氮磷比及饥饿度对藻类膜脱氮除磷能力的影响

魏　群，陈延飞，李晓伟，涂晓杰，蔡元妃，朱宇轩，周　军

(1.广西大学环境学院， 广西南宁530004； 2.广西高校环境保护重点实验室， 广西南宁530004;3.河海大学文天学院， 安徽马鞍山243031)



氮磷比及饥饿度对藻类膜脱氮除磷能力的影响

魏群1,2，陈延飞1，李晓伟1，涂晓杰1，蔡元妃3，朱宇轩1，周军1

(1.广西大学环境学院， 广西南宁530004； 2.广西高校环境保护重点实验室， 广西南宁530004;3.河海大学文天学院， 安徽马鞍山243031)

摘要：为研究氮磷比及饥饿度对藻类膜脱氮除磷能力的影响，在室温(25±2) ℃、约3500 lx的连续光照条件下，以水华鱼腥藻(Anabaena flos-aquae)为藻种，立体弹性聚氯乙烯为载体制备藻类膜，对5种氮磷比(5∶1、10∶1、16∶1、20∶1、30∶1)及饥饿条件(0、1、2、4、7 d)进行为期6 d的污水处理实验。结果表明： 氮磷比实验中，氮磷比为20∶1实验组藻类膜生物量最大，为3.875×106个/mL，藻类膜对的去除率最高，分别为87.32%、90.57%；在最佳氮磷比为20∶1条件下，饥饿2 d实验组藻类膜生物量最大，为3.75×106个/mL，藻类膜对的去除率最高，分别为88.80%、84.29%。

关键词：藻类膜；氮磷比；饥饿度；氨氮；总磷

随着研究的不断深入，藻类处理氮磷污水的经济性与可行性得到证实[1-5]。藻类主要包括悬浮态藻类、固定化藻类和藻类膜等，其应用方式多样。藻类膜是一种新型的生物脱氮除磷技术，借助一定的挂膜载体可大幅提高单位面积藻类生物量，增强藻类光合吸收、富集转化水中氮磷等营养物质和有毒有害物质的能力。国内外研究者开展温度、光照、pH等因素对藻类脱氮除磷影响的研究[6-8]，取得了一定的成果。然而，对于氮磷比与饥饿度对藻类膜脱氮除磷能力的相关研究较少。不同藻类对氮磷比的需求不用，Bulgakov等[9]对绿球藻目(Chlorococcales)4种藻的实验室研究表明，当m(N)/m(P)为3.5时小球藻(Chlorellavulgaris)为优势藻种，而当m(N)/m(P) 为20时四尾栅藻 (Scenedesmusquadricauda)为优势藻种。毛书端等[10]利用固定化藻菌系统处理模拟废水，发现系统最佳氮磷比和碳氮比分别为5∶1和35∶1。汤会军等[11]的研究表明，饥饿处理3 d的栅藻恢复培养5 d后对TN、TP的去除率分别提高24.4%、60.2%。本实验以水华鱼腥藻(Anabaenaflos-aquae)为挂膜藻种，立体弹性聚氯乙烯为挂膜载体，着重探讨氮磷比及饥饿度对水华鱼腥藻藻类膜脱氮除磷能力的影响，旨在为藻类膜在水处理领域的应用提供一定的理论基础。

1材料与方法

1.1实验藻种与载体

实验藻种为水华鱼腥藻(Anabaenaflos-aquae)，购自中国科学院武汉水生生物所；载体选用立体弹性聚氯乙烯载体，具有亲水性好、比表面积大、生物相容性好、造价低廉等优点，由市场购得；实验所用化学试剂均为分析纯级。

1.2实验培养基与污水

藻类培养选用BG11培养基，其配方(单位为g/L)如下：Na2CO30.02；NaNO31.5；K2HPO40.04；CaCl2·2H2O 0.036；MgSO4·7H2O 0.075；柠檬酸0.006；柠檬酸铁铵0.006；EDTANa20.001；Co(NO3)2·6H2O 0.05；MnCl2·4H2O 1.86；CuSO4·5H2O 0.08；ZnSO4·7H2O 0.22；Na2MoO4·2H2O 0.39；H3BO32.86。 实验污水以BG11培养基为基础，配制无N、P的BG11培养基，添加NH4Cl和K2HPO4作为N源和P源，配制成5种不同氮磷比(5∶1、10∶1、16∶1、20∶1、30∶1)的污水。

1.3实验方法

1.3.1藻类膜培养

将立体弹性聚氯乙烯载体(长度为5 cm)置于2 000 mL烧杯中，填充容量约占烧杯的2/3体积，添加BG11培养基1 200 mL、对数生长期藻液60 mL，在室温(25±2) ℃、连续光照强度约3 500 lx条件下静态培养10 d。

1.3.2实验过程

①氮磷比实验

②饥饿度实验

1.3.3指标测定方法

2结果与讨论

2.1氮磷比及饥饿度对藻类膜生物量生长的影响

藻类膜生物量是藻类膜有效发挥水体净化能力的基础，不同的氮磷比和饥饿度均会影响藻类的生长，继而影响藻类膜的脱氮除磷效果。

图1为不同氮磷比对藻类膜生物量的影响。从图1可知，5种氮磷比条件下，藻类膜生物量在实验第1天的变化并不明显，增量仅在0.055～0.455×106个/mL；随后2 d进入对数增长期；最后3 d，除氮磷比为30∶1实验组外，藻类膜生物量均保持较为明显的增长趋势。实验结束时，氮磷比为20∶1实验组生物量增量最大，由0.750×106个/mL增长到3.875×106个/mL；氮磷比为5∶1实验组藻类膜生物量增量最小，由0.750 ×106个/mL增至1.725 ×106个/mL。

等量(0.750×106个/mL)生长稳定的藻类膜预先用蒸馏水进行饥饿预处理0、1、2、4、7 d，藻类膜生物量在经不同饥饿预处理阶段已发生较为明显的变化，其中，饥饿7 d实验组生物量下降最大，由0.750×106个/mL下降到0.375×106个/mL。图2为不同饥饿处理对藻类膜生物量的影响。从图2可知，将饥饿处理后的藻类膜移至最佳氮磷比为20∶1的实验污水中培养，藻类膜生物量持续上升。实验结束时，饥饿2 d实验组的藻类膜生物量增量最大，由0.700 ×106个/mL增至3.750×106个/mL；饥饿7 d实验组的藻类膜生物量增量最小，由0.375 ×106个/mL增至2.000 ×106个/mL。

氮、磷元素是藻类生长必需的营养因子，不同的氮磷比对藻类生长的影响不同。Redfield定律认为，当氮磷比大于16∶1，磷为藻类生长的限制因子；当氮磷比小于10∶1，氮为藻类生长的限制因子；当氮磷比在10∶1～16∶1时，限制因素不能确定[12]。如图1所示，当氮磷比为30∶1时，藻类膜生物量在第5天出现下降趋势，这可能是由于外部氮营养因子远超藻类膜生长需要所致，此时Redfield 定律并不适用，这与丰茂武等[13]研究的结果一致。饥饿处理消耗藻类细胞内储存的氮、磷元素，当重新将藻类膜置于含氮、磷污水中时，藻类细胞迅速吸收氮、磷元素满足自身生长需求。然而，过度饥饿会导致藻类膜对氮、磷需求量的降低，这是由于过度饥饿可能引起藻类膜细胞结构变性，使藻类细胞生长繁殖的能力变弱或丧失。田丽等[14]对固定化蛋白核小球藻的实验研究也得出了类似结论。

图1不同氮磷比条件下藻类膜生物量增长情况

Fig.1The increase of algal biomass in different N/P ratios

图2不同饥饿处理条件下藻类膜生物量增长情况

Fig.2The increase of algal biomass in different hunger stress

2.2氮磷比及饥饿度对pH与DO的影响

图3为不同氮磷比条件下pH与DO的变化情况。从图3可知，实验第1天，pH均急剧上升，氮磷比为10∶1实验组的pH最大，为9.23，之后各实验组处于小幅度的上下波动状态，且变化值小于1；DO变化与pH类似，第1天均迅速上升，之后开始小幅度的波动，并维持在10.0 mg/L左右。

藻类膜生物量变化是引起pH与DO变化的主要原因。藻类光合作用反应[15]如下：

图4为不同饥饿处理对污水pH与DO的变化情况。从图4可知，pH在实验初期均急剧上升，之后开始呈现不同程度的波动；实验第5天，饥饿2 d实验组pH最大，为9.34；其余饥饿处理条件下pH有一定的波动，但始终维持在8.5以上。此外，DO也迅速升高，之后维持小幅度的上下波动；实验第4天，饥饿2 d实验组DO最大，为11.44 mg/L；其余饥饿处理条件下DO均维持在9.63～11.44 mg/L。藻类膜生物量的变化是引起pH、DO变化的主要原因。结合图2可知，饥饿处理能够提高实验初期藻类细胞的增长速率，表明适当饥饿处理有利于藻类的生长繁殖。

图3氮磷比对污水pH和DO的影响

Fig.3Effect of N/P ratios on pH and DO of wastewater

图4饥饿处理程度对污水pH和DO的影响

Fig.4Effect of hunger degrees on pH and DO of wastewater

2.3氮磷比及饥饿度对藻类膜脱氮除磷能力的影响

图5氮磷比对藻类膜TP和NH+4-N去除能力的影响

Fig.5Effect of N/P ratios on removal rates of TP and NH+4-N by algal biofilm

图6饥饿处理对藻类膜TP和NH+4-N去除能力的影响

Fig.6Effect of hunger degrees on removal efficiencies of TP and NH+4-N by algal biofilm

3结论

①氮磷比与饥饿度均影响藻类膜的生长。在5种氮磷比条件下，氮磷比为20∶1时藻类膜生物量最大，为3.875×106个/mL；在最佳氮磷比为20∶1条件下，饥饿2 d实验组藻类膜生物量最大，为3.750×106个/mL。

参考文献:

[1]AKHTAR N, IQBAL M.Biosorption characteristics of unicellular green alga Chlorella sorokiniana immobilized in loofasponge for removal of Cr(III)[J]. Environmental Sciences, 2008,20(2): 231-239.

[2]WANG B, LAN Q C.Biomass production and nitrogen and phosphorus removal by the green algaNeochlorisoleoabundansin simulated wastewater and secondary municipal wastewater effluent[J]. Bioresource Technology, 2011,102(10):5639-5644.

[3]孔进,张克峰,邢丽贞,等.鞘丝藻和颤藻对污水净化能力的实验研究[J]. 环境科学与管理, 2005,30(5): 39- 40，45.

[4]李川,薛建辉,赵蓉,等.4种固定化藻类对污水中氮的净化能力研究[J]. 环境工程学报, 2009,3(12):2185-2188.

[5]蔡元妃,魏群,郭莉娜，等.六种藻类膜脱氮除磷的实验研究[J]. 广西大学学报(自然科学版),2013,38(3):668-672.

[6]周连宁,吴锋,赵振业.重要环境因子对小球藻去除污水中氮磷的影响[J]. 生物技术发展,2015,5(1):60-65.

[7]GONCALVES A L, SIMOES M, PIRES J C M.The effect of light supply on microalgal growth, CO2uptake and nutrient removal from wasterwater[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 85:530-536.

[8]LIANG Z J, LIU Y, GE F, et al.Efficiency assessment and pH effect in removing nitrogen and phosphorus by algae-bacteria combined system of Chlorella vulgaris and Bacillus licheniformis[J]. Chemosphere,2013,92:1383-1389.

[9]BULGAKOV N G, LEVICH A P.The nitrogen/phosphorus ratio as a factor regulating phytoplankton community structure[J]. Archiv Fur Hydrobiologie, 1999, 146:3-22.

[10]毛书端,张小平,兰永辉,等.废水营养比对固定化藻菌去除污染物的影响及动力学研究[J]. 环境工程学报,2012, 6(5): 1525-1529.

[11]汤会军,李鑫,胡洪营,等.初始密度及饥饿对栅藻LX1氮磷去除的影响[J]. 水处理技术, 2010,36(7): 33-35.

[12]RICHARD J, JULIE L R.Redfield revisited: variability of C∶N∶P in marine microalgae and its biochemical basis[J]. European Journal of Phycology， 2002, 37: 1-17.

[13]丰茂武,吴云海,冯仕训,等.不同氮磷比对藻类生长的影响[J]. 生态环境, 2008,17(5):1759-1763.

[14]田丽,姜超,贾丽丹,等.饥饿处理对固定化小球藻处理市政污水的影响研究[J]. 给水排水, 2009,35(2):183-187.

[15]STUMM W, MORGAN J.Aquatic chemistry: Chemical equilibrium and rates in natural waters[J]. 3rd Edition. New York: John Wiley & Sons, 1995:1022.

[16]邢丽贞,张彦浩,张志杰,等.藻类膜对城市污水净化能力的研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2004,36(2):186-190.

[17]魏群,刘明升,蔡元妃.藻类膜对富营养化湖泊水处理效果实验[J]. 环境工程, 2011,29(2): 10-12.

[18]JUAN P H, LUZ E D B, YOAV B.Starvation enhances phosphorus removal from wastewater by the microalga Chlorella sp.co-immobilized with azospirillum brasilense[J]. Enzyme and Microbial Technology, 2006, 38(1-2): 190- 198.

(责任编辑张晓云裴润梅)

收稿日期：2015-09-10；

修订日期：2016-01-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51269002)

通讯作者：魏群(1971—)，男，湖南隆回人，广西大学教授，博士；E-mail：weiqun@gxu.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0890

中图分类号:X703

文献标识码:A

文章编号：1001-7445(2016)03-0890-06

Effect of N/P and hunger on the capacity of nitrogen and phosphorus removal from wastewater by algal biofilm

WEI Qun1,2, CHEN Yan-fei1, LI Xiao-wei1, TU Xiao-jie1, CAI Yuan-fei3, ZHU Yu-xuan1, ZHOU Jun1

(1.School of the Environment，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Guangxi University Key Laboratory of Environmental Protection，Nanning 530004，China；3.Wentian College，Hohai University，Maanshan 243031，China)

Abstract:In order to investigate the effect of nitrogen to phosphorus ratio (N/P ratio) and hunger stress on the nitrogen and phosphorus removal capacity, an algal biofilm was prepared with Anabaena flos-aquae fixed on the PVC carrier under the condition of room temperature(25±2) ℃ and continuous light of 3500 lx. The algal biofilm was used to treatment wastewater for six days in different N/P ratios(5∶1、10∶1、16∶1、20∶1、30∶1)and algal cells hunger stress(0、1、2、4、7 d). The results showed that, when N/P was 20∶1, the biomass on the algal biofilm is biggest, reaching 3.875×106 cells/mL, and the removal rates of total phosphorus (TP) and ammonium nitrogen -N) in sewage were also highest, up to 87.23% and 90.57% respectively. Under the optimum N/P condition, the algal biofilm biomass is highest in the case of algae treated with starvation for two days, reaching 3.75×106 cells/mL, and the highest removal rates of TP and -N were 88.80% and 84.29% respectively.

Key words:algal biofilm; N/P ratio; hunger stress; ammonium nitrogen; total phosphorus

引文格式：魏群，陈延飞，李晓伟，等. 氮磷比及饥饿度对藻类膜脱氮除磷能力的影响[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：890-895.