微球藻去除尾水中氮素的特征

刘 硕，贺宇环，万敬敏，桂欣欣，刘自曼，李方红，赵志瑞,2,3

1.河北地质大学 水资源与环境学院，河北 石家庄 050031；2.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北 石家庄 050031；3.河北省高校生态环境地质应用技术研发中心，河北 石家庄 050031

藻类能够从根本上解决现存的一些环境问题，例如根据环境本身固有的特性对污染降解、替代多种化学物品的使用进而避免应用化学物质带来的二次污染等问题。因此藻类等自然资源以其得天独厚的优势不断被研究与开发，并且在环境修复、环境化工、生物质能源等方面展示了自身的作用[1-2]。藻类多为无真正根茎叶的单细胞低等植物、群体或多细胞叶状体，因其细胞中含有叶绿素及其他辅助色素，所以所有的藻类都能够进行光合作用[3]。

近年来藻类资源的研究成为趋势，这也促进了国内外学者对藻类在环境保护中强大作用的认识。邓祥元等[4]以不同氮磷浓度的培养液为研究对象，比较分析了蛋白核小球藻和斜生栅藻对氮、磷的去除能力，研究表明，这两种微藻的总氮去除效率高达97%。Oslawd等[5]利用藻类可以进行光合作用的特性来降低污水中氮和磷浓度和一些营养物质作为课题进行了研究。李川等[6]用海藻酸钠胶囊来包埋蛋白核小球藻、鱼腥藻、突变衣藻和双对栅藻，观察四种藻在悬浮和固定状态下的生长情况和对污水中氨氮及硝态氮的降解状态，部分实验结果观察与讨论后可知藻细胞在固定状态下长势更好更稳定[7]。Akhtar等[8]在实验中进一步证明固定化的微球藻对水中Cr3+的去除率高达98%。马沛明等[9]研究课题把着生颤藻作为挂膜藻种在载体聚乙稀网上生长，讨论该藻类膜对人工合成污水中氮磷去除效果、对污水处理厂二级污水中氮磷的去除效果以及富营养化湖水中降解氮和磷的效果；在连续5d的观察下发现，培养的藻类生物膜最终对三种水中总氮的去除效率是57.1%、94.5%和93.8%，对总磷去除效率是93%、73%和79%[7]。

本课题在室内进行[10-11]，研究优化筛选出的一株微球藻在不同温度和pH值下对尾水中氮素及COD的去除效率，进而反映微球藻在实际应用中处理降解尾水中某些主要污染物的能力，以期为污水的处理提供一定支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料

(1)桥东污水处理厂尾水。

(2)从藻类中分离纯化得到的一株微球藻。

1.2 实验方法

氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法，硝态氮的测定采用紫外分光光度法，总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[12]。

2 结果与分析

2.1 不同pH值对微球藻降解尾水中氮素及COD效果研究

2.1.1 不同pH值原水中氨氮的浓度变化

通过连续9d的观察，不同pH值原水中氨氮的浓度变化绘制曲线如图1所示。

图1 不同pH值下原水中氨氮浓度变化趋势Fig.1 Trend of ammonia nitrogen concentration in raw water at different pH values

如图1所示，整体上观察，pH值为5与pH值为其他值相比较下，氨氮的去除率差距非常明显，此条件下降解率只达到45.0%；pH值为6、7、8、9条件下尾水中氨氮的最终去除都可以达到较好的效果且这四种实验条件下去除率数值相近，其降解率均在74%以上。通过图1还可以观察到，在连续培养的前5d，pH值为5和pH值为9的尾水中微球藻对氨氮的降解速率均处于较低的水平，相比之下，其他pH值条件下尾水中的氨氮一直以较快的速度降解。但在连续培养的第6d至第9d，不同pH值条件下尾水中氨氮的降解速率大致一致，氨氮浓度的下降趋势相差不大。由此还可以得出，不同的pH值对尾水中氨氮降解的前期阶段影响较明显，对后期的氨氮降解影响较小。

2.1.2 不同pH值原水中硝态氮的浓度变化

通过连续9d的观察，不同pH值原水中硝态氮的浓度变化绘制曲线如图2所示。

由图2观察到，前3d尾水中微球藻降解硝态氮的效率很低，且降解速率几乎没有差别。从第3d之后，不同pH值下尾水中的硝态氮浓度有了区别。从图中观察到pH值为7和8时，微球藻对硝态氮的去除效率影响大致相同，均在15%～20%之间；pH值为6和9时的硝态氮降解趋势几乎一致，均在30%～40%之间；在pH值为5时，微球藻降解硝态氮效率达到最大，究其原因这一现象可能与微球藻在此环境下生长特性相关。余若黔等[13]通过对微球藻异样生长特性的研究，验证了在异样条件下，微球藻生长的最适pH值为5.5～6.5[14]。本次实验微球藻在pH值为5.5～6.5左右条件下可以最好的降解尾水中硝态氮，很大原因可能是因为在此条件下微球藻最适合生长。

图2 不同pH值下原水中硝态氮浓度变化趋势Fig.2 Trend of nitrate concentration in raw water at different pH values

2.1.3 不同pH值原水中总氮的浓度变化

通过连续9d的观察，不同pH值原水中总氮的浓度变化绘制曲线如图3所示。

图3 不同pH值下原水中总氮浓度变化趋势Fig.3 Trend of total nitrogen concentration in raw water at different pH values

如图3所示，不同pH值梯度的尾水中，总氮浓度变化速率与趋势大致相同，最终微球藻降解总氮的效率也相差不大。在前3d中，微球藻在pH值为8时对总氮的降解效率明显最高；但当在第4d时，尾水中的总氮浓度略高于第3d的总氮浓度，这一现象可能受微球藻的生长特性影响。整体上看，单因素pH值对在自然光下用微球藻降解尾水中总氮的速度与效率影响很小，且微球藻对尾水中总氮去除效率均达到很高水平。由此也可以得出，此株微球藻对尾水中总氮的降解能力不太受pH值条件的限制，这一特性使此株微球藻在处理尾水中总氮应用中具有一些优势。

2.1.4 不同 pH值原水中COD的浓度变化

通过连续9d的观察，不同pH值原水中COD的浓度变化绘制曲线如图4所示。

图4 不同pH值下原水中COD浓度变化趋势Fig.4 Trend of COD concentration in raw water at different pH values

如图4，相邻梯度pH值下微球藻降解尾水中COD的趋势相近，即相邻梯度pH值的降解速率与降解效率很相近。pH值为5、6、7三个梯度的降解效率极为接近，分别为42.7%、43.6%、41.3%；pH值为8和9时的COD降解趋势很相似，降解效率也相差不大，分别为51.6%、56.2%，降解效果略好于前三个梯度。从图中还可以此结论：pH值越大，微球藻降解尾水中COD能力越高。所以单因素pH值对尾水中微球藻降解COD的效果具有一定影响，且在pH值梯度增加时COD降解效率呈缓慢上升的趋势。

以上在不同pH值的尾水中实验结果可以观察到，当pH值在5～9范围时，不同pH值条件下微球藻降解尾水中氨氮、硝态氮的效率差值较大，均在35%以上，表明在微球藻处理尾水中氨氮和硝态氮时pH值因素对其降解效果影响较大；不同pH值条件下微球藻降解总氮和COD的效率差值较小，其最大降解率与最小降解率相差均不到20%，表明在微球藻处理尾水中总氮和COD时pH值因素对其降解效果影响较小。

2.2 不同温度对微球藻降解尾水中氮素及COD效果研究

2.2.1 不同温度下原水中氨氮浓度变化

通过连续9d的观察，不同温度下原水中氨氮浓度变化绘制曲线如图5所示。

通过图5中不同的曲线，可以观察到，35℃和40℃下微球藻对尾水中氨氮的降解趋势很相似，降解效率相同，均为33.3%；在20℃和25℃下微球藻对氨氮的降解率较35℃和40℃状态下高，降解率分别为56.9%和62.7%，但20℃和25℃两个温度下的降解变化趋势差异很大，直至连续培养9d后两个温度下的尾水中氨氮浓度相差才很小；在30℃时，微球藻能够最好的降解尾水中的氨氮，其降解率可达到80.4%，在此温度下的降解效果明显好于其他温度条件下的降解效果，由此可以猜测在30℃条件下，本实验所筛选的微球藻有较好的生长状态或有较高的降解特性。

图5 不同温度下原水中氨氮浓度变化趋势Fig.5 Trend of ammonia nitrogen concentration in raw water at different temperatures

2.2.2 不同温度下原水中硝态氮浓度变化

通过连续9d的观察，不同温度下原水中硝态氮浓度变化绘制曲线如图6所示。

图6 不同温度下原水中硝态氮浓度变化趋势Fig.6 Trend of nitrate concentration in raw water at different temperatures

如图6所示，不同温度下微球藻对硝态氮的降解效果均具有一些差异，随着微球藻降解天数的增加，不同温度下的降解效率差异在不断加大。在20℃时，微球藻降解效率极低，第9d尾水中硝态氮浓度与原水浓度几乎相同，其降解率仅为11.1%；在25℃、30℃时，微球藻降解硝态氮效果状态逐渐变好，降解率分别为33.3%、44.4%，随着温度的增加，微球藻降解尾水中硝态氮的能力也在逐渐增强；在35℃时，微球藻的降解效果达到最佳，降解率为55.6%；但在40℃条件下，微球藻对硝态氮的降解效率下降到25.9%。此实验表明在20℃～35℃范围内随着温度的增加，微球藻降解尾水中硝态氮的能力也随之增加，但温度过高则会对微球藻降解硝态氮能力起到一定抑制作用。

2.2.3 不同温度下原水中总氮浓度变化

通过连续9d的观察，不同温度下原水中总氮浓度变化绘制曲线如图7所示。

图7 不同温度下原水中总氮浓度变化趋势Fig.7 Trend of total nitrogen concentration in raw water at different temperatures

如图7所示，在20℃、35℃和40℃时，连续培养9d的尾水中总氮变化趋势几乎一致，最终微球藻降解效果也几乎相同，其降解率分别为53.1%、53.1%、44.9%；在25℃时，微球藻对尾水中总氮的降解效率为62.2%；当温度为30℃时，在整个连续培养过程中，微球藻的降解速率一直较快，明显比其他温度下的降解效率高很多，其降解率达到74.5%，是所有设定的温度梯度条件下降解效果最好的，在此温度下，微球藻又一次最好地发挥降解尾水中总氮的能力。

2.2.4 不同温度下原水中COD浓度变化

通过连续9d的观察，不同温度下原水中COD浓度变化绘制曲线如图8所示。

图8 不同温度下原水中COD的浓度变化趋势Fig.8 Trend of COD concentration in raw water at different temperatures

通过图8可以观察到，40℃时，第9d尾水中COD含量与原水中初始含量相比几乎没有变化，其降解率为4.8%，表明在此条件下微球藻对尾水中COD几乎不降解；25℃和30℃时尾水中COD的降解率相似，分别为24.4%、25.9%；在35℃时，微球藻对尾水中COD的降解率为33.3%；在20℃时，此温度下尾水中COD的降解速率从培养开始相较其他温度条件下尾水中的COD降解速率高，通过此实验现象说明在此条件下微球藻对尾水中COD降解效果是最好的，但在第8d的时候，尾水中COD浓度不降反升，可能是因为微球藻的死亡引起的[15-16]。普通微球藻的死亡会引起藻细胞内容物进入到水环境中从而引起水质，尤其是COD、总磷的变化[17]。再随着藻类的生长，这些物质再次被利用，则水质得以改善。在第9d时，20℃尾水中的COD含量继续下降，微球藻在此条件连续培养过程中达到了最佳降解效果。

以上在不同温度的尾水中进行的实验结果表明，在实验设定的20℃～40℃温度条件下，微球藻降解尾水中氨氮、硝态氮的效率差值几乎在40%以上，微球藻降解尾水中总氮和COD的效率差值在30%以上，表明温度因素对微球藻降解尾水中主要污染物的能力具有较大的影响。

3 结论

(1)通过微球藻在不同条件下对尾水中主要污染物的降解，可以得出微球藻在单因素pH值为9和温度为30℃时的尾水中对氨氮的降解效果最佳，降解率均可到80.4%；微球藻在单因素pH为5和温度为35℃时的尾水中对硝态氮的降解效果最佳，降解率可达51.9%、55.6%；微球藻在单因素pH值为9和温度为30℃时的尾水中对总氮降解效果最佳，降解率可达71.4%、74.5%；微球藻在单因素pH值为9和温度为20℃时对尾水中的COD降解效果最佳，降解率可达42.7%、43.6%。

(2)微球藻降解尾水中氨氮与总氮的效果较好，均可达到70%～80%；微球藻对尾水中硝态氮与总氮的降解一般在50%左右。总体上，此研究所选的微球藻对尾水的降解效果比较不错，其中一个原因有可能是此研究进行的时间为春季，据项荩仪等[18]研究表明，微球藻在春夏季节及对污水中水体指标的降解相对较好。

(3)总体上看，温度因素的改变比pH值因素的改变更容易影响本实验所选的微球藻对尾水中主要污染物的降解能力。