氮磷比及饑餓度對藻類膜脫氮除磷能力的影響

魏　群，陳延飛，李曉偉，涂曉杰，蔡元妃，朱宇軒，周　軍

(1.廣西大學環境學院， 廣西南寧530004； 2.廣西高校環境保護重點實驗室， 廣西南寧530004;3.河海大學文天學院， 安徽馬鞍山243031)

?

氮磷比及饑餓度對藻類膜脫氮除磷能力的影響

魏群1,2，陳延飛1，李曉偉1，涂曉杰1，蔡元妃3，朱宇軒1，周軍1

(1.廣西大學環境學院， 廣西南寧530004； 2.廣西高校環境保護重點實驗室， 廣西南寧530004;3.河海大學文天學院， 安徽馬鞍山243031)

摘要：為研究氮磷比及饑餓度對藻類膜脫氮除磷能力的影響，在室溫(25±2) ℃、約3500 lx的連續光照條件下，以水華魚腥藻(Anabaena flos-aquae)為藻種，立體彈性聚氯乙烯為載體制備藻類膜，對5種氮磷比(5∶1、10∶1、16∶1、20∶1、30∶1)及饑餓條件(0、1、2、4、7 d)進行為期6 d的污水處理實驗。結果表明： 氮磷比實驗中，氮磷比為20∶1實驗組藻類膜生物量最大，為3.875×106個/mL，藻類膜對的去除率最高，分別為87.32%、90.57%；在最佳氮磷比為20∶1條件下，饑餓2 d實驗組藻類膜生物量最大，為3.75×106個/mL，藻類膜對的去除率最高，分別為88.80%、84.29%。

關鍵詞：藻類膜；氮磷比；饑餓度；氨氮；總磷

隨著研究的不斷深入，藻類處理氮磷污水的經濟性與可行性得到證實[1-5]。藻類主要包括懸浮態藻類、固定化藻類和藻類膜等，其應用方式多樣。藻類膜是一種新型的生物脫氮除磷技術，借助一定的掛膜載體可大幅提高單位面積藻類生物量，增強藻類光合吸收、富集轉化水中氮磷等營養物質和有毒有害物質的能力。國內外研究者開展溫度、光照、pH等因素對藻類脫氮除磷影響的研究[6-8]，取得了一定的成果。然而，對于氮磷比與饑餓度對藻類膜脫氮除磷能力的相關研究較少。不同藻類對氮磷比的需求不用，Bulgakov等[9]對綠球藻目(Chlorococcales)4種藻的實驗室研究表明，當m(N)/m(P)為3.5時小球藻(Chlorellavulgaris)為優勢藻種，而當m(N)/m(P) 為20時四尾柵藻 (Scenedesmusquadricauda)為優勢藻種。毛書端等[10]利用固定化藻菌系統處理模擬廢水，發現系統最佳氮磷比和碳氮比分別為5∶1和35∶1。湯會軍等[11]的研究表明，饑餓處理3 d的柵藻恢復培養5 d后對TN、TP的去除率分別提高24.4%、60.2%。本實驗以水華魚腥藻(Anabaenaflos-aquae)為掛膜藻種，立體彈性聚氯乙烯為掛膜載體，著重探討氮磷比及饑餓度對水華魚腥藻藻類膜脫氮除磷能力的影響，旨在為藻類膜在水處理領域的應用提供一定的理論基礎。

1材料與方法

1.1實驗藻種與載體

實驗藻種為水華魚腥藻(Anabaenaflos-aquae)，購自中國科學院武漢水生生物所；載體選用立體彈性聚氯乙烯載體，具有親水性好、比表面積大、生物相容性好、造價低廉等優點，由市場購得；實驗所用化學試劑均為分析純級。

1.2實驗培養基與污水

藻類培養選用BG11培養基，其配方(單位為g/L)如下：Na2CO30.02；NaNO31.5；K2HPO40.04；CaCl2·2H2O 0.036；MgSO4·7H2O 0.075；檸檬酸0.006；檸檬酸鐵銨0.006；EDTANa20.001；Co(NO3)2·6H2O 0.05；MnCl2·4H2O 1.86；CuSO4·5H2O 0.08；ZnSO4·7H2O 0.22；Na2MoO4·2H2O 0.39；H3BO32.86。 實驗污水以BG11培養基為基礎，配制無N、P的BG11培養基，添加NH4Cl和K2HPO4作為N源和P源，配制成5種不同氮磷比(5∶1、10∶1、16∶1、20∶1、30∶1)的污水。

1.3實驗方法

1.3.1藻類膜培養

將立體彈性聚氯乙烯載體(長度為5 cm)置于2 000 mL燒杯中，填充容量約占燒杯的2/3體積，添加BG11培養基1 200 mL、對數生長期藻液60 mL，在室溫(25±2) ℃、連續光照強度約3 500 lx條件下靜態培養10 d。

1.3.2實驗過程

①氮磷比實驗

②饑餓度實驗

1.3.3指標測定方法

2結果與討論

2.1氮磷比及饑餓度對藻類膜生物量生長的影響

藻類膜生物量是藻類膜有效發揮水體凈化能力的基礎，不同的氮磷比和饑餓度均會影響藻類的生長，繼而影響藻類膜的脫氮除磷效果。

圖1為不同氮磷比對藻類膜生物量的影響。從圖1可知，5種氮磷比條件下，藻類膜生物量在實驗第1天的變化并不明顯，增量僅在0.055～0.455×106個/mL；隨后2 d進入對數增長期；最后3 d，除氮磷比為30∶1實驗組外，藻類膜生物量均保持較為明顯的增長趨勢。實驗結束時，氮磷比為20∶1實驗組生物量增量最大，由0.750×106個/mL增長到3.875×106個/mL；氮磷比為5∶1實驗組藻類膜生物量增量最小，由0.750 ×106個/mL增至1.725 ×106個/mL。

等量(0.750×106個/mL)生長穩定的藻類膜預先用蒸餾水進行饑餓預處理0、1、2、4、7 d，藻類膜生物量在經不同饑餓預處理階段已發生較為明顯的變化，其中，饑餓7 d實驗組生物量下降最大，由0.750×106個/mL下降到0.375×106個/mL。圖2為不同饑餓處理對藻類膜生物量的影響。從圖2可知，將饑餓處理后的藻類膜移至最佳氮磷比為20∶1的實驗污水中培養，藻類膜生物量持續上升。實驗結束時，饑餓2 d實驗組的藻類膜生物量增量最大，由0.700 ×106個/mL增至3.750×106個/mL；饑餓7 d實驗組的藻類膜生物量增量最小，由0.375 ×106個/mL增至2.000 ×106個/mL。

氮、磷元素是藻類生長必需的營養因子，不同的氮磷比對藻類生長的影響不同。Redfield定律認為，當氮磷比大于16∶1，磷為藻類生長的限制因子；當氮磷比小于10∶1，氮為藻類生長的限制因子；當氮磷比在10∶1～16∶1時，限制因素不能確定[12]。如圖1所示，當氮磷比為30∶1時，藻類膜生物量在第5天出現下降趨勢，這可能是由于外部氮營養因子遠超藻類膜生長需要所致，此時Redfield 定律并不適用，這與豐茂武等[13]研究的結果一致。饑餓處理消耗藻類細胞內儲存的氮、磷元素，當重新將藻類膜置于含氮、磷污水中時，藻類細胞迅速吸收氮、磷元素滿足自身生長需求。然而，過度饑餓會導致藻類膜對氮、磷需求量的降低，這是由于過度饑餓可能引起藻類膜細胞結構變性，使藻類細胞生長繁殖的能力變弱或喪失。田麗等[14]對固定化蛋白核小球藻的實驗研究也得出了類似結論。

圖1不同氮磷比條件下藻類膜生物量增長情況

Fig.1The increase of algal biomass in different N/P ratios

圖2不同饑餓處理條件下藻類膜生物量增長情況

Fig.2The increase of algal biomass in different hunger stress

2.2氮磷比及饑餓度對pH與DO的影響

圖3為不同氮磷比條件下pH與DO的變化情況。從圖3可知，實驗第1天，pH均急劇上升，氮磷比為10∶1實驗組的pH最大，為9.23，之后各實驗組處于小幅度的上下波動狀態，且變化值小于1；DO變化與pH類似，第1天均迅速上升，之后開始小幅度的波動，并維持在10.0 mg/L左右。

藻類膜生物量變化是引起pH與DO變化的主要原因。藻類光合作用反應[15]如下：

圖4為不同饑餓處理對污水pH與DO的變化情況。從圖4可知，pH在實驗初期均急劇上升，之后開始呈現不同程度的波動；實驗第5天，饑餓2 d實驗組pH最大，為9.34；其余饑餓處理條件下pH有一定的波動，但始終維持在8.5以上。此外，DO也迅速升高，之后維持小幅度的上下波動；實驗第4天，饑餓2 d實驗組DO最大，為11.44 mg/L；其余饑餓處理條件下DO均維持在9.63～11.44 mg/L。藻類膜生物量的變化是引起pH、DO變化的主要原因。結合圖2可知，饑餓處理能夠提高實驗初期藻類細胞的增長速率，表明適當饑餓處理有利于藻類的生長繁殖。

圖3氮磷比對污水pH和DO的影響

Fig.3Effect of N/P ratios on pH and DO of wastewater

圖4饑餓處理程度對污水pH和DO的影響

Fig.4Effect of hunger degrees on pH and DO of wastewater

2.3氮磷比及饑餓度對藻類膜脫氮除磷能力的影響

圖5氮磷比對藻類膜TP和NH+4-N去除能力的影響

Fig.5Effect of N/P ratios on removal rates of TP and NH+4-N by algal biofilm

圖6饑餓處理對藻類膜TP和NH+4-N去除能力的影響

Fig.6Effect of hunger degrees on removal efficiencies of TP and NH+4-N by algal biofilm

3結論

①氮磷比與饑餓度均影響藻類膜的生長。在5種氮磷比條件下，氮磷比為20∶1時藻類膜生物量最大，為3.875×106個/mL；在最佳氮磷比為20∶1條件下，饑餓2 d實驗組藻類膜生物量最大，為3.750×106個/mL。

參考文獻:

[1]AKHTAR N, IQBAL M.Biosorption characteristics of unicellular green alga Chlorella sorokiniana immobilized in loofasponge for removal of Cr(III)[J]. Environmental Sciences, 2008,20(2): 231-239.

[2]WANG B, LAN Q C.Biomass production and nitrogen and phosphorus removal by the green algaNeochlorisoleoabundansin simulated wastewater and secondary municipal wastewater effluent[J]. Bioresource Technology, 2011,102(10):5639-5644.

[3]孔進,張克峰,邢麗貞,等.鞘絲藻和顫藻對污水凈化能力的實驗研究[J]. 環境科學與管理, 2005,30(5): 39- 40，45.

[4]李川,薛建輝,趙蓉,等.4種固定化藻類對污水中氮的凈化能力研究[J]. 環境工程學報, 2009,3(12):2185-2188.

[5]蔡元妃,魏群,郭莉娜，等.六種藻類膜脫氮除磷的實驗研究[J]. 廣西大學學報(自然科學版),2013,38(3):668-672.

[6]周連寧,吳鋒,趙振業.重要環境因子對小球藻去除污水中氮磷的影響[J]. 生物技術發展,2015,5(1):60-65.

[7]GONCALVES A L, SIMOES M, PIRES J C M.The effect of light supply on microalgal growth, CO2uptake and nutrient removal from wasterwater[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 85:530-536.

[8]LIANG Z J, LIU Y, GE F, et al.Efficiency assessment and pH effect in removing nitrogen and phosphorus by algae-bacteria combined system of Chlorella vulgaris and Bacillus licheniformis[J]. Chemosphere,2013,92:1383-1389.

[9]BULGAKOV N G, LEVICH A P.The nitrogen/phosphorus ratio as a factor regulating phytoplankton community structure[J]. Archiv Fur Hydrobiologie, 1999, 146:3-22.

[10]毛書端,張小平,蘭永輝,等.廢水營養比對固定化藻菌去除污染物的影響及動力學研究[J]. 環境工程學報,2012, 6(5): 1525-1529.

[11]湯會軍,李鑫,胡洪營,等.初始密度及饑餓對柵藻LX1氮磷去除的影響[J]. 水處理技術, 2010,36(7): 33-35.

[12]RICHARD J, JULIE L R.Redfield revisited: variability of C∶N∶P in marine microalgae and its biochemical basis[J]. European Journal of Phycology， 2002, 37: 1-17.

[13]豐茂武,吳云海,馮仕訓,等.不同氮磷比對藻類生長的影響[J]. 生態環境, 2008,17(5):1759-1763.

[14]田麗,姜超,賈麗丹,等.饑餓處理對固定化小球藻處理市政污水的影響研究[J]. 給水排水, 2009,35(2):183-187.

[15]STUMM W, MORGAN J.Aquatic chemistry: Chemical equilibrium and rates in natural waters[J]. 3rd Edition. New York: John Wiley & Sons, 1995:1022.

[16]邢麗貞,張彥浩,張志杰,等.藻類膜對城市污水凈化能力的研究[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版), 2004,36(2):186-190.

[17]魏群,劉明升,蔡元妃.藻類膜對富營養化湖泊水處理效果實驗[J]. 環境工程, 2011,29(2): 10-12.

[18]JUAN P H, LUZ E D B, YOAV B.Starvation enhances phosphorus removal from wastewater by the microalga Chlorella sp.co-immobilized with azospirillum brasilense[J]. Enzyme and Microbial Technology, 2006, 38(1-2): 190- 198.

(責任編輯張曉云裴潤梅)

收稿日期：2015-09-10；

修訂日期：2016-01-08

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51269002)

通訊作者：魏群(1971—)，男，湖南隆回人，廣西大學教授，博士；E-mail：weiqun@gxu.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0890

中圖分類號:X703

文獻標識碼:A

文章編號：1001-7445(2016)03-0890-06

Effect of N/P and hunger on the capacity of nitrogen and phosphorus removal from wastewater by algal biofilm

WEI Qun1,2, CHEN Yan-fei1, LI Xiao-wei1, TU Xiao-jie1, CAI Yuan-fei3, ZHU Yu-xuan1, ZHOU Jun1

(1.School of the Environment，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Guangxi University Key Laboratory of Environmental Protection，Nanning 530004，China；3.Wentian College，Hohai University，Maanshan 243031，China)

Abstract:In order to investigate the effect of nitrogen to phosphorus ratio (N/P ratio) and hunger stress on the nitrogen and phosphorus removal capacity, an algal biofilm was prepared with Anabaena flos-aquae fixed on the PVC carrier under the condition of room temperature(25±2) ℃ and continuous light of 3500 lx. The algal biofilm was used to treatment wastewater for six days in different N/P ratios(5∶1、10∶1、16∶1、20∶1、30∶1)and algal cells hunger stress(0、1、2、4、7 d). The results showed that, when N/P was 20∶1, the biomass on the algal biofilm is biggest, reaching 3.875×106 cells/mL, and the removal rates of total phosphorus (TP) and ammonium nitrogen -N) in sewage were also highest, up to 87.23% and 90.57% respectively. Under the optimum N/P condition, the algal biofilm biomass is highest in the case of algae treated with starvation for two days, reaching 3.75×106 cells/mL, and the highest removal rates of TP and -N were 88.80% and 84.29% respectively.

Key words:algal biofilm; N/P ratio; hunger stress; ammonium nitrogen; total phosphorus

引文格式：魏群，陳延飛，李曉偉，等. 氮磷比及饑餓度對藻類膜脫氮除磷能力的影響[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(3)：890-895.