周連寧, 吳 鋒, 趙振業(yè), 王 波*

1.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司, 深圳 518057;2.深圳市海岸與大氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518057

重要環(huán)境因子對(duì)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(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司, 深圳 518057;2.深圳市海岸與大氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518057

對(duì)小球藻去除污水中氮磷的性能進(jìn)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(duì)其去除效率的影響。結(jié)果表明，在初始氮磷濃度分別在35 mg/L和7 mg/L以下時(shí)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(duì)小球藻的除磷能力沒(méi)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(duì)氮磷去除效果的無(wú)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(shì)；小球藻在pH 7～8范圍內(nèi)對(duì)氨態(tài)氮的去除率最佳，pH 5～7范圍內(nèi)，對(duì)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(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，水體富營(yíng)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(biāo)[1]。目前，廢水二級(jí)處理后出水的進(jìn)一步脫氮和除磷問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的生化二級(jí)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(dǎo)致出水氮、磷的含量大大超過(guò)了富營(yíng)養(yǎng)化的臨界濃度[2]，不能從根本上消除氮、磷對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，因此必須進(jìn)一步進(jìn)行脫氮除磷處理。

藻類為自養(yǎng)型生物，其生長(zhǎng)對(duì)廢水中的營(yíng)養(yǎng)要求較低，主要以光能為能源，可利用氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機(jī)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及釋放氧氣供好氧微生物分解生長(zhǎng)代謝所需[4]。小球藻(Chlorellavularis)是綠藻小球藻科中的一個(gè)重要屬，種類繁多，能適應(yīng)于不同的生長(zhǎng)環(huán)境[5]。小球藻是水體中的初級(jí)生產(chǎn)者，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，可作為魚(yú)類等水生動(dòng)物的餌料，在污染物沿食物鏈傳遞的過(guò)程中起著重要作用[6]。同時(shí)，小球藻具有吸收、消耗水體環(huán)境中的氮、磷等營(yíng)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(duì)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(dá)80%，同時(shí)也驗(yàn)證了小球藻具有高效的脫氮除磷能力。本實(shí)驗(yàn)對(duì)小球藻在污水中氮磷凈化性能及相關(guān)重要影響因子進(jìn)行研究，以期為生物治理水體污染提供參考，為實(shí)現(xiàn)高效原生態(tài)的污水治理提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 藻種

小球藻(Chlorellavularis)(菌株編號(hào):FACH B-8)購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院(武漢)水生生物研究所淡水藻種庫(kù)(藻種保藏號(hào):CGMCC No.1448)，為本實(shí)驗(yàn)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(yù)培養(yǎng)

無(wú)菌條件下，挑選保存于平板上且生長(zhǎng)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(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)，以滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)所需。將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻種在4 000 r/min下離心5 min，收集濃縮藻液并測(cè)定藻細(xì)胞濃度備用。

1.5 藻細(xì)胞吸收氮、磷性能研究

取干凈的1 L錐形瓶若干個(gè)，分別加入預(yù)先配置的人工污水500 mL，以及適量濃縮藻液，使每組實(shí)驗(yàn)條件下初始藻種濃度控制在105個(gè)/mL左右，通過(guò)改變初始氮、磷濃度、氮磷比、光暗比和pH等實(shí)驗(yàn)條件，考察各因素對(duì)小球藻去除氮磷的影響。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，取平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)于25(±1)℃、光強(qiáng)為2 000 lx 條件下于光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行，每24 h測(cè)量藻液各項(xiàng)指標(biāo)。

1.6 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

2 結(jié)果與分析

2.1 初始氮、磷濃度對(duì)小球藻吸收氮、磷的影響

初始氮、磷濃度對(duì)小球藻吸收氮、磷的影響結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 初始氨態(tài)氮濃度對(duì)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(jiàn)，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(shí)，各處理組TP去除率均高于80%，且初始濃度高于1.0 mg/L時(shí)，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(shí)，TP去除率達(dá)到95.3%。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，至第7 d，可完全去除污水中的TP。上述結(jié)果表明，小球藻具有良好的去除總磷的能力，可達(dá)到我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)(TP≤0.5 mg/L)。小球藻對(duì)總磷的去除呈現(xiàn)先緩慢后急劇增加的現(xiàn)象，推測(cè)是由于小球藻接種到新的環(huán)境需要一個(gè)適應(yīng)期，此期間生長(zhǎng)緩慢，對(duì)TP的吸收較少，但到第2 d后，小球藻達(dá)到生長(zhǎng)旺盛期，對(duì)TP的需求也迅速增加。

2.2 氮磷比對(duì)小球藻吸收氮、磷的影響

本實(shí)驗(yàn)考察了3個(gè)不同氮磷比下(5∶1，10∶1，25∶1)小球藻對(duì)氮、磷的去除情況，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。從圖3 的結(jié)果看，當(dāng)初始總磷濃度為3 mg/L時(shí)，5∶1和10∶1氮磷比條件下，小球藻細(xì)胞在第4 d時(shí)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(shí)，小球藻對(duì)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(dá)到53.1%。這可能是由于隨著氮磷比的增加，相對(duì)較少的磷成為處理效果的限制因素。

圖2 初始磷濃度對(duì)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(duì)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(jiàn)，當(dāng)初始氨態(tài)氮濃度為25 mg/L時(shí)，3種不同的氮磷比條件下，小球菌在第5 d基本都實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)的磷吸收能力。氮磷比分別為5∶1和10∶1時(shí)，兩實(shí)驗(yàn)組對(duì)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(duì)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(duì)小球藻吸收氮磷的影響

為考察光照條件對(duì)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(qiáng)度均為2 000 lx，結(jié)果見(jiàn)圖5。小球藻在兩種不同光照條件下對(duì)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(jì)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(duì)氮、磷去除效果的影響無(wú)明顯差異(P>0.05)。氨態(tài)氮和總磷濃度升高時(shí)，連續(xù)光照條件下小球藻對(duì)氮磷的降解明顯快于光暗交替情況，但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，這種差異逐漸縮小。

圖4 氮磷比對(duì)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(duì)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(duì)小球藻吸收氮、磷的影響

pH不僅可通過(guò)引起細(xì)胞膜電荷變化和影響營(yíng)養(yǎng)物離子化程度來(lái)影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收，而且還影響細(xì)胞內(nèi)多種酶的活性[12]，因此pH是影響藻類有關(guān)生長(zhǎng)代謝等許多生理過(guò)程的另一重要因子[13]。本實(shí)驗(yàn)研究了pH對(duì)小球藻去除氨、氮的影響，結(jié)果見(jiàn)如圖6。對(duì)氨態(tài)氮的去除方面，當(dāng)pH為7～8時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)，甚至出現(xiàn)小球藻的大量死亡，迫使細(xì)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(shí)，小球藻對(duì)去除氨態(tài)氮的效果具有顯著差異(P<0.05)。對(duì)總磷的去除方面，當(dāng)pH為5～7時(shí)，小球藻對(duì)總磷的去除效果最佳；當(dāng)pH>8時(shí)，小球藻去除污水中總磷的量只有50%，且隨著pH的升高，藻細(xì)胞對(duì)總磷的去除率逐漸降低，但是小球藻在不同pH下對(duì)總磷去除效果沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。結(jié)果表明，小球藻在最適宜生長(zhǎng)的pH范圍內(nèi)才能保證有較高的氮、磷去除率。

圖6 pH對(duì)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(duì)氮、磷的去除效率不僅與污水中氮磷的初始濃度有關(guān)，同時(shí)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(zhǎng)的氮磷比為7∶1～15∶1，氮磷比< 5∶1時(shí)就會(huì)引起氮限制，而當(dāng)?shù)妆? 40∶1則會(huì)引起磷限制。豐茂武等[17]研究發(fā)現(xiàn)，藻類最佳生長(zhǎng)條件為氮磷比40∶1，藻類生長(zhǎng)取決于氮的質(zhì)量濃度。在本研究中，當(dāng)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(xì)胞在第4 d時(shí)就幾乎完全去除了污水中的氨態(tài)氮；當(dāng)初始氨態(tài)氮濃度為25 mg/L時(shí)，三種不同的氮磷比對(duì)小球藻的除磷能力幾乎沒(méi)有影響。因此，在較適宜小球藻生長(zhǎng)的條件下，能夠很好地實(shí)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，被人們贊美為“罐裝的太陽(yáng)”。因此研究光照條件對(duì)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(shí)，2種光照條件(L/D分別為24 h∶0 h和12 h∶12 h)對(duì)氮磷的去除效果無(wú)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(shì)。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(duì)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果不同，可能由于藻種的不同而引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。光暗交替的光照方式實(shí)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(duì)高濃度氮磷的降解速率不及連續(xù)光照，但考慮到實(shí)際廢水中氨態(tài)氮的初始濃度一般達(dá)不到本實(shí)驗(yàn)涉及的最大濃度，因此這種在降解速率上的差異應(yīng)該不會(huì)影響到實(shí)際應(yīng)用，并且考慮到污水處理的節(jié)能環(huán)保問(wèn)題，采用光暗交替的處理方式有一定的優(yōu)勢(shì)，而小球藻處理生活污水的最佳光暗處理?xiàng)l件還有待進(jìn)一步研究。小球藻只有在適宜的pH范圍之內(nèi)才有利于對(duì)污水中的氨態(tài)氮去除，pH在7～8范圍內(nèi)小球藻對(duì)氨態(tài)氮的去除率最佳。pH在5～7范圍時(shí)，小球藻對(duì)總磷的去除率最佳?？紤]到小球藻細(xì)胞的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致pH的升高，在實(shí)際處理過(guò)程中就應(yīng)對(duì)廢水的pH變化進(jìn)行適當(dāng)監(jiān)控。

[1] 張利平，夏 軍，胡志芳. 中國(guó)水資源狀況與水資源安全問(wèn)題分析[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2009，18(2)：116-120.

[2] 易津湘. 城市污水生物脫氮除磷技術(shù)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，(11)：4-5.

[3] Oswald W J，Gotaas H B. Photosynthesis in sewage treatment[J]. Trans. Am. Soc. Civ. Eng.，1957，122 (1) ：73-105.

[4] 鄧 旭，魏 斌，胡章立. 利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究[J].環(huán)境科學(xué)，2010，31(6)：1489-1493.

[5] Hasegawa T，Noda K，Kumamoto S，etal..Chlorellavulgarisculture supernatant (CVS) reduces psychological stress-induced apoptosis in thymocytes of mice[J]. Int. J. Immunopharmaco.，2000，22(11)：877-885.

[6] 張靜霞.小球藻去除污水中氮磷能力的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(32)：15944-15945.

[7] Lei A P，Wong Y S，Tam N F. Removal of pyrene by different microalgal species. [J]. Water Sci. Technol.，2002，46(11-12)：195-201.

[8] 呂福榮，楊海波，李英敏. 小球藻凈化污水中氮磷能力的研究[J]. 生物學(xué)雜志，2003，20(2)：25-27.

[9] 王曉蓮，彭永臻，王淑寶，等. 城市可持續(xù)污水生物處理技術(shù)[J]. 水處理技術(shù)，2004，30 (2) ：106-109.

[10] Marinho-Soriano E，Nunes S O， Carneiro M A A，etal.. Nutrients removal from aquaculture wastewater using the macroalgaGracilariabirdiae[J]. Biomass Bioenergy，2009，33(2)：327-331.

[11] Aslan S，Kapdan I K. Batch kinetics of nitrogen and phosphorus removal from synthetic wastewater by algae[J]. Ecol. Eng.，2006，28(1)：64-70.

[12] 張 薇，吳 虹，宗敏華. 蛋白核小球藻發(fā)酵產(chǎn)油脂的研究[J]. 微生物學(xué)通報(bào)，2008，35(6)：855-860.

[13] 劉楊平，黃迎春，王鶴立. 淺談環(huán)境因子對(duì)硅藻生長(zhǎng)的影響[J]. 科技信息，2009，(33)：648-649.

[14] Zhen-Feng S，Xin L，Hong-Ying H，etal.. Culture ofScenedesmussp. LX1 in the modified effluent of a wastewater treatmentplant of an electric factory by photo-membrane bioreactor[J]. Bioresour. Technol., 2011，102(17)：7627-7632.

[15] 楊福利，李秀辰，白曉磊，等. 小球藻脫氮除磷及其生物量增殖潛力的研究[J]. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014，29(2)：193-197.

[16] Kunidanes S，Anekom M，Maehara R. Growth and nutrient uptake of green alga，Scenedesmusdimorphus，under a wide rangeof nitrogen/phosphorus ratio[J]. Water Res.，1984，18 (10) ：1299-1311.

[17] 豐茂武，吳云梅，馮仕訓(xùn)，等. 不同氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17(5)：1759-1763.

[18] Lee K，Lee C G. Effect of light/dark cycles on wastewater treatments by microalgae[J]. Biotechnol. Bioproc. Eng.，2001，6(3) ：194-199.

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(xiàng)資金項(xiàng)目(CXZZ20120618111150009;ZDSY20120618162015166)資助。

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

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.01.09