周連寧, 吳 鋒, 趙振業(yè), 王 波*

1.深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術股份有限公司, 深圳 518057;2.深圳市海岸與大氣研究重點實驗室, 深圳 518057

重要環(huán)境因子對小球藻去除污水中氮磷的影響

周連寧1,2, 吳 鋒1, 趙振業(yè)1,2, 王 波1*

1.深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術股份有限公司, 深圳 518057;2.深圳市海岸與大氣研究重點實驗室, 深圳 518057

對小球藻去除污水中氮磷的性能進行了研究，考察了初始氮磷濃度、氮磷比、光照條件和pH等因素對其去除效率的影響。結果表明，在初始氮磷濃度分別在35 mg/L和7 mg/L以下時去除率接近100%；氮磷比為5∶1和10∶1，小球藻第4 d基本完全去除了污水中的氨態(tài)氮，而氮磷比對小球藻的除磷能力沒有顯著影響；在初始氨態(tài)氮或總磷濃度相同的條件下，光照條件(L/D為24 h∶0 h和12 h∶12 h)對氮磷去除效果的無明顯差異性(P>0.05)，而隨著氮磷濃度的增加，連續(xù)光照條件逐漸展現(xiàn)出去除氮磷的優(yōu)勢；小球藻在pH 7～8范圍內(nèi)對氨態(tài)氮的去除率最佳，pH 5～7范圍內(nèi)，對總磷的去除率最佳。

小球藻；氨態(tài)氮；總磷；污水處理

隨著工業(yè)進步和社會發(fā)展，水污染問題日趨嚴重，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象不斷發(fā)生，其根本原因之一是水體氮、磷含量超標[1]。目前，廢水二級處理后出水的進一步脫氮和除磷問題已成為國內(nèi)外研究的熱點。傳統(tǒng)的生化二級脫氮除磷工藝的脫氮率一般約為20%～50%，除磷率為20%～30%，且使大量的磷從污水中轉(zhuǎn)移到剩余污泥中，導致出水氮、磷的含量大大超過了富營養(yǎng)化的臨界濃度[2]，不能從根本上消除氮、磷對生態(tài)環(huán)境的影響，因此必須進一步進行脫氮除磷處理。

藻類為自養(yǎng)型生物，其生長對廢水中的營養(yǎng)要求較低，主要以光能為能源，可利用氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)合成復雜的有機質(zhì)，因此藻類可降低水體中氮、磷的含量。Oswald 等[3]研究發(fā)現(xiàn)利用藻類可以去除污水中的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)以及釋放氧氣供好氧微生物分解生長代謝所需[4]。小球藻(Chlorellavularis)是綠藻小球藻科中的一個重要屬，種類繁多，能適應于不同的生長環(huán)境[5]。小球藻是水體中的初級生產(chǎn)者，營養(yǎng)價值較高，可作為魚類等水生動物的餌料，在污染物沿食物鏈傳遞的過程中起著重要作用[6]。同時，小球藻具有吸收、消耗水體環(huán)境中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及吸附重金屬元素的功能[7]，因而能凈化污染的水體。呂福榮等[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同氮磷組合濃度對小球藻吸收氮、磷有一定影響，在最佳pH為8.0～8.5的條件下，吸收率可達80%，同時也驗證了小球藻具有高效的脫氮除磷能力。本實驗對小球藻在污水中氮磷凈化性能及相關重要影響因子進行研究，以期為生物治理水體污染提供參考，為實現(xiàn)高效原生態(tài)的污水治理提供基礎。

1 材料與方法

1.1 藻種

小球藻(Chlorellavularis)(菌株編號:FACH B-8)購自中國科學院(武漢)水生生物研究所淡水藻種庫(藻種保藏號:CGMCC No.1448)，為本實驗室保藏。

1.2 培養(yǎng)基

BG11培養(yǎng)基(blue-green medium)：NaNO31 500 mg/L，MgSO4·7H2O 75 mg/L，CaCl2·2H2O 36 mg/L，檸檬酸 6 mg/L，Na2EDTA 1 mg/L，檸檬酸鐵銨 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 小球藻預培養(yǎng)

無菌條件下，挑選保存于平板上且生長良好的單一藻株接入BG11液體培養(yǎng)基中，在25(±1)℃、2 000 lx持續(xù)光照條件下進行逐級擴大培養(yǎng)，以滿足后續(xù)實驗所需。將處于對數(shù)生長期的藻種在4 000 r/min下離心5 min，收集濃縮藻液并測定藻細胞濃度備用。

1.5 藻細胞吸收氮、磷性能研究

取干凈的1 L錐形瓶若干個，分別加入預先配置的人工污水500 mL，以及適量濃縮藻液，使每組實驗條件下初始藻種濃度控制在105個/mL左右，通過改變初始氮、磷濃度、氮磷比、光暗比和pH等實驗條件，考察各因素對小球藻去除氮磷的影響。每組實驗設置3個平行實驗，取平均值作為最終實驗結果。本實驗于25(±1)℃、光強為2 000 lx 條件下于光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行，每24 h測量藻液各項指標。

1.6 水質(zhì)指標測定

2 結果與分析

2.1 初始氮、磷濃度對小球藻吸收氮、磷的影響

初始氮、磷濃度對小球藻吸收氮、磷的影響結果見圖1和圖2。

圖1 初始氨態(tài)氮濃度對小球藻去除氨態(tài)氮的影響Fig.1 Effects of initial concentrations on removal of by Chlorella vularis.

由圖2 可見，前1～2 d各處理的TP去除率均低于10%； 2 d以后，TP去除率急劇增加，到第5 d時，各處理組TP去除率均高于80%，且初始濃度高于1.0 mg/L時，TP去除率均高于90%，且隨著濃度的升高，去除率也升高，初始濃度為7.0 mg/L時，TP去除率達到95.3%。隨著時間的延長，至第7 d，可完全去除污水中的TP。上述結果表明，小球藻具有良好的去除總磷的能力，可達到我國城鎮(zhèn)污水處理廠一級A排放標準(TP≤0.5 mg/L)。小球藻對總磷的去除呈現(xiàn)先緩慢后急劇增加的現(xiàn)象，推測是由于小球藻接種到新的環(huán)境需要一個適應期，此期間生長緩慢，對TP的吸收較少，但到第2 d后，小球藻達到生長旺盛期，對TP的需求也迅速增加。

2.2 氮磷比對小球藻吸收氮、磷的影響

本實驗考察了3個不同氮磷比下(5∶1，10∶1，25∶1)小球藻對氮、磷的去除情況，結果見圖3和圖4。從圖3 的結果看，當初始總磷濃度為3 mg/L時，5∶1和10∶1氮磷比條件下，小球藻細胞在第4 d時就幾乎完全去除了污水中的氨態(tài)氮。但是，氮磷比升高到25∶1時，小球藻對氨態(tài)氮的吸收出現(xiàn)很大異常，到第7 d氨態(tài)氮去除率才達到53.1%。這可能是由于隨著氮磷比的增加，相對較少的磷成為處理效果的限制因素。

圖2 初始磷濃度對小球藻去除總磷的影響Fig.2 Effects of initial TP concentrations on removal of TP by Chlorella vularis.

圖3 氮磷比對小球藻去除氨態(tài)氮的影響Fig.3 Effects of N/P ratios on removal of by Chlorella vularis.

由圖4可見，當初始氨態(tài)氮濃度為25 mg/L時，3種不同的氮磷比條件下，小球菌在第5 d基本都實現(xiàn)對總磷的完全吸收，表明小球藻在不同的氮磷比下都可保持較強的磷吸收能力。氮磷比分別為5∶1和10∶1時，兩實驗組對氨態(tài)氮和總磷的去除效果差異性均不顯著(P>0.05)，表明低氮磷比對小球藻氨態(tài)氮和總磷去除效果影響不大。

2.3 光照條件對小球藻吸收氮磷的影響

為考察光照條件對小球藻去除氮、磷的影響，采取了2種光照方式，即連續(xù)24 h光照和12 h∶12 h光暗交替，光照強度均為2 000 lx，結果見圖5。小球藻在兩種不同光照條件下對氨態(tài)氮和總磷的去除基本發(fā)生在前5 d，不同光照條件下引起的差異主要體現(xiàn)在降解速率上。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在相同氨態(tài)氮濃度或相同總磷濃度條件下，不同光照條件對氮、磷去除效果的影響無明顯差異(P>0.05)。氨態(tài)氮和總磷濃度升高時，連續(xù)光照條件下小球藻對氮磷的降解明顯快于光暗交替情況，但隨著處理時間的延長，這種差異逐漸縮小。

圖4 氮磷比對小球藻去除總磷的影響Fig.4 Effects of N/P ratios on removal of TP by Chlorella vularis.

圖5 光暗比對小球藻去除氨態(tài)氮(A)和總磷(B)的影響Fig.5 Effects of L/D ratios on removal of and TP(B) by Chlorella vularis.

2.4 pH對小球藻吸收氮、磷的影響

pH不僅可通過引起細胞膜電荷變化和影響營養(yǎng)物離子化程度來影響微生物對營養(yǎng)物的吸收，而且還影響細胞內(nèi)多種酶的活性[12]，因此pH是影響藻類有關生長代謝等許多生理過程的另一重要因子[13]。本實驗研究了pH對小球藻去除氨、氮的影響，結果見如圖6。對氨態(tài)氮的去除方面，當pH為7～8時，小球藻在第6 d基本能去除污水中的氨態(tài)氮，去除效果最佳；在pH為9時，氨態(tài)氮濃度出現(xiàn)先減少后又逐漸增加的異?，F(xiàn)象，可能是由于起始階段小球藻生長代謝吸收部分氨態(tài)氮，但到了第4 d環(huán)境逐漸變得不適宜生長，甚至出現(xiàn)小球藻的大量死亡，迫使細胞內(nèi)的氨態(tài)氮釋放到外界環(huán)境，從而引起pH的反彈現(xiàn)象，并且在pH為8和9時，小球藻對去除氨態(tài)氮的效果具有顯著差異(P<0.05)。對總磷的去除方面，當pH為5～7時，小球藻對總磷的去除效果最佳；當pH>8時，小球藻去除污水中總磷的量只有50%，且隨著pH的升高，藻細胞對總磷的去除率逐漸降低，但是小球藻在不同pH下對總磷去除效果沒有顯著差異(P>0.05)。結果表明，小球藻在最適宜生長的pH范圍內(nèi)才能保證有較高的氮、磷去除率。

圖6 pH對小球藻去除氨態(tài)氮(A)和總磷(B)的影響Fig.6 Effects of pH on removal of and TP(B) by Chlorella vularis.

3 討論

藻類對氮、磷的去除效率不僅與污水中氮磷的初始濃度有關，同時也受到污水中氮磷比的影響。Kunikanes等[16]發(fā)現(xiàn)適宜于藻類生長的氮磷比為7∶1～15∶1，氮磷比< 5∶1時就會引起氮限制，而當?shù)妆? 40∶1則會引起磷限制。豐茂武等[17]研究發(fā)現(xiàn)，藻類最佳生長條件為氮磷比40∶1，藻類生長取決于氮的質(zhì)量濃度。在本研究中，當初始總磷濃度為3 mg/L，5∶1和10∶1氮磷比的條件下，小球藻細胞在第4 d時就幾乎完全去除了污水中的氨態(tài)氮；當初始氨態(tài)氮濃度為25 mg/L時，三種不同的氮磷比對小球藻的除磷能力幾乎沒有影響。因此，在較適宜小球藻生長的條件下，能夠很好地實現(xiàn)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，基于這種生命活力及產(chǎn)生的高能營養(yǎng)物質(zhì)，被人們贊美為“罐裝的太陽”。因此研究光照條件對小球藻吸收氮磷的影響是必要的。在氨態(tài)氮或總磷濃度相同時，2種光照條件(L/D分別為24 h∶0 h和12 h∶12 h)對氮磷的去除效果無顯著差異，而隨著氮、磷濃度的增加，連續(xù)光照逐漸展現(xiàn)出優(yōu)勢。Lee等[18]的研究表明，在連續(xù)光照(24 h∶ 0 h)和光暗交替(12 h∶12 h) 2種條件下，小球藻Chorellakessleri對磷的去除效率均不高，但光暗交替條件下的磷去除率略高于連續(xù)光照，這與本實驗的結果不同，可能由于藻種的不同而引起實驗結果的差異。光暗交替的光照方式實際是自然環(huán)境光照的模擬，雖然這種光照方式下小球藻對高濃度氮磷的降解速率不及連續(xù)光照，但考慮到實際廢水中氨態(tài)氮的初始濃度一般達不到本實驗涉及的最大濃度，因此這種在降解速率上的差異應該不會影響到實際應用，并且考慮到污水處理的節(jié)能環(huán)保問題，采用光暗交替的處理方式有一定的優(yōu)勢，而小球藻處理生活污水的最佳光暗處理條件還有待進一步研究。小球藻只有在適宜的pH范圍之內(nèi)才有利于對污水中的氨態(tài)氮去除，pH在7～8范圍內(nèi)小球藻對氨態(tài)氮的去除率最佳。pH在5～7范圍時，小球藻對總磷的去除率最佳。考慮到小球藻細胞的生長會導致pH的升高，在實際處理過程中就應對廢水的pH變化進行適當監(jiān)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

深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金項目(CXZZ20120618111150009;ZDSY20120618162015166)資助。

周連寧，碩士，主要從事環(huán)境生物技術研究。E-mail：z.l.ning@163.com。*通信作者：王波，高級工程師，主要從事環(huán)境生物技術研究。E-mail:wb@ierec.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.01.09