綠藻對不同負荷污水的耐受力及水中氮磷的去除效果

歐紅梅，趙婧瀅，陳可為，朱瑋琪，曹德菊

(安徽農業大學 資源與環境學院，安徽 合肥 230036)

隨著我國農村生活水平的逐步提高，農村生活污水排放量日益擴增，但目前我國農村生活污水一般呈粗放型排放，村莊缺乏排水渠道和污水處理系統，其產生的污水大多未經處理，直接排放入池塘、農田或河流，造成環境污染和水體富營養化等問題[1-4]。高效藻類塘通過藻類吸收氮、磷作為營養物質而使污水中氮磷等得到有效去除，從而使污水處理后能達標排放[5-7]。該技術具有投資成本和運行費用較低、維修較容易且對氮磷去除率較高的特點[8]。因此，在農村地區發展與推廣高效藻類塘處理生活污水具有較大的可行性。而高效藻類塘的處理效率與塘內藻類脫氮除磷的能力密切相關。

目前，已有大量利用藻類脫氮除磷處理污水的研究。李川等[9]研究發現，固定化小球藻對NH4+-N的去除效果較好，試驗第5天去除率達91.9%，具有很好的應用前景。SU等[10]研究表明，小球藻不僅具有較好的沉降性，而且具有最佳的脫氮除磷能力，去除率達99%以上。劉慶輝等[11]研究表明，小球藻類和柵藻類在養殖尾水中的氮磷吸收效果較好，氮磷去除率達85%以上。凌云等[12]研究發現，四尾柵藻在污水中適應性很好，能夠較快吸收氮磷。唐斐[13]研究發現，二沉池中優勢藻種為短帶鞘藻，具有較強的適應能力。馬頃[14]研究認為，剛毛藻對氮磷的耐受性大，且剛毛藻的相對增長率隨著氮磷濃度的增加而增大。由于采用的藻類和污水類別不同，其在不同污水環境下的脫氮除磷效果和生長繁殖情況有差異，具體應用中需要結合污水處理要求，選擇優勢藻種，發揮其吸收氮、磷的優勢，達到高效處理污水中氮、磷等污染物。鑒于此，以蛋白核小球藻、四尾柵藻、短帶鞘藻及剛毛藻為研究對象，采用雙因素試驗比較4種藻類在不同污染負荷環境下的生長情況及其對氮磷的去除能力，篩選最適宜生長且脫氮除磷效果最好的藻種，以期為有效解決農村生活污水帶來的環境污染問題提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藻類 蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)FACHB-27、四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)FACHB-1476、短帶鞘藻(Oedogoniumbrevicingulatum)FACHB-999及剛毛藻Cladophoraglomerata)。蛋白核小球藻、四尾柵藻和短帶鞘藻購于中國科學院淡水藻種庫；剛毛藻取自合肥市蜀山區境內的黑池壩水域。

1.1.2 試劑 葡萄糖、尿素、氯化銨、磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉、七水硫酸鎂、五水硫酸鈣和六水三氯化鐵，分析純。

1.1.3 儀器設備 PRX-250C人工氣候箱，寧波海曙；JW-3022HR離心機，寧波新芝；BXM-30R自動高壓滅菌鍋，上海博迅；UV-2900(PC)紫外分光光度計，上海元析；ST3100 pH計，奧豪斯；JPSJ-605臺式溶氧儀，上海儀電；DHG-9240A烘箱，常州海博。

1.2 方法

1.2.1 材料預處理

1) 藻體培養。蛋白核小球藻、四尾柵藻和短帶鞘藻，用BG11培養基在溫度25℃和光照為12 h的人工氣候箱中培養，每日早晚搖晃藻液瓶各1次，對藻種進行擴繁。將擴繁的蛋白核小球藻、四尾柵藻、短帶鞘藻分別放入轉速為3 000 r/min的離心機離心10 min，棄上清液；再用濃度為15 mg/L的碳酸氫鈉溶液對其洗滌，之后再次離心，2～3次重復；最后將濃縮的藻液通過血球計數板和顯微鏡進行藻液生物量確定，備用。剛毛藻，試驗前采回并用自來水沖洗，除凈附著于其上的蟲卵及其他雜質，再用去離子水沖洗3遍待用。

2) 污水配置。試驗用農村生活污水采用人工模擬方式制取。高濃度負荷污水的TN、TP、NH4+-N及CODcr濃度分別為105～115 mg/L、9～12 mg/L、85～95 mg/L和240～350 mg/L。高濃度負荷污水的具體配方：葡萄糖0.3 g/L，尿素0.03 g/L，氯化銨0.3 g/L，磷酸二氫鉀0.02 g/L，碳酸氫鈉0.4 g/L，七水硫酸鎂0.02 g/L，五水硫酸鈣0.02 g/L，六水三氯化鐵0.01 g/L。低濃度負荷污水配方各成分均為高濃度負荷污水各成分的1/3。

1.2.2 試驗設計 采用雙因素試驗設計，因素1，污水濃度，高濃度負荷污水和低濃度負荷污水2種N、P負荷梯度，使用前將pH調節至中性。因素2，蛋白核小球藻、四尾柵藻、短帶鞘藻和剛毛藻4種藻體。2次重復。剛毛藻初始投加量為3 g鮮重/L；蛋白核小球藻、四尾柵藻和短帶鞘藻投放后的初始密度約為8×105ind./mL。

1.2.3 指標測定 試驗在(25±1)℃和光照時間12 h的生態學培養室中進行，取樣時間為0 d、2 d、4 d、6 d和8 d，分析檢測水樣的藻細胞葉綠素a、TP、TN及NH4+-N的含量。污水-藻類混合液混勻取樣，經0.45 μm濾膜過濾，測定總氮、總磷和氨態氮含量。納氏試劑分光光度法測定NH4+-N，堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定TN，過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定TP[15]。藻細胞葉綠素a采用丙酮-乙醇-超聲法測定[16]。

1.2.4 數據處理 采用Origin 2015和SPSS 20.0進行圖形和數據處理。

2 結果與分析

2.1 4種藻體在不同負荷污水中的生長情況

葉綠素a含量是研究水生浮游生物的重要指標。浮游植物葉綠素a與生物量一般呈顯著正線性相關關系[17]。因此，可用葉綠素a表征藻類生物量。從圖1看出4種藻體在低負荷污水和高負荷污水中的生長變化。

2.1.1 低負荷污水 蛋白核小球藻的生長情況最好，較處理初期，蛋白核小球藻生物量的增長率呈先升后降趨勢，且高于其他藻種，此優勢一直維持至處理第6天；四尾柵藻生物量的增長率亦呈先升后降趨勢，但變化平緩；短帶鞘藻生物量的增長幅度較大，且一直呈上升趨勢；剛毛藻的生物量呈先降后升趨勢，從初始日至處理第2天呈下降趨勢，之后藻種適應污水條件，其生物量緩慢上升，在第4天以后藻類生物量有明顯增長。

2.1.2 高負荷污水 蛋白核小球藻生物量的增長率呈先降后升趨勢，從初始日至處理第2天呈下降趨勢，之后其很快適應環境，生物量的增長率呈上升趨勢，且從第4天開始增長率均達220.0%以上，第8天藻類增長率達403.7%；四尾柵藻增長幅度平緩，受N、P污染負荷影響小；短帶鞘藻和剛毛藻生物量呈先降后升趨勢，在處理初期有一個適應期，生物量呈下降趨勢，處理第2天之后藻類生物量逐漸升高，短帶鞘藻呈一直上升趨勢，而剛毛藻呈波動上升趨勢。

2.2 4種藻體對不同負荷污水中總磷的去除效果

從圖2看出，4種藻體對低負荷污水和高負荷污水中總磷的去除效果。

2.2.1 低負荷污水 蛋白核小球藻的除磷能力遠遠高于其他藻類，處理效果明顯，在第4天時，磷含量降至0.181 mg/L，達總磷一級A排放標準，去除率達95.1%；第8天時總磷去除率達最高，為96.0%。剛毛藻在第2天時已同化吸收磷元素85.8%；但隨著時間的延長，處理液中磷含量升高，剛毛藻的除磷率不斷下降。整體看，剛毛藻對磷元素具有一定的去除能力，在處理第8天時，總磷去除率達70.2%。四尾柵藻和短帶鞘藻對總磷的去除率增幅隨時間的延長呈先快后慢增大趨勢，在處理第8天時，總磷去除率分別達52.9%和62.3%。

2.2.2 高負荷污水 隨著時間的延長，蛋白核小球藻對總磷的去除率呈先快后慢上升趨勢，第8天時達73.6%。剛毛藻和短帶鞘藻對總磷的去除率均呈先升后降趨勢，且均在第2天時出現吸收高峰，之后去除率逐漸降低。四尾柵藻對總磷的去除率亦呈先升后降趨勢，在第4天時對磷的去除率達58.6%，之后隨時間變化去除率波動變化不大。

2.3 4種藻體對不同負荷污水中總氮的去除效果

從圖3看出，4種藻類對低負荷和高負荷污水中總氮的去除率。

2.3.1 低負荷污水 4種藻類都有一定的除氮能力，第6天時污水總氮含量均達安全排放標準。從第2天開始，四尾柵藻和剛毛藻去除效果良好，而蛋白核小球藻和短帶鞘藻去除率相對較低；但第4天時，蛋白核小球藻去除效率明顯提高，短帶鞘藻去除率也逐漸提高；第6天時，蛋白核小球藻和剛毛藻對氮素的吸收達最高峰；第8天時，四尾柵藻去除率最大，達83.6%，短帶鞘藻的去除率維持在75.7%，但剛毛藻處理水體的總氮含量增加，去除率呈顯著下降趨勢。可見，在低負荷污水中，四尾柵藻脫氮效果最理想，剛毛藻在營養不足時易分解，去氮效果不穩定。

2.3.2 高負荷污水 4種藻類對總氮的處理能力有較大差異。在處理初期，蛋白核小球藻和四尾柵藻脫氮效果較低，從第4天開始，二者除氮能力上升較快；第6天時，四尾柵藻的去除率最高，達75.2%；蛋白核小球藻其次，為67.0%；第8天時，四尾柵藻的去除率為88.7%，蛋白核小球藻去除率達70.6%。短帶鞘藻和剛毛藻對總氮的去除率呈先升后降趨勢，在第8天時二者的除氮水平較蛋白核小球藻和四尾柵藻低，分別為44.7%和44.8%。

2.4 4種藻體對不同負荷污水中NH4+-N的去除效果

從圖4看出，4種藻類對低負荷和高負荷污水中NH4+-N的去除效果與TN的去除效果相似。

2.4.1 低負荷污水 四尾柵藻對氨氮去除率呈先快后慢逐步升高趨勢且較其余藻種最高，第4天時去除率為70.6%，第8天時達最大，為77.0%，去除氨氮效果顯著。蛋白核小球藻和短帶鞘藻對氨氮的去除率呈逐步上升趨勢，第8天時去除率分別達74.3%和76.3%。剛毛藻對氨氮去除率在第2天時為53.6%，是處理初期去除率最好的藻類，第8天時達最大，為64.7%。說明，在低濃度的污水中4種藻類對NH4+-N均有較高的去除率。

2.4.2 高負荷污水 短帶鞘藻和剛毛藻去除氨氮的能力較低，第8天時去除率分別為46.4%和53.1%。蛋白核小球藻的去除率呈先快后慢逐步上升趨勢，第8天時去除率最高，達62.7%。四尾柵藻去除氨氮的能力相較于其余3種藻類突出，雖然第2天時其去除率僅19.2%，但第4天時去除率升至57.5%，第8天時最高，達75.4%。說明，高負荷污水中四尾柵藻是去除NH4+-N的最佳藻種。

3 結論與討論

研究結果表明，在低氮、磷污染負荷下，蛋白核小球藻的生長繁殖率高，從初期開始，蛋白核小球藻的增長率高于其他藻種，短帶鞘藻和剛毛藻在第4天時藻類生物量才大幅度增長，而四尾柵藻的增長率處于平緩狀態，但依然呈上升趨勢。蛋白核小球藻去除水體TP效果最好，第4天時去除率達95.1%，水體中TP含量達到一級A排放標準。在控制水體TN和NH4+-N方面，四尾柵藻和短帶鞘藻具有明顯優勢，第8天時，四尾柵藻去除率分別達83.6%和77.0%，短帶鞘藻去除率分別為75.7%和76.3%。第8天時剛毛藻處理水體中的TN和TP有所上升，導致去除率下降。由此推斷，剛毛藻在試驗后期出現部分老化，并出現了有部分藻類分解，將之前吸收轉化的氮素、磷素部分分解釋放，從而使得污水中的TN和TP含量升高。

在高N、P污染負荷下，四尾柵藻生長繁殖穩定，有很強的耐污能力，而蛋白核小球藻、短帶鞘藻和剛毛藻在處理初期有短暫適應期，4 d后蛋白核小球藻生長速度加快。對高污染負荷農村生活污水的N、P控制，蛋白核小球藻對TP去除效果最好，第8天時去除率達73.6%；四尾柵藻對TN和NH4+-N的去除優勢顯著，第8天時去除率分別達88.7%和75.4%。

在當前藻類的脫氮除磷研究中，尋求生長繁殖最佳和脫氮除磷效果最好的藻種以及固定化藻種復合脫氮除磷是主要研究方向。該研究針對農村生活污水處理的不同階段即不同污染負荷下，將目前藻類污水處理技術中表現優良的藻種進行對比研究，探討蛋白核小球藻、四尾柵藻、短帶鞘藻及剛毛藻4個藻種在同一外部環境和同一污染負荷下的污水處理能力，能夠更加直觀地反映不同藻種對農村生活污水的處理效果。

藻類生長繁殖必需從環境中吸收氮磷營養元素，而不同的藻種由于生長習性、細胞氮磷組成比例以及對環境的適應能力不同，對氮磷等營養元素的吸收和利用方式也存在差異[18-19]，因此，進水污染物的初始濃度、進水的氮磷比和污水中營養物質的濃度均對氮磷的去除率有影響。唐斐[13]研究表明，當污水N濃度小于5 mg/L時，短帶鞘藻對總氮的去除效果最佳；當污水P濃度低于0.5 mg/L時對磷的去除效果最佳；當污水N、P濃度高于此濃度時，去除率會迅速降低。該研究模擬的農村生活污水含有高氮磷，且含量均不在短帶鞘藻的最佳去除效果濃度范圍內，因此，短帶鞘藻在高濃度農村生活污水治理中不具有優勢。馬頃[14]研究剛毛藻生態適應性發現，在培養初期，較高的氮磷濃度對剛毛藻的生長產生抑制作用，隨著培養時間的延長，剛毛藻的生長出現較大幅度的增長。

藻種的生物量對TP的去除率存在較大影響[20]，藻種生物量越大，去除能力越強。研究結果表明，蛋白核小球藻生物量大幅增長，相應地其TP去除率也達到很高水平。四尾柵藻是由多個細胞組成，雖然增長幅度小，但生物量大，去除TN和NH4+-N效果明顯。劉祥等[21]采用斜生柵藻制備固定化小球，在NH4+-N初始濃度為70 mg/L時，培養5 d去除率達65.2%，低于該研究自由培養的四尾柵藻的去除率；而在NH4+-N初始濃度為30 mg/L時，斜生柵藻自由藻培養3 d去除率達97.8%，高于該研究四尾柵藻的去除率。代亮亮等[22]的研究發現，氨氮濃度對四尾柵藻的光合作用有影響，當氨氮濃度大于10 mg/L時，四尾柵藻的色素體在試驗初期出現輕度或者重度的損傷，該研究的氨氮濃度遠高于10 mg/L，因此，四尾柵藻的色素可能遭到了嚴重的損傷，測得的葉綠素a含量也相對偏低。