微球藻去除尾水中氮素的特征

劉 碩，賀宇環，萬敬敏，桂欣欣，劉自曼，李方紅，趙志瑞,2,3

1.河北地質大學 水資源與環境學院，河北 石家莊 050031；2.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室，河北 石家莊 050031；3.河北省高校生態環境地質應用技術研發中心，河北 石家莊 050031

藻類能夠從根本上解決現存的一些環境問題，例如根據環境本身固有的特性對污染降解、替代多種化學物品的使用進而避免應用化學物質帶來的二次污染等問題。因此藻類等自然資源以其得天獨厚的優勢不斷被研究與開發，并且在環境修復、環境化工、生物質能源等方面展示了自身的作用[1-2]。藻類多為無真正根莖葉的單細胞低等植物、群體或多細胞葉狀體，因其細胞中含有葉綠素及其他輔助色素，所以所有的藻類都能夠進行光合作用[3]。

近年來藻類資源的研究成為趨勢，這也促進了國內外學者對藻類在環境保護中強大作用的認識。鄧祥元等[4]以不同氮磷濃度的培養液為研究對象，比較分析了蛋白核小球藻和斜生柵藻對氮、磷的去除能力，研究表明，這兩種微藻的總氮去除效率高達97%。Oslawd等[5]利用藻類可以進行光合作用的特性來降低污水中氮和磷濃度和一些營養物質作為課題進行了研究。李川等[6]用海藻酸鈉膠囊來包埋蛋白核小球藻、魚腥藻、突變衣藻和雙對柵藻，觀察四種藻在懸浮和固定狀態下的生長情況和對污水中氨氮及硝態氮的降解狀態，部分實驗結果觀察與討論后可知藻細胞在固定狀態下長勢更好更穩定[7]。Akhtar等[8]在實驗中進一步證明固定化的微球藻對水中Cr3+的去除率高達98%。馬沛明等[9]研究課題把著生顫藻作為掛膜藻種在載體聚乙稀網上生長，討論該藻類膜對人工合成污水中氮磷去除效果、對污水處理廠二級污水中氮磷的去除效果以及富營養化湖水中降解氮和磷的效果；在連續5d的觀察下發現，培養的藻類生物膜最終對三種水中總氮的去除效率是57.1%、94.5%和93.8%，對總磷去除效率是93%、73%和79%[7]。

本課題在室內進行[10-11]，研究優化篩選出的一株微球藻在不同溫度和pH值下對尾水中氮素及COD的去除效率，進而反映微球藻在實際應用中處理降解尾水中某些主要污染物的能力，以期為污水的處理提供一定支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

(1)橋東污水處理廠尾水。

(2)從藻類中分離純化得到的一株微球藻。

1.2 實驗方法

氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法，硝態氮的測定采用紫外分光光度法，總氮的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[12]。

2 結果與分析

2.1 不同pH值對微球藻降解尾水中氮素及COD效果研究

2.1.1 不同pH值原水中氨氮的濃度變化

通過連續9d的觀察，不同pH值原水中氨氮的濃度變化繪制曲線如圖1所示。

圖1 不同pH值下原水中氨氮濃度變化趨勢Fig.1 Trend of ammonia nitrogen concentration in raw water at different pH values

如圖1所示，整體上觀察，pH值為5與pH值為其他值相比較下，氨氮的去除率差距非常明顯，此條件下降解率只達到45.0%；pH值為6、7、8、9條件下尾水中氨氮的最終去除都可以達到較好的效果且這四種實驗條件下去除率數值相近，其降解率均在74%以上。通過圖1還可以觀察到，在連續培養的前5d，pH值為5和pH值為9的尾水中微球藻對氨氮的降解速率均處于較低的水平，相比之下，其他pH值條件下尾水中的氨氮一直以較快的速度降解。但在連續培養的第6d至第9d，不同pH值條件下尾水中氨氮的降解速率大致一致，氨氮濃度的下降趨勢相差不大。由此還可以得出，不同的pH值對尾水中氨氮降解的前期階段影響較明顯，對后期的氨氮降解影響較小。

2.1.2 不同pH值原水中硝態氮的濃度變化

通過連續9d的觀察，不同pH值原水中硝態氮的濃度變化繪制曲線如圖2所示。

由圖2觀察到，前3d尾水中微球藻降解硝態氮的效率很低，且降解速率幾乎沒有差別。從第3d之后，不同pH值下尾水中的硝態氮濃度有了區別。從圖中觀察到pH值為7和8時，微球藻對硝態氮的去除效率影響大致相同，均在15%～20%之間；pH值為6和9時的硝態氮降解趨勢幾乎一致，均在30%～40%之間；在pH值為5時，微球藻降解硝態氮效率達到最大，究其原因這一現象可能與微球藻在此環境下生長特性相關。余若黔等[13]通過對微球藻異樣生長特性的研究，驗證了在異樣條件下，微球藻生長的最適pH值為5.5～6.5[14]。本次實驗微球藻在pH值為5.5～6.5左右條件下可以最好的降解尾水中硝態氮，很大原因可能是因為在此條件下微球藻最適合生長。

圖2 不同pH值下原水中硝態氮濃度變化趨勢Fig.2 Trend of nitrate concentration in raw water at different pH values

2.1.3 不同pH值原水中總氮的濃度變化

通過連續9d的觀察，不同pH值原水中總氮的濃度變化繪制曲線如圖3所示。

圖3 不同pH值下原水中總氮濃度變化趨勢Fig.3 Trend of total nitrogen concentration in raw water at different pH values

如圖3所示，不同pH值梯度的尾水中，總氮濃度變化速率與趨勢大致相同，最終微球藻降解總氮的效率也相差不大。在前3d中，微球藻在pH值為8時對總氮的降解效率明顯最高；但當在第4d時，尾水中的總氮濃度略高于第3d的總氮濃度，這一現象可能受微球藻的生長特性影響。整體上看，單因素pH值對在自然光下用微球藻降解尾水中總氮的速度與效率影響很小，且微球藻對尾水中總氮去除效率均達到很高水平。由此也可以得出，此株微球藻對尾水中總氮的降解能力不太受pH值條件的限制，這一特性使此株微球藻在處理尾水中總氮應用中具有一些優勢。

2.1.4 不同 pH值原水中COD的濃度變化

通過連續9d的觀察，不同pH值原水中COD的濃度變化繪制曲線如圖4所示。

圖4 不同pH值下原水中COD濃度變化趨勢Fig.4 Trend of COD concentration in raw water at different pH values

如圖4，相鄰梯度pH值下微球藻降解尾水中COD的趨勢相近，即相鄰梯度pH值的降解速率與降解效率很相近。pH值為5、6、7三個梯度的降解效率極為接近，分別為42.7%、43.6%、41.3%；pH值為8和9時的COD降解趨勢很相似，降解效率也相差不大，分別為51.6%、56.2%，降解效果略好于前三個梯度。從圖中還可以此結論：pH值越大，微球藻降解尾水中COD能力越高。所以單因素pH值對尾水中微球藻降解COD的效果具有一定影響，且在pH值梯度增加時COD降解效率呈緩慢上升的趨勢。

以上在不同pH值的尾水中實驗結果可以觀察到，當pH值在5～9范圍時，不同pH值條件下微球藻降解尾水中氨氮、硝態氮的效率差值較大，均在35%以上，表明在微球藻處理尾水中氨氮和硝態氮時pH值因素對其降解效果影響較大；不同pH值條件下微球藻降解總氮和COD的效率差值較小，其最大降解率與最小降解率相差均不到20%，表明在微球藻處理尾水中總氮和COD時pH值因素對其降解效果影響較小。

2.2 不同溫度對微球藻降解尾水中氮素及COD效果研究

2.2.1 不同溫度下原水中氨氮濃度變化

通過連續9d的觀察，不同溫度下原水中氨氮濃度變化繪制曲線如圖5所示。

通過圖5中不同的曲線，可以觀察到，35℃和40℃下微球藻對尾水中氨氮的降解趨勢很相似，降解效率相同，均為33.3%；在20℃和25℃下微球藻對氨氮的降解率較35℃和40℃狀態下高，降解率分別為56.9%和62.7%，但20℃和25℃兩個溫度下的降解變化趨勢差異很大，直至連續培養9d后兩個溫度下的尾水中氨氮濃度相差才很小；在30℃時，微球藻能夠最好的降解尾水中的氨氮，其降解率可達到80.4%，在此溫度下的降解效果明顯好于其他溫度條件下的降解效果，由此可以猜測在30℃條件下，本實驗所篩選的微球藻有較好的生長狀態或有較高的降解特性。

圖5 不同溫度下原水中氨氮濃度變化趨勢Fig.5 Trend of ammonia nitrogen concentration in raw water at different temperatures

2.2.2 不同溫度下原水中硝態氮濃度變化

通過連續9d的觀察，不同溫度下原水中硝態氮濃度變化繪制曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度下原水中硝態氮濃度變化趨勢Fig.6 Trend of nitrate concentration in raw water at different temperatures

如圖6所示，不同溫度下微球藻對硝態氮的降解效果均具有一些差異，隨著微球藻降解天數的增加，不同溫度下的降解效率差異在不斷加大。在20℃時，微球藻降解效率極低，第9d尾水中硝態氮濃度與原水濃度幾乎相同，其降解率僅為11.1%；在25℃、30℃時，微球藻降解硝態氮效果狀態逐漸變好，降解率分別為33.3%、44.4%，隨著溫度的增加，微球藻降解尾水中硝態氮的能力也在逐漸增強；在35℃時，微球藻的降解效果達到最佳，降解率為55.6%；但在40℃條件下，微球藻對硝態氮的降解效率下降到25.9%。此實驗表明在20℃～35℃范圍內隨著溫度的增加，微球藻降解尾水中硝態氮的能力也隨之增加，但溫度過高則會對微球藻降解硝態氮能力起到一定抑制作用。

2.2.3 不同溫度下原水中總氮濃度變化

通過連續9d的觀察，不同溫度下原水中總氮濃度變化繪制曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度下原水中總氮濃度變化趨勢Fig.7 Trend of total nitrogen concentration in raw water at different temperatures

如圖7所示，在20℃、35℃和40℃時，連續培養9d的尾水中總氮變化趨勢幾乎一致，最終微球藻降解效果也幾乎相同，其降解率分別為53.1%、53.1%、44.9%；在25℃時，微球藻對尾水中總氮的降解效率為62.2%；當溫度為30℃時，在整個連續培養過程中，微球藻的降解速率一直較快，明顯比其他溫度下的降解效率高很多，其降解率達到74.5%，是所有設定的溫度梯度條件下降解效果最好的，在此溫度下，微球藻又一次最好地發揮降解尾水中總氮的能力。

2.2.4 不同溫度下原水中COD濃度變化

通過連續9d的觀察，不同溫度下原水中COD濃度變化繪制曲線如圖8所示。

圖8 不同溫度下原水中COD的濃度變化趨勢Fig.8 Trend of COD concentration in raw water at different temperatures

通過圖8可以觀察到，40℃時，第9d尾水中COD含量與原水中初始含量相比幾乎沒有變化，其降解率為4.8%，表明在此條件下微球藻對尾水中COD幾乎不降解；25℃和30℃時尾水中COD的降解率相似，分別為24.4%、25.9%；在35℃時，微球藻對尾水中COD的降解率為33.3%；在20℃時，此溫度下尾水中COD的降解速率從培養開始相較其他溫度條件下尾水中的COD降解速率高，通過此實驗現象說明在此條件下微球藻對尾水中COD降解效果是最好的，但在第8d的時候，尾水中COD濃度不降反升，可能是因為微球藻的死亡引起的[15-16]。普通微球藻的死亡會引起藻細胞內容物進入到水環境中從而引起水質，尤其是COD、總磷的變化[17]。再隨著藻類的生長，這些物質再次被利用，則水質得以改善。在第9d時，20℃尾水中的COD含量繼續下降，微球藻在此條件連續培養過程中達到了最佳降解效果。

以上在不同溫度的尾水中進行的實驗結果表明，在實驗設定的20℃～40℃溫度條件下，微球藻降解尾水中氨氮、硝態氮的效率差值幾乎在40%以上，微球藻降解尾水中總氮和COD的效率差值在30%以上，表明溫度因素對微球藻降解尾水中主要污染物的能力具有較大的影響。

3 結論

(1)通過微球藻在不同條件下對尾水中主要污染物的降解，可以得出微球藻在單因素pH值為9和溫度為30℃時的尾水中對氨氮的降解效果最佳，降解率均可到80.4%；微球藻在單因素pH為5和溫度為35℃時的尾水中對硝態氮的降解效果最佳，降解率可達51.9%、55.6%；微球藻在單因素pH值為9和溫度為30℃時的尾水中對總氮降解效果最佳，降解率可達71.4%、74.5%；微球藻在單因素pH值為9和溫度為20℃時對尾水中的COD降解效果最佳，降解率可達42.7%、43.6%。

(2)微球藻降解尾水中氨氮與總氮的效果較好，均可達到70%～80%；微球藻對尾水中硝態氮與總氮的降解一般在50%左右。總體上，此研究所選的微球藻對尾水的降解效果比較不錯，其中一個原因有可能是此研究進行的時間為春季，據項藎儀等[18]研究表明，微球藻在春夏季節及對污水中水體指標的降解相對較好。

(3)總體上看，溫度因素的改變比pH值因素的改變更容易影響本實驗所選的微球藻對尾水中主要污染物的降解能力。