重要環(huán)境因子對小球藻去除污水中氮磷的影響

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(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(jié)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(dǎo)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(fù)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(yīng)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(guān)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(chǔ)。

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(xué)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(yù)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(yù)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(shè)置3個平行實驗，取平均值作為最終實驗結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(yīng)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(jié)果見圖3和圖4。從圖3 的結(jié)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(jié)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(guān)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(jié)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(jié)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(guān)，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(jié)果不同，可能由于藻種的不同而引起實驗結(jié)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(yīng)該不會影響到實際應(yīng)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(dǎo)致pH的升高，在實際處理過程中就應(yīng)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(shù)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(shù)研究。E-mail:wb@ierec.com

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.01.09