g /L，增為原的7.7倍，每天增加約77g/L 。 第14天到21天穩(wěn)定期，濁維持在151 NTU，素a維持在1220.3g/L 1184.8g/L。第24天進(jìn)入死滅期，濁和素a開(kāi)始逐漸下。旋藻在BG-11培養(yǎng)基中生長(zhǎng)期間之pH值，從第0天至第7天pH值微上升，第7天呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)，pH值維持在11.49到11.74之間，呈現(xiàn)鹼性。 2.正磷酸鹽分析結(jié)果 圖2為旋藻在BG-11培養(yǎng)基生長(zhǎng)期間磷酸鹽的變化，從第0天到第3

5、0天，去除達(dá)98，由此可旋藻對(duì)於正磷酸鹽的移除能佳。 3.氮鹽分析結(jié)果 圖3為旋藻在BG-11培養(yǎng)基中生長(zhǎng)期間之氨氮濃變化，第0天到第5天，下達(dá)100，而在水體pH大於9的情況，NH4+-N會(huì)以NH3 氣體出，所以此處的NH4+-N低應(yīng)是氨氣散的結(jié)果。 圖4為旋藻在BG-11培養(yǎng)基生長(zhǎng)期間之硝酸氮濃分析結(jié)果，從第0天到第5天硝酸氮濃維持在248 mg/L，然而第5天後硝酸氮濃逐漸減少到第30天硝酸氮濃為213.2 mg/L，去除為14，由此可以發(fā)現(xiàn)旋藻第0天第5天為適應(yīng)期，第5天後開(kāi)始生長(zhǎng)與繁殖，因生長(zhǎng)需以硝酸氮為氮源，所以旋藻對(duì)硝酸氮的移除能是顯著的。 3.2 場(chǎng)出水之旋藻淨(jìng)化效分析1.濁與

6、pH分析結(jié)果 出水稀釋2倍和4倍之濁的變化情形，稀釋2倍出水之濁，從第7天到第30天逐漸增加，由33.1 NTU增加到136 NTU，每天增加約4.6 NTU。稀釋4倍出水之濁從第7天到第30天也是逐漸增加，由17.1 NTU增加到 123 NTU，每天增加約5.1 NTU。 稀釋2倍出水之pH值從第7天到第14天逐漸下，由9.2下到5.6。稀釋4倍出水，pH值從第0天到第10天逐漸下，由8.5下到6.3。 2.總COD分析結(jié)果 圖5為稀釋2倍出水，COD從第16天到第30天逐漸上升，由264 mg/L上升到752 mg/L，每天增加33 mg/L；稀釋4倍出水，COD從第10天到第30天逐漸

7、增加，由272 mg/L增加到880 mg/L，每天增加34 mg/L。 由於硝化作用的關(guān)係，稀釋2倍出水，pH值在第9天到第16天，pH值低於8，圖中也發(fā)現(xiàn)總COD在16天以後開(kāi)始增加，稀釋4倍出水，pH值在第0天到第10天，由8.5下到6.3，而總COD也是在第10天以後開(kāi)始增加。 3.溶解性COD分析結(jié)果 圖6顯示未添加旋藻稀釋2倍出水溶解性COD從第0天到第30天逐漸下，下為16。添加旋藻稀釋2倍出水溶解性COD從第0天到第30天逐漸下，下為66.7；添加旋藻稀釋4倍出水，溶解性COD從第0天到第30天逐漸下，下為43.5。旋藻培養(yǎng)於照光的環(huán)境時(shí)，無(wú)法用無(wú)機(jī)碳源，而是以有機(jī)碳源做為基質(zhì)

8、(Chojnacka and Noworyta，2004)，因而導(dǎo)致溶解性COD下。 圖中可對(duì)照組(稀釋2倍出水未添加旋藻)放置30天後，溶解性COD只解16，應(yīng)是培養(yǎng)液中的營(yíng)性細(xì)菌所消耗的碳源。 4.正磷酸鹽分析結(jié)果 圖7為稀釋2倍出水正磷酸鹽濃從第7天到第14天逐漸增加，由前述pH值和總COD的分析，推測(cè)這段期間旋藻的生長(zhǎng)是受到抑制，也可以推測(cè)在此期間旋藻之?dāng)z磷速，及分解菌解有機(jī)磷的速，因而導(dǎo)致磷酸鹽的濃上升，而陳國(guó)誠(chéng)(1996)研究也指出在生物處廢水的時(shí)候，大部份的有機(jī)磷化合物及大多複合磷酸鹽會(huì)被轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，稀釋2倍出水，在第14天後正磷酸鹽濃開(kāi)始下到第30天，由32.5 mg/L下

9、到 1.1 mg/L，下為96.6 。 然而由圖中顯示稀釋4倍出水，正磷酸鹽濃從第0天到第7天維持在4.64.8 mg/L未明顯增加，是否因?yàn)橄♂屘?，?dǎo)致分解菌解有機(jī)磷的速太慢， 使得磷酸鹽濃變化顯著，值得深究，稀釋4倍出水，在第7天後正磷酸鹽濃開(kāi)始下到第30天，由4.76 mg/L下到 1.3 mg/L，下為73 。由前述可知旋藻在BG-11培養(yǎng)基移除磷的效能佳，此處亦可旋藻對(duì)於場(chǎng)出水中的正磷酸鹽亦有高的移除能。 5.氮鹽分析結(jié)果 稀釋2倍和稀釋4倍出水，因?yàn)榉峭惶焖鶔?cǎi)取之水樣，而導(dǎo)致初始的氮鹽濃同。由圖8得知稀釋2倍出水，氨氮從第0天開(kāi)始下到第14天，濃由 261 mg/L下到 0 m

10、g/L，而亞硝酸氮與硝酸氮隨著氨氮的低而逐漸上升，亞硝酸氮在第21天後開(kāi)始明顯下，在第14天顯然亞硝酸氮轉(zhuǎn)化成硝酸氮的作用受到抑制。 由前述pH值在第14天時(shí)到5.6，硝酸菌無(wú)法在如此低的pH值進(jìn)轉(zhuǎn)化作用，導(dǎo)致亞硝酸氮濃維持在 79 mg/l，而當(dāng)?shù)?8天後，pH值明顯回升後，第二階段的硝化作用才開(kāi)始進(jìn)。(第一階段為NH4+硝化為NO2-，第二階段為NO2- 硝化為NO3-)。 Yeh C.T. et al.(2006)指出在特定的環(huán)境條件下，氨氮在光照或是黑暗環(huán)境下，旋藻生長(zhǎng)會(huì)受到抑制且生長(zhǎng)好。 Converti et al.(2006)探討旋藻解銨子及素的效能，研究指出是氯化銨或是素氮源最

11、高界濃24 mg/L，並會(huì)對(duì)旋藻造成抑制作用。Rangel-Yagni et al. (2004)研究指出半批式添加素於旋藻培養(yǎng)系統(tǒng)，素濃500 mg/L(233 N mg/L)，但因素再被用以前才會(huì)水解成銨子，所以會(huì)積銨子造成抑制作用，與本研究在培養(yǎng)初期，氨氮就高達(dá)261 mg/L 有所同。 本系統(tǒng)培養(yǎng)初期，pH值增高於9，可能有部份銨子變成氨氣出，但是當(dāng)pH值小於9，應(yīng)該是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸與硝酸，由亞硝酸氮與硝酸氮的濃增加，可證實(shí)硝化作用的發(fā)生，但是旋藻是否直接用氨氮做為氮源，在本研究無(wú)法證實(shí)。 圖9為稀釋4倍出水氮鹽濃變化情形，發(fā)現(xiàn)第0天亞硝酸濃比氨氮高，由此可以得知當(dāng)天場(chǎng)出水，

12、硝化反應(yīng)已在水體內(nèi)進(jìn)，在培養(yǎng)旋藻後，氨氮開(kāi)始下至第21天為，亞硝酸氮在14天後急速往下，導(dǎo)致硝酸氮急速上升。稀釋2倍出水，總無(wú)機(jī)氮鹽(銨氮+亞硝酸氮+硝酸氮)下為61.2，稀釋4倍出水，下為24。 3.3牛場(chǎng)出水之旋藻淨(jìng)化效分析1.基本水質(zhì)分析結(jié)果 養(yǎng)牛場(chǎng)出水培養(yǎng)旋藻之濁從第0天到第30天逐漸增加，由88.7 NTU增加到147 NTU。出水pH值從第0天到第30天逐漸上升，由6.8增加到8.1，牛場(chǎng)廢水在出前，因大曝氣在好氧態(tài)下，硝化反應(yīng)在水體中已經(jīng)趨近於完成，此外因牛的中約有三分之一屬於牧草，排泄物中的氨氮含也少於場(chǎng)，因此牛場(chǎng)出水pH值會(huì)受到硝化作用的影響，而水體中CO2被旋藻用後，pH值

13、會(huì)逐漸增加。 總COD濃從第0天到第30天逐漸上升，由680 mg/L增加到1440 mg/L，每天約增加25.1 mg/L，由此可知旋藻的生長(zhǎng)是顯而的。溶解性COD濃從第0天到第30天逐漸下，由360 mg/L下到160 mg/L，下為56，明顯高於對(duì)照組，應(yīng)是旋藻於黑暗環(huán)境，使用有機(jī)碳為基質(zhì)所導(dǎo)致的結(jié)果。 2.正磷酸鹽分析結(jié)果 圖10顯示出水未添加旋藻，對(duì)照組正磷酸鹽濃從第0天到第30天逐漸下，由39 mg/L下到37 mg/L，下為 5。牛場(chǎng)出水添加旋藻，正磷酸鹽濃從第0天到第30天逐漸下，由38.2 mg/L下到5.6 mg/L，下為85.3，由此又再一次証實(shí)旋藻對(duì)水體中磷酸鹽的移除能

14、。 3.氮鹽分析結(jié)果 硝酸氮濃從第0天到第30天逐漸上升，由232.2 mg/L上升到257 mg/L，牛場(chǎng)出水之總無(wú)機(jī)氮鹽，濃由234.4 mg/L增加到257 mg/L，而氨氮與亞硝酸氮濃趨近於，由此可以發(fā)現(xiàn)旋藻似乎未用水體中的硝酸氮做為氮源。 Faucher et al.(1997)研究Spirulina platensis氮源之用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)氨態(tài)氮吸收最快，其次為亞硝酸氮，再次為硝酸態(tài)氮，而氏(2008)指出藻在吸收硝酸鹽是一種耗能過(guò)程，在照光、CO2或其他碳源存在下可促近硝酸鹽的用， 而素則經(jīng)由水解成NH4+，而為藻細(xì)胞所用。上述的相關(guān)研究，以人工培養(yǎng)基添加同的氮源所進(jìn)的試驗(yàn)，相較之下本研究的培養(yǎng)系統(tǒng)，採(cǎi)用畜牧業(yè)出水，是較複雜的基質(zhì)，養(yǎng)出水高氨態(tài)氮伴隨硝化作用，釐清旋藻對(duì)氮源的用順序，而養(yǎng)牛出水氮源以硝酸態(tài)氮為主，但分析結(jié)果，硝酸態(tài)氮幾乎未被消耗，但BG-11培養(yǎng)系統(tǒng)在無(wú)其他氮源存在下，硝酸態(tài)氮會(huì)被旋藻所用，由此可以推測(cè)牛場(chǎng)出水應(yīng)有其他氮源(如素)存在能被旋藻所用，亦或是旋藻有固氮的作用，值得再深入研究。 結(jié)本研究用旋藻生長(zhǎng)之基本條件，移除三段式廢水處後之放水中高濃氮、磷。研究結(jié)如下所述。1. BG-11培養(yǎng)基中正磷酸鹽的濃，去除可以達(dá)到98，硝酸氮濃去除為14，旋藻對(duì)硝酸氮的移除有顯著的能。 2.豬場(chǎng)出水稀釋2倍培養(yǎng)旋藻，溶解性COD從第0天到第