非灭菌光发酵嗜硫原始红藻高效去除工业废水中铵根的补糖模式优化

余建英; 朱宝君; 魏东

doi:10.12030/j.cjee.202111124

非灭菌光发酵嗜硫原始红藻高效去除工业废水中铵根的补糖模式优化

华南理工大学食品科学与工程学院，广州 510640

作者简介: 余建英（1997—），男，硕士研究生，244582085@qq.com

通讯作者: 魏东(1966—)，男，博士，教授，fewd304@scut.edu.cn

基金项目:
广东省基础与应用基础研究重点项目(2019B1515120002)；中国石化催化剂有限公司科技项目(36100002-19-FW2099-0035)
中图分类号: X703.1

Optimization of glucose feeding mode for high-efficient ammonium removal from industrial wastewater by non-sterile photo-fermentation of Galdieria sulphuraria

School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

Corresponding author: WEI Dong, fewd304@scut.edu.cn

摘要: 使用高氨氮工业废水配制混养培养基，在5 L光发酵罐中对嗜硫原始红藻(Galdieria sulphuraria)进行非灭菌条件下的分批和补料分批培养，通过比较间歇补糖和连续流加补糖模式，优化确定了生物量高产率、高 ${{\rm{NH}}_4^ +}$ 去除速率的补糖模式。结果表明，2种模式均能促进生物量生产和 ${{\rm{NH}}_4^ +}$ 的去除，其中C/N为2.5~5.0的连续流加补糖是最佳补糖模式。在此模式下，最高 ${{\rm{NH}}_4^ + }$ 去除速率达到1 529.25 mg·(L·d)⁻¹，最终生物量质量浓度、蛋白质和藻蓝蛋白(PC)含量分别为92.30 g·L⁻¹、42.29%和1.76 mg·g⁻¹，比12 h间歇补糖模式(最高 ${{\rm{NH}}_4^ +}$ 去除速率为1 234.38 mg·(L·d)⁻¹，生物量质量浓度为89.55 g·L⁻¹，蛋白质和PC含量为别为38.32%和1.66 mg·g⁻¹)分别提高了23.89%、3.07%、10.36%和6.02%，葡萄糖消耗量也显著降低。以上构建的基于优化补糖模式的非灭菌光发酵技术能有效促进嗜硫原始红藻生物量生产，可实现废水中 ${{\rm{NH}}_4^ + }$ 的高效去除并联产蛋白质，从而达到废水高效脱氮、资源化利用和降本增效等多重目的。
- 嗜硫原始红藻 /
- 非灭菌光发酵 /
- 高氨氮废水 /
- 铵根去除 /
- 葡萄糖补加
Abstract: In this study, the batch and fed-batch cultures of G. sulphuraria were carried out in the mixotrophic medium prepared from non-sterile high-ammonium industrial wastewater in 5 L photo-fermenter. The optimized feeding mode of glucose was achieved by comparative study of intermittent and continuous glucose feeding for high-yield biomass production with high ${\rm{NH}}_4^ +$ removal rate. The results indicated that both feeding modes could enhance biomass production and ${\rm{NH}}_4^ +$ removal, of which the continuous feeding mode with C/N ratio of 2.5~5.0 was selected as the optimal mode. Under this mode, the maximal ${\rm{NH}}_4^ +$ > removal rate was 1 529.25 mg·(L·d)⁻¹, the final biomass concentration, protein and PC content were 92.30 g·L⁻¹, 42.29% and 1.76 mg·g⁻¹, respectively, which were 23.89%, 3.07%, 10.36% and 6.02% higher than those of intermittent glucose feeding mode with operation time of 12 h: maximum ${\rm{NH}}_4^ +$ removal rate of 1 234.38 mg·(L·d)⁻¹, biomass concentration of 89.55 g·L⁻¹, protein content of 38.32%, PC content of 1.66 mg·g⁻¹, respectively. The amount of glucose consumption also decreased significantly. The developed non-sterile photo-fermentation technology based on the optimal glucose feeding mode in this study was effective to enhance the biomass production of G. sulphuraria and achieve the high-effective ${\rm{NH}}_4^ +$ removal with coproduction of protein, which could meet the multiple purpose of high-effective ${\rm{NH}}_4^ +$ removal from wastewater, resource utilization and lowing cost with enhancing efficiency.
- Galdieria sulphuraria /
- non-sterile photo-fermentation /
- high-ammonium wastewater /
- ammonium removal /
- glucose supplementation

图 1 5 L光发酵罐实验装置图

Figure 1. Schematic diagram of 5 L photo-fermenter

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图 2 两种补糖模式的比较图

Figure 2. Comparison of two feeding modes of glucose

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图 3 间歇补糖模式下细胞生长、生物量生产和pH变化

Figure 3. Cell growth, biomass production and pH change under intermittent feeding mode of glucose

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图 4 间歇补糖模式下废水培养基中 ${\rm{NH}}_4^ +$ 质量浓度、葡萄糖质量浓度和溶解氧变化

Figure 4. Changes of ${\rm{NH}}_4^ +$ , glucose concentration and dissolved oxygen in wastewater medium under intermittent feeding mode of glucose

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图 5 间歇补糖模式下藻粉中粗蛋白和藻胆蛋白含量

Figure 5. Raw protein and phycobiliprotein content in biomass under intermittent feeding mode of glucose

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图 6 连续流加补糖模式下细胞生长、生物量生产和pH变化

Figure 6. Cell growth, biomass production and pH change under continuous feeding mode of glucose

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图 7 连续流加补糖模式下废水培养基中 ${\rm{NH}}_4^ +$ 质量浓度、C/N和溶解氧变化

Figure 7. Changes of ${\rm{NH}}_4^ +$ concentration, C/N ratio and dissolved oxygen in wastewater medium under continuous feeding mode of glucose

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图 8 连续流加补糖模式下藻粉中粗蛋白和藻胆蛋白含量

Figure 8. Raw protein and phycobiliprotein content in biomass under continuous feeding mode of glucose

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表 1 高氨氮工业废水组成成分^[11]

Table 1. Composition of high-ammonium industrial wastewater

组成成分	质量浓度/(mg·L⁻¹)	组成成分	质量浓度/(mg·L⁻¹)
${\rm{NH}}_4^ +$	9 686.00	Zn²⁺	89.98
Na⁺	7 623.00	Mn²⁺	2.48
Mg²⁺	63.49	Co²⁺	0.18
K⁺	363.00	${\rm{PO}}_4^{3 - }$	0.00
Ca²⁺	27.66	${\rm{SO}}_4^{2 - }$	725.10
Cu²⁺	0.21	TOC	32.30

组成成分	质量浓度/(mg·L⁻¹)	组成成分	质量浓度/(mg·L⁻¹)
${\rm{NH}}_4^ +$	9 686.00	Zn²⁺	89.98
Na⁺	7 623.00	Mn²⁺	2.48
Mg²⁺	63.49	Co²⁺	0.18
K⁺	363.00	${\rm{PO}}_4^{3 - }$	0.00
Ca²⁺	27.66	${\rm{SO}}_4^{2 - }$	725.10
Cu²⁺	0.21	TOC	32.30

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表 2 间歇补糖模式下葡萄糖和 ${\rm{NH}}_4^ +$ 的相关参数

Table 2. Parameters of glucose and ${\rm{NH}}_4^ +$ under intermittent feeding mode of glucose

补糖间隔时间/h	葡萄糖消耗速率/( g·(L·d)⁻¹)	${\rm{NH}}_4^ +$ 初始质量浓度/(mg·L⁻¹)	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除率/%	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除速率/( mg·(L·d)⁻¹)	同化系数Y_N/G/(mg·g⁻¹)
12(第1批次)	27.04±0.11^b	5 070. 00±30.00^a	100.00±0.00^a	1 234. 38±3.13^a	45.64±0.07^a
12(第2批次)	40.26±0.38^a	5 290. 00±5.00^a	96.60±0.57^b	1 022. 00±5.00^b	25.39±0.12^b
24	17.18±0.05^c	5 195. 00±155.00^a	88.49±0.39^c	766.25±25.42^c	44.59±1.35^a
注：^a-c同一列不同字母代表均值之间的显著性差异(P<0.05)；Y_N/G表示每消耗单位葡萄糖对应同化 ${\rm{NH}}_4^ +$ 的量。

补糖间隔时间/h	葡萄糖消耗速率/( g·(L·d)⁻¹)	${\rm{NH}}_4^ +$ 初始质量浓度/(mg·L⁻¹)	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除率/%	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除速率/( mg·(L·d)⁻¹)	同化系数Y_N/G/(mg·g⁻¹)
12(第1批次)	27.04±0.11^b	5 070. 00±30.00^a	100.00±0.00^a	1 234. 38±3.13^a	45.64±0.07^a
12(第2批次)	40.26±0.38^a	5 290. 00±5.00^a	96.60±0.57^b	1 022. 00±5.00^b	25.39±0.12^b
24	17.18±0.05^c	5 195. 00±155.00^a	88.49±0.39^c	766.25±25.42^c	44.59±1.35^a
注：^a-c同一列不同字母代表均值之间的显著性差异(P<0.05)；Y_N/G表示每消耗单位葡萄糖对应同化 ${\rm{NH}}_4^ +$ 的量。

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表 3 间歇补糖模式下粗蛋白和藻胆蛋白生产

Table 3. Raw protein and phycobiliprotein production under intermittent feeding mode of glucose

补糖间隔时间/h	粗蛋白		藻胆蛋白(PBP)		藻蓝蛋白(PC)
补糖间隔时间/h	产量/(g·L⁻¹)	产率/( g·(L·d)⁻¹)	产量/(mg·L⁻¹)	产率/( mg·(L·d)⁻¹)	产量/(mg·L⁻¹)	产率/( mg·(L·d)⁻¹)
12(第1批次)	22.39±0.02^a	4.98±0.00^a	120.17±7.13^a	26.70±1.58^a	87.29±6.76^a	19.40±1.50^a
12(第2批次)	21.83±0.03^a	4.37±0.03^b	67.40±33.03^a	13.48±6.61^a	25.54±10.22^b	4.91±2.04^b
24	21.79±0.53^a	3.63±0.09^c	139.13±1.07^a	23.19±0.18^a	89.10±2.20^a	14.85±0.37^a
注：^a-c同一列不同字母代表均值之间的差异显著(P<0.05)。

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表 4 连续流加补糖模式下细胞生长和生物量生产

Table 4. Cell growth and biomass production under continuous feeding mode of glucose

C/N	批次	比生长速率/d⁻¹	生物量产率/( g·(L·d)⁻¹)
2.5~5.0	第1批次	0.59±0.00^a	17.24±0.11^a
2.5~5.0	第2批次	0.23±0.00^c	15.37±0.15^b
0~2.5	第1批次	0.52±0.00^b	15.05±0.01^b
0~2.5	第2批次	0.22±0.00^c	14.07±0.06^c
注：^a-c同一列不同字母代表均值之间的差异显著(P<0.05)。

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表 5 连续流加补糖模式下葡萄糖和 ${\rm{NH}}_4^ +$ 的相关参数

Table 5. Parameters of glucose and ${\rm{NH}}_4^ +$ under continuous feeding mode of glucose

C/N	批次	葡萄糖消耗速率/( g·(L·d)^-1)	${\rm{NH}}_4^ +$ 初始质量浓度/(mg·L^-1)	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除率/%	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除速率/( mg·(L·d)^-1)	同化系数Y_N/G/(mg·g^-1)
2.5~5.0	第1批次	32.54±0.00^c	4 850. 00±25.00^b	99.95±0.05^a	1 204. 38±5.63^c	37.02±0.17^a
2.5~5.0	第2批次	42.84±0.03^b	5 237. 50±7.50^a	99.00±0.14^c	1 529. 25±5.25^a	35.70±0.10^b
0~2.5	第1批次	32.20±0.00^d	4 937. 50±37.50^b	100.00±0.00^a	1 150. 49±8.74^d	35.73±0.27^b
0~2.5	第2批次	47.16±0.00^a	5 290. 00±20.00^a	99.48±0.14^b	1 419. 10±3.37^b	30.09±0.07^c
注：^a-d同一列不同字母代表均值之间的差异显著(P<0.05)；Y_N/G表示每消耗单位葡萄糖对应同化NH₄⁺的量。

C/N	批次	葡萄糖消耗速率/( g·(L·d)^-1)	${\rm{NH}}_4^ +$ 初始质量浓度/(mg·L^-1)	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除率/%	${\rm{NH}}_4^ +$ 去除速率/( mg·(L·d)^-1)	同化系数Y_N/G/(mg·g^-1)
2.5~5.0	第1批次	32.54±0.00^c	4 850. 00±25.00^b	99.95±0.05^a	1 204. 38±5.63^c	37.02±0.17^a
2.5~5.0	第2批次	42.84±0.03^b	5 237. 50±7.50^a	99.00±0.14^c	1 529. 25±5.25^a	35.70±0.10^b
0~2.5	第1批次	32.20±0.00^d	4 937. 50±37.50^b	100.00±0.00^a	1 150. 49±8.74^d	35.73±0.27^b
0~2.5	第2批次	47.16±0.00^a	5 290. 00±20.00^a	99.48±0.14^b	1 419. 10±3.37^b	30.09±0.07^c
注：^a-d同一列不同字母代表均值之间的差异显著(P<0.05)；Y_N/G表示每消耗单位葡萄糖对应同化NH₄⁺的量。

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表 6 连续流加补糖模式下粗蛋白和藻胆蛋白生产

Table 6. Raw protein and phycobiliprotein production under continuous feeding mode of glucose

C/N	批次	粗蛋白		藻胆蛋白(PBP)		藻蓝蛋白(PC)
C/N	批次	产量/(g·L⁻¹)	产率/( g·(L·d)⁻¹)	产量/(mg·L⁻¹)	产率/( mg·(L·d)⁻¹)	产量/(mg·L⁻¹)	产率/( mg·(L·d)⁻¹)
2.5~5.0	第1批次	21.64±0.07^b	5.19±0.02^c	156.61±0.77^b	37.59±0.18^a	109.21±0.99^b	26.21±0.24^a
2.5~5.0	第2批次	26.55±0.06^a	6.93±0.02^a	80.19±4.89^c	20.92±1.27^b	38.94±1.28^c	10.16±0.34^b
0~2.5	第1批次	20.21±0.06^c	4.71±0.01^d	170.37±3.92^a	39.70±0.91^a	118.85±1.53^a	27.69±0.36^a
0~2.5	第2批次	20.85±0.31^c	5.62±0.08^b	66.79±0.96^d	18.01±0.26^b	27.11±1.95^d	7.31±0.53^c
注：^a-d同一列不同字母代表均值之间的差异显著(P<0.05)。

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2019年我国废水总氮和氨氮排放量分别为117.6×10⁴ t和46.3×10⁴ t，其中工业源废水的总氮和氨氮排放量分别为13.4×10⁴ t和3.5×10⁴ t ^[1]。虽然占比不大，但氨氮废水成分复杂、生态毒性大，深度处理和资源化利用难度极高^[2]，排放至水体中可造成富营养化等多重生态危害。基于微藻培养的废水处理技术是依靠微藻代谢过程将废水中的碳氮磷硫等污染物作为生长必需的营养物，从而转化为微藻生物质和高附加值产物，有望在实现废水处理的同时产生经济效益，具有高效、低耗和绿色、可持续的优势，成为氨氮废水深度处理和资源循环利用技术领域的研究热点^[3-7]。

嗜硫原始红藻(Galdieria sulphuraria)作为一种极端环境来源的单细胞微藻，具有极度耐酸、耐高温、耐高氨氮、耐高盐和耐重金属离子等突出生理特性，还可合成高价值的耐热型藻蓝蛋白(Phycocyanin，PC)^[8-9]。有研究表明，嗜硫原始红藻可有效去除市政污水、厨余酶解液和工业废水中的氨氮，并可联产高蛋白(主要是藻蓝蛋白)，表明该藻在废水处理和资源化利用领域极具应用潜力^[10-14]。采用非灭菌的市政废水连续流加培养Galdieria sulphuraria CCMEE 5587. 1，可在去除氨氮的同时抑制粪肠球菌和大肠杆菌等致病菌的繁殖，表明该藻在非灭菌条件下处理废水可大大降低运行成本^[12]，提升水体安全性。最近，本团队在非灭菌光发酵系统中，利用混养Galdieria sulphuraria UTEX 2919处理高氨氮工业废水( ${\rm{NH}}_4^ +$ 质量浓度为3 360~5 540 mg·L⁻¹)，发现在补料分批培养模式下控制葡萄糖的补加，可将 ${\rm{NH}}_4^ +$ 去除速率显著提高到1.71 g·(L·d)^−1[11,15]。在调节葡萄糖添加量以优化培养基C/N后，发现C/N为6时细胞生长、 ${\rm{NH}}_4^ +$ 去除速率和藻胆蛋白(Phycobiliprotein，PBP)合成都比C/N为9、12和16时显著提高，表明低C/N有利于铵氮同化、生物质和蛋白生产^[11]。因此，进一步优化葡萄糖补加模式以维持低C/N，可避免碳源补充过量导致高C/N，有利于氨氮的快速去除并降低碳源成本，这对于非灭菌光发酵体系降本增效尤为重要。目前尚未有此类报道，值得深入研究。

为强化铵根去除并联产高蛋白生物质的技术体系、降低碳源成本，本研究针对5 L光发酵罐中的非灭菌光发酵过程，分别采用间歇补糖和连续流加补糖模式，系统比较了其对细胞生长、铵根去除速率、蛋白质合成和藻胆蛋白积累的影响，以期为今后高氨氮废水的高效处理和资源化利用提供参考。

非灭菌光发酵嗜硫原始红藻高效去除工业废水中铵根的补糖模式优化

作者简介: 余建英（1997—），男，硕士研究生，244582085@qq.com

通讯作者: 魏东(1966—)，男，博士，教授，fewd304@scut.edu.cn