城镇污水厂尾水中硝态氮的微藻吸收效果研究①

张强 赵彤彤 张晓艳 朱云琦 周爽 周郡 赵春霞

（河北大学化学与环境科学学院 河北保定 071002）

氮、磷等营养盐是导致地表水体富营养化的主要因素，而污水处理厂尾水中有机碳源不足，反硝化作用不充分，导致硝态氮含量较高。若采用常规的物理化学方法进一步去除硝氮，会显著增加污水处理厂的运行费用，并且可能带来二次污染。藻类对氮磷的吸收作用已经得到了广泛的认可[1-3]，采用合理的工艺与微藻的脱氮作用相结合[4-6]，不仅可以有效去除氮磷以及有机污染物，还可以回收微藻作为生物能源[7]。

本文主要研究和对比了两种微藻对污水处理厂尾水中硝态氮的去除效果。实验首先对钝顶螺旋藻和四尾栅藻进行了扩大化培养，确定了最佳培养条件，然后筛选出钝顶螺旋藻，进行了藻量优化硝氮吸收实验，为采用微藻法吸收去除污水厂尾水中的硝氮提供了数据支持。

1 实验材料与方法

1.1 微藻培养与扩大培养

图1 钝顶螺旋藻与四尾栅藻的形貌

钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）属蓝藻门，原核生物，藻细胞蓝绿色，藻丝螺旋状，宽4～5μm，长400～600μm，顶端细胞钝圆；四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）属于绿藻门，绿球藻目，细胞为卵形，两端各有1长刺，2～8个细胞排成群体，单细胞宽3.5～6μm，长8～16μm，两种微藻均购自中科院淡藻库[8]。钝顶螺旋藻选择Spirulina medium培养基，并需加入微量元素A5溶液1mL/L；四尾栅藻选择BG11培养基，用盐酸和氢氧化钠将藻类培养基的pH值调至7.1。

在无菌操作下，将25mL相应的培养基加入50mL玻璃锥形瓶内，并分别移入适量的钝顶螺旋藻液和四尾栅藻液，瓶口用棉花和牛皮纸封住，置于智能人工气候箱内进行培养，温度25℃左右，光照强度6400Lux，光暗比12h：12h。每天定时摇晃锥形瓶，使藻种分布均匀，藻种每月重新接种一次。

1.2 藻量测定

采用干重法测量钝顶螺旋藻的生物量，取一定量藻液经0.45μm滤膜过滤后，在80℃下烘干冷却后称重。同时取出一定量藻液稀释成不同的浓度梯度，在其最大吸收波长560nm处测定其吸光度值，得到细胞干重浓度与吸光度的关系式，藻干重浓度(g/L)=0.3091A560-0.0146(R2=0.9997)。

四尾栅藻则通过生物显微镜和血球计数板计数，并在650nm波长下测定其吸光度值，得到其细胞浓度与吸光度的关系式，藻细胞浓度(cell/mL)=10.097A650+0.0038(R2=0.9992)。两种微藻的形貌如图1所示。

1.3 实验水质

采用某城市污水处理厂尾水作为研究对象，进行微藻脱氮实验。污水厂尾水中氨氮浓度0.2～1.5mg/L，总氮6～15mg/L，硝氮5～13mg/L，亚硝氮未检出，COD浓度约30 mg/L，总磷0.3 mg/L以下。

1.4 湿藻投加量

取适量的藻液在4000 r/min 条件下离心5～10 min，将上清液弃去，用15mg /L NaHCO3溶液洗涤3次，分别接种到盛有25mL污水厂尾水的玻璃比色管中，并通过藻浓度与吸光度的关系式计算投加量。

1.5 主要仪器材料

本实验的主要仪器包括：智能人工气候箱（RXZ宁波江南）、电热恒温干燥箱（上海精宏）、便携式pH计（哈希）、紫外可见智能型多参数水质测定仪（LH-3BA连华科技）、生物显微镜、紫外可见分光光度计。实验所用试剂均为分析纯试剂。

2 结果与讨论

2.1 藻种和填料的筛选

分别取适量的两种藻液离心洗涤后投加到对应的尾水比色管中，在温度为25℃，光照强度为6400Lux，光暗比为12h:12h时，进行藻种的筛选实验，注意经常摇晃比色管，使微藻充分接触水样。向比色管中分别加入棉线或碳纤维，再投加一定量的微藻，使微藻附着在填料上生长进行填料筛选实验。微藻光照处理12h后，取一定量的溶液经过0.45μm水系滤膜后测定滤液的硝氮含量，两种微藻和不同填料对硝氮的吸收效果如图2所示。

分析图2(a)，当钝顶螺旋藻投加量为0.04g/L和0.08g/L时，光照处理12h后，尾水中的硝氮浓度由6.57mg/L分别降至0.690mg/L和0.472mg/L，去除效率可达92.8%。当四尾栅藻投加量为3×105cell/mL时，光照12h后，尾水中的硝氮浓度降至1.32mg/L，去除效率为79.9%。但当两种微藻的投加量过多时，会因为出现大量的死藻，导致硝氮去除效果下降。对比两种微藻对硝氮的吸收效果，选用钝顶螺旋藻对污水厂尾水中的硝氮进行吸收去除。

图2 微藻种类（a）和投量的选择，钝顶螺旋藻和四尾栅藻对污水厂尾水中硝氮的吸收效果

图3 出水中硝氮（a）、pH值（b）和溶解氧（c）随微藻光照处理时间的变化

由图2(b)可知，光照处理12h后，碳纤维本身对硝氮具有一定的吸附效果（55.1%），而投加了钝顶螺旋藻（0.08g/L）和四尾栅藻（3×105cell/mL）后，硝氮的去除效果反而下降，说明碳纤维表面的活性基团对微藻的生长具有抑制作用，不利于两种微藻对尾水中硝氮的去除。

分析图2(c)，尾水硝氮浓度为6.418mg/L，光照处理12h后，棉线空白组出水中硝氮浓度为6.398mg/L，棉线无吸附作用，分别投加钝顶螺旋藻和四尾栅藻的出水中硝氮分别降至0.472mg/L和1.342mg/L。结果表明微藻可以附着在棉线上生长，不用经常摇晃比色管，即可达到水样中硝氮的吸收去除。

2.2 钝顶螺旋藻对尾水中硝氮的吸收效果

选取3种投加量（0.08g/L，0.16g/L和0.32g/L），取藻液离心洗涤后投加到50mL的尾水比色管中，在温度为25℃，光照强度为6400Lux，光暗比为16h:8h时，进行硝氮吸收动力学实验。光照处理0h、4h、8h、12h、16h，及黑暗8h后分别测定出水的pH值和溶解氧浓度，再经过0.45μm滤膜后测定滤液的硝氮浓度，实验结果见图3。

分析图3(a)，当钝顶螺旋藻投量为0.08g/L时，16h光照处理后，硝氮浓度由6.42mg/L降至0.555mg/L，再经8 h黑暗处理后下降至0.015mg/L（99.8%）。而当藻投量增加至0.16g/L时，光照处理8h后，硝氮浓度快速下降至0.188mg/L（97.1%），但由于水样中的无机碳源和营养盐不够支持微藻生长，而出现藻细胞凋亡，释放细胞质的现象，导致随着光照时间的增加脱氮效果下降，经黑暗下呼吸8 h后，水质明显恶化。如果继续增加藻量至0.32g/L，光照处理5h后，微藻大量繁殖，光合作用很强，固定无机碳源的过程会积累OH-并释放氧气，使得出水pH值和溶解氧值（DO）均显著升高，但尾水中的硝氮去除效果却不理想，发生了藻凋亡和分解，不宜继续进行光照处理。

分析图3(b)和3(c)，在藻量投加过多时，光合作用使微藻适宜的pH值（7.1）明显升高，富氧状态也抑制了微藻的繁殖，从而导致大量的微藻凋亡，并释放硝氮。此外，暗处理的8 h以呼吸作用为主，使出水中的pH值和DO浓度明显下降，为下一个光合作用周期提供了基本条件。

3 结语

针对污水处理厂尾水中硝氮浓度高的问题，采用钝顶螺旋藻和四尾栅藻为实验藻种，进行了藻种和填料的筛选实验。结果表明两种淡水微藻对尾水中的硝氮均有一定的去除效果，在藻量、光强、光暗比、温度和pH等吸收条件相当时，钝顶螺旋藻表现出更好的脱硝效果，去除率达到92.8%。

采用不同投加量的钝顶螺旋藻对污水厂尾水的硝氮进行吸收实验，在光照强度6400Lux，光暗比16h：8h，温度25℃，藻量0.08g/L时，处理24h后，硝氮去除率达到99.8%。但当钝顶螺旋藻投量过多时，会导致微藻凋亡，出水水质会明显下降。此外，光合作用和暗作用应交替进行（16h：8h），从而保证微藻适宜生长的pH和DO条件。