重要环境因子对小球藻去除污水中氮磷的影响

周连宁, 吴 锋, 赵振业, 王 波*

1.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司, 深圳 518057;2.深圳市海岸与大气研究重点实验室, 深圳 518057

重要环境因子对小球藻去除污水中氮磷的影响

周连宁1,2, 吴 锋1, 赵振业1,2, 王 波1*

1.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司, 深圳 518057;2.深圳市海岸与大气研究重点实验室, 深圳 518057

对小球藻去除污水中氮磷的性能进行了研究，考察了初始氮磷浓度、氮磷比、光照条件和pH等因素对其去除效率的影响。结果表明，在初始氮磷浓度分别在35 mg/L和7 mg/L以下时去除率接近100%；氮磷比为5∶1和10∶1，小球藻第4 d基本完全去除了污水中的氨态氮，而氮磷比对小球藻的除磷能力没有显著影响；在初始氨态氮或总磷浓度相同的条件下，光照条件(L/D为24 h∶0 h和12 h∶12 h)对氮磷去除效果的无明显差异性(P>0.05)，而随着氮磷浓度的增加，连续光照条件逐渐展现出去除氮磷的优势；小球藻在pH 7～8范围内对氨态氮的去除率最佳，pH 5～7范围内，对总磷的去除率最佳。

小球藻；氨态氮；总磷；污水处理

随着工业进步和社会发展，水污染问题日趋严重，水体富营养化现象不断发生，其根本原因之一是水体氮、磷含量超标[1]。目前，废水二级处理后出水的进一步脱氮和除磷问题已成为国内外研究的热点。传统的生化二级脱氮除磷工艺的脱氮率一般约为20%～50%，除磷率为20%～30%，且使大量的磷从污水中转移到剩余污泥中，导致出水氮、磷的含量大大超过了富营养化的临界浓度[2]，不能从根本上消除氮、磷对生态环境的影响，因此必须进一步进行脱氮除磷处理。

藻类为自养型生物，其生长对废水中的营养要求较低，主要以光能为能源，可利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质，因此藻类可降低水体中氮、磷的含量。Oswald 等[3]研究发现利用藻类可以去除污水中的氮、磷营养物质以及释放氧气供好氧微生物分解生长代谢所需[4]。小球藻(Chlorellavularis)是绿藻小球藻科中的一个重要属，种类繁多，能适应于不同的生长环境[5]。小球藻是水体中的初级生产者，营养价值较高，可作为鱼类等水生动物的饵料，在污染物沿食物链传递的过程中起着重要作用[6]。同时，小球藻具有吸收、消耗水体环境中的氮、磷等营养物质以及吸附重金属元素的功能[7]，因而能净化污染的水体。吕福荣等[8]研究发现，不同氮磷组合浓度对小球藻吸收氮、磷有一定影响，在最佳pH为8.0～8.5的条件下，吸收率可达80%，同时也验证了小球藻具有高效的脱氮除磷能力。本实验对小球藻在污水中氮磷净化性能及相关重要影响因子进行研究，以期为生物治理水体污染提供参考，为实现高效原生态的污水治理提供基础。

1 材料与方法

1.1 藻种

小球藻(Chlorellavularis)(菌株编号:FACH B-8)购自中国科学院(武汉)水生生物研究所淡水藻种库(藻种保藏号:CGMCC No.1448)，为本实验室保藏。

1.2 培养基

BG11培养基(blue-green medium)：NaNO31 500 mg/L，MgSO4·7H2O 75 mg/L，CaCl2·2H2O 36 mg/L，柠檬酸 6 mg/L，Na2EDTA 1 mg/L，柠檬酸铁铵 6 mg/L，Na2CO320 mg/L，K2HPO4·H2O 40 mg/L，微量元素成分(A5，trace mental solution)：ZnSO4·7H2O 0.222 mg/L、CuSO4·7H2O 0.079 mg/L、MnCl4·4H2O 1.81 mg/L、Na2MoO4·2H2O 0.39 mg/L、Co(NO3)2·6H2O 0.049 mg/L、H3BO32.86 mg/L。pH 7.1。

1.3 人工污水

1.4 小球藻预培养

无菌条件下，挑选保存于平板上且生长良好的单一藻株接入BG11液体培养基中，在25(±1)℃、2 000 lx持续光照条件下进行逐级扩大培养，以满足后续实验所需。将处于对数生长期的藻种在4 000 r/min下离心5 min，收集浓缩藻液并测定藻细胞浓度备用。

1.5 藻细胞吸收氮、磷性能研究

取干净的1 L锥形瓶若干个，分别加入预先配置的人工污水500 mL，以及适量浓缩藻液，使每组实验条件下初始藻种浓度控制在105个/mL左右，通过改变初始氮、磷浓度、氮磷比、光暗比和pH等实验条件，考察各因素对小球藻去除氮磷的影响。每组实验设置3个平行实验，取平均值作为最终实验结果。本实验于25(±1)℃、光强为2 000 lx 条件下于光照培养箱内进行，每24 h测量藻液各项指标。

1.6 水质指标测定

2 结果与分析

2.1 初始氮、磷浓度对小球藻吸收氮、磷的影响

初始氮、磷浓度对小球藻吸收氮、磷的影响结果见图1和图2。

图1 初始氨态氮浓度对小球藻去除氨态氮的影响Fig.1 Effects of initial concentrations on removal of by Chlorella vularis.

由图2 可见，前1～2 d各处理的TP去除率均低于10%； 2 d以后，TP去除率急剧增加，到第5 d时，各处理组TP去除率均高于80%，且初始浓度高于1.0 mg/L时，TP去除率均高于90%，且随着浓度的升高，去除率也升高，初始浓度为7.0 mg/L时，TP去除率达到95.3%。随着时间的延长，至第7 d，可完全去除污水中的TP。上述结果表明，小球藻具有良好的去除总磷的能力，可达到我国城镇污水处理厂一级A排放标准(TP≤0.5 mg/L)。小球藻对总磷的去除呈现先缓慢后急剧增加的现象，推测是由于小球藻接种到新的环境需要一个适应期，此期间生长缓慢，对TP的吸收较少，但到第2 d后，小球藻达到生长旺盛期，对TP的需求也迅速增加。

2.2 氮磷比对小球藻吸收氮、磷的影响

本实验考察了3个不同氮磷比下(5∶1，10∶1，25∶1)小球藻对氮、磷的去除情况，结果见图3和图4。从图3 的结果看，当初始总磷浓度为3 mg/L时，5∶1和10∶1氮磷比条件下，小球藻细胞在第4 d时就几乎完全去除了污水中的氨态氮。但是，氮磷比升高到25∶1时，小球藻对氨态氮的吸收出现很大异常，到第7 d氨态氮去除率才达到53.1%。这可能是由于随着氮磷比的增加，相对较少的磷成为处理效果的限制因素。

图2 初始磷浓度对小球藻去除总磷的影响Fig.2 Effects of initial TP concentrations on removal of TP by Chlorella vularis.

图3 氮磷比对小球藻去除氨态氮的影响Fig.3 Effects of N/P ratios on removal of by Chlorella vularis.

由图4可见，当初始氨态氮浓度为25 mg/L时，3种不同的氮磷比条件下，小球菌在第5 d基本都实现对总磷的完全吸收，表明小球藻在不同的氮磷比下都可保持较强的磷吸收能力。氮磷比分别为5∶1和10∶1时，两实验组对氨态氮和总磷的去除效果差异性均不显著(P>0.05)，表明低氮磷比对小球藻氨态氮和总磷去除效果影响不大。

2.3 光照条件对小球藻吸收氮磷的影响

为考察光照条件对小球藻去除氮、磷的影响，采取了2种光照方式，即连续24 h光照和12 h∶12 h光暗交替，光照强度均为2 000 lx，结果见图5。小球藻在两种不同光照条件下对氨态氮和总磷的去除基本发生在前5 d，不同光照条件下引起的差异主要体现在降解速率上。统计分析发现，在相同氨态氮浓度或相同总磷浓度条件下，不同光照条件对氮、磷去除效果的影响无明显差异(P>0.05)。氨态氮和总磷浓度升高时，连续光照条件下小球藻对氮磷的降解明显快于光暗交替情况，但随着处理时间的延长，这种差异逐渐缩小。

图4 氮磷比对小球藻去除总磷的影响Fig.4 Effects of N/P ratios on removal of TP by Chlorella vularis.

图5 光暗比对小球藻去除氨态氮(A)和总磷(B)的影响Fig.5 Effects of L/D ratios on removal of and TP(B) by Chlorella vularis.

2.4 pH对小球藻吸收氮、磷的影响

pH不仅可通过引起细胞膜电荷变化和影响营养物离子化程度来影响微生物对营养物的吸收，而且还影响细胞内多种酶的活性[12]，因此pH是影响藻类有关生长代谢等许多生理过程的另一重要因子[13]。本实验研究了pH对小球藻去除氨、氮的影响，结果见如图6。对氨态氮的去除方面，当pH为7～8时，小球藻在第6 d基本能去除污水中的氨态氮，去除效果最佳；在pH为9时，氨态氮浓度出现先减少后又逐渐增加的异常现象，可能是由于起始阶段小球藻生长代谢吸收部分氨态氮，但到了第4 d环境逐渐变得不适宜生长，甚至出现小球藻的大量死亡，迫使细胞内的氨态氮释放到外界环境，从而引起pH的反弹现象，并且在pH为8和9时，小球藻对去除氨态氮的效果具有显著差异(P<0.05)。对总磷的去除方面，当pH为5～7时，小球藻对总磷的去除效果最佳；当pH>8时，小球藻去除污水中总磷的量只有50%，且随着pH的升高，藻细胞对总磷的去除率逐渐降低，但是小球藻在不同pH下对总磷去除效果没有显著差异(P>0.05)。结果表明，小球藻在最适宜生长的pH范围内才能保证有较高的氮、磷去除率。

图6 pH对小球藻去除氨态氮(A)和总磷(B)的影响Fig.6 Effects of pH on removal of and TP(B) by Chlorella vularis.

3 讨论

藻类对氮、磷的去除效率不仅与污水中氮磷的初始浓度有关，同时也受到污水中氮磷比的影响。Kunikanes等[16]发现适宜于藻类生长的氮磷比为7∶1～15∶1，氮磷比< 5∶1时就会引起氮限制，而当氮磷比> 40∶1则会引起磷限制。丰茂武等[17]研究发现，藻类最佳生长条件为氮磷比40∶1，藻类生长取决于氮的质量浓度。在本研究中，当初始总磷浓度为3 mg/L，5∶1和10∶1氮磷比的条件下，小球藻细胞在第4 d时就几乎完全去除了污水中的氨态氮；当初始氨态氮浓度为25 mg/L时，三种不同的氮磷比对小球藻的除磷能力几乎没有影响。因此，在较适宜小球藻生长的条件下，能够很好地实现污水中氮磷的有效去除。

小球藻的光合能力高于其他植物10倍以上，基于这种生命活力及产生的高能营养物质，被人们赞美为“罐装的太阳”。因此研究光照条件对小球藻吸收氮磷的影响是必要的。在氨态氮或总磷浓度相同时，2种光照条件(L/D分别为24 h∶0 h和12 h∶12 h)对氮磷的去除效果无显著差异，而随着氮、磷浓度的增加，连续光照逐渐展现出优势。Lee等[18]的研究表明，在连续光照(24 h∶ 0 h)和光暗交替(12 h∶12 h) 2种条件下，小球藻Chorellakessleri对磷的去除效率均不高，但光暗交替条件下的磷去除率略高于连续光照，这与本实验的结果不同，可能由于藻种的不同而引起实验结果的差异。光暗交替的光照方式实际是自然环境光照的模拟，虽然这种光照方式下小球藻对高浓度氮磷的降解速率不及连续光照，但考虑到实际废水中氨态氮的初始浓度一般达不到本实验涉及的最大浓度，因此这种在降解速率上的差异应该不会影响到实际应用，并且考虑到污水处理的节能环保问题，采用光暗交替的处理方式有一定的优势，而小球藻处理生活污水的最佳光暗处理条件还有待进一步研究。小球藻只有在适宜的pH范围之内才有利于对污水中的氨态氮去除，pH在7～8范围内小球藻对氨态氮的去除率最佳。pH在5～7范围时，小球藻对总磷的去除率最佳。考虑到小球藻细胞的生长会导致pH的升高，在实际处理过程中就应对废水的pH变化进行适当监控。

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Effects of Environmental Factors on Nitrogen and Phosphorus Removal byChlorellavularisin Wastewater

ZHOU Lian-ning1,2, WU Feng1, ZHAO Zhen-ye1,2, WANG Bo1*

1.IEREnvironmentalProtectionEngineeringTechniqueCo.,Ltd.,Shenzhen518057,China;2.ShenzhenCoastandAtmosphericResearchLaboratory,Shenzhen518057,China

2014-11-07; 接受日期：2014-11-14

深圳市战略新兴产业发展专项资金项目(CXZZ20120618111150009;ZDSY20120618162015166)资助。

周连宁，硕士，主要从事环境生物技术研究。E-mail：z.l.ning@163.com。*通信作者：王波，高级工程师，主要从事环境生物技术研究。E-mail:wb@ierec.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.01.09