孔石莼Ulva pertusa 生物濾器對氨氮和磷酸鹽的去除研究

盧宏博，車鑒，夏寧，魏海峰

（1.大連海洋大學水產與生命學院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023；3.遼寧省近岸海洋環境科學與技術重點實驗室，遼寧 大連 116023；4.大連鑫玉龍海洋生物種業科技股份有限公司，遼寧 大連 116222）

城市生活污水和工業廢水的排放，使近海生態環境日益惡化，修復海洋富營養化成為亟待解決的問題。大型海藻吸收營養元素（N、P）的效率高，還具有一定的經濟效益，利用大型海藻修復海洋富營養化，治理環境技術受到高度關注。大型藻類體內的營養貯存機制適合在營養鹽波動的水體環境中生長，能從周圍環境中大量吸收氮、磷營養元素[1-3]及鉛、金、鎘、鈷[4]等重金屬，釋放氧氣，調節水體pH。生物過濾（Living Biological Filtration）[5,6]中的植物過濾[7]，主要利用了大型海藻體內的營養貯存機制。大型海藻過濾、生物膜過濾和動物過濾等復合處理養殖循環水技術可通過優勢互補，以達到水質凈化和廢物綜合利用的目的。

近年來,我國諸多海灣生態系統嚴重失衡[8]，富營養化嚴重,赤潮和養殖生物病害頻繁發生,加強對海洋富營養治理的研究勢在必行。姜培霞[9]構建了大型海藻-濾食性貝類-固定化微生物的海水富營養化綜合生物修復技術，以期通過修復生物之間的協同作用綜合改善水質，有效去除構成富營養化的污染物，為生物修復技術在我國近海富營養化海域大規模應用提供理論和應用基礎。王翔宇等[10]研究表明，海藻能明顯去除對氮磷。胡勁召等[11]研究認為，石莼吸收去除富營養化海水中營養鹽具有時間短、效率高，可用于處理富營養化水體或養殖廢水。張亮等[12]明確了不同形態的氮、氮磷比會影響藻類的光合速率和生長速率。張忠山等[13]綜述了幾種大型石莼屬綠藻在不同環境因子脅迫下的生理生化特征及其可能的調控機制，為近海海域環境治理提供科學依據。

大型海藻生物過濾技術是現代農業綜合利用和可持續發展思想的體現，是對污水處理方式的重要補充和發展。本實驗通過研究孔石莼Ulva pertusa大型海藻生物濾器對富營養化水體中NH4+-N 和PO43--P 的吸收去除，優化生物濾器去除效果的最佳條件，可為利用孔石莼改善海洋環境、修復海洋富營養化提供科學依據和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料及裝置

實驗用孔石莼采自大連市黑石礁海域，經室內培養一段時間，選取生長良好的孔石莼用于實驗。實驗用海水為大連黑石礁海區砂濾海水，鹽度31，pH 8.0～8.1。人工廢水中氨氮濃度為1 mg/L，磷酸鹽濃度為0.14 mg/L，N∶P＞16∶1。實驗所用試劑均為分析純。氮氮由氯化氨配制，濃度為1 000 mg/L，磷酸鹽為磷酸二氫鉀配制，濃度均為1 000 mg/L。

用于凈化污染廢水的大型海藻生物濾器由圓柱體透明有機玻璃構成，裝置內平均分5 等分，每層設有缺口的隔板，每隔板的缺口方向相反（圖1），水流由下至上循環流動。反應器一側設有取樣口，兩側可以安裝燈管，進行光照實驗。容器下端有水管進，水由上端出水，進水管由蠕動泵控制所需流速。

圖1 生物濾器裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a biological filter used in the experiment

1.2 方法

本實驗研究了海藻生物量、水力停留時間（HRT）和氮磷濃度3 個因子對孔石莼生物濾器吸收去除海洋污水中氨氮和磷酸鹽的影響。實驗分兩部分：一是研究海藻生物量和HRT 對孔石莼生物濾器去除氨氮速率的影響；二是研究不同濃度氨氮和磷酸鹽下孔石莼生物濾器去除速率的影響。

在人工廢水中氨氮濃度為1 mg/L，磷酸鹽濃度為0.14 mg/L，N∶P＞16∶1 下進行第1 部分實驗。實驗中海藻馴化的海水水質條件為：鹽度31、pH 8.0，人工廢水中氨氮濃度為1 mg/L，磷酸鹽濃度為0.14 mg/L，N∶P＞16∶1。

在海藻生物量實驗中，將經過馴化培養的孔石莼分為5 個濕重質量梯度：100 g、200 g、300 g、400 g和500 g，蠕動泵的速度為200 mL/min，水力停留時間為43 min。

水力停留時間（HRT）實驗中，稱400 g 經馴化培養的孔石莼均勻放入濾器的每層隔板中，蠕動泵的速度調到100 mL/min，水力停留時間為43 min、28 min、21 min 和17 min。

水力負荷實驗：稱400 g 經馴化培養的海藻孔石莼均勻放入濾器的每層隔板中。處理速度分別為100 mL/min、200 mL/min、300 mL/min、400 mL/min 和500 mL/min。

第二部分去除不同濃度氨氮-磷酸鹽的實驗：在處理速度為200 mL/min，水力停留時間為43 min條件下馴化培養實驗用海藻。稱300 g 經過馴化培養的孔石莼，均勻放入濾器的每層隔板中。氨氮和磷酸鹽濃度梯度組合為：1 mg/L NH4+-N，0.14 mg/L PO43--P；2 mg/L NH+4-N，0.28 mg/L PO43--P；3 mg/L NH4+-N，0.42 mg/L PO43--P；4 mg/L NH4+-N，0.56 mg/L PO43--P；5 mg/L NH4+-N，0.7 mg/L PO43--P。

實驗周期為5 d，每天上午10:00 開始，持續6 h。實驗期間采用自然連續光照。取樣時間為實驗開始后的原水、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 和6 h。水質分析方法采用國家海洋環境監測規范第四部分：海水分析（GB 17378.4-2007）中靛酚藍法測定氨氮濃度，磷鉬藍法測定磷酸鹽濃度及海藻孔石莼對氮磷營養鹽的吸收速率。

1.3 數據處理

采用SPSS25 統計軟件和Excel 統計分析數據，用t 檢驗法方差分析檢測平均數之間的差異（P），以P ＜0.05 作為差異的顯著性水平。

大型海藻生物濾器對NH4+-N或PO43--P 的去除率公式為：W=

式中，W 為去除率（%），C0為原水NH4+-N或PO43--P 的濃度（mg/L），Ct為th 水樣中NH4+-N的濃度（mg/L）。

2 結果與分析

2.1 不同海藻生物量下孔石莼生物濾器對NH4+-N的吸收

2.1.1 NH4+-N的濃度變化

由圖2 可知，孔石莼生物濾器廢水中NH4+-N濃度整體呈大幅度下降趨勢[14]，在剛開始的幾個小時，尤其是第1 個小時內，NH4+-N的吸收較快，后續3～6 h，去除效果相對平緩，但孔石莼對NH4+-N的吸收有所波動。在不同質量的孔石莼組中，NH4+-N的去除也略有不同。隨著孔石莼質量的增加，孔石莼生物濾器6 h 內對NH4+-N的吸收不呈正比，但隨時間的增加，去除效果大約呈正比，時間越長，濃度越低，吸收越好。在孔石莼質量為200 g 和300 g 時，去除率高于其他質量梯度；質量為400 g 和500 g 時去除較低。這可能是海藻質量越高，藻類生存空間變小，藻體胞外分泌物增加，開始出現溶藻作用[15,16]，導致氨氮去除率下降，因此，控制適宜的海藻生物量是成功應用該海藻生物濾器的關鍵之一。

圖2 不同生物量反應器NH4+-N 的吸收率Fig.2 Absorption rate of NH4+-N in different biomass reactors

2.1.2 NH4+-N去除率的變化

由圖3 可知，去除率未呈現明顯的趨勢變化。整體NH4+-N的去除率比較高，平均在50%～90%之間。當孔石莼質量為100 g 時，去除率效率比較低，大約在40%～70%之間，這可能是孔石莼質量低，沒有足夠量來吸收；而500 g 時的效率也比較低，平均60%左右。而在300 g，特別是在1 h 和4 h 時，去除效率甚至到達90%以上。這對于后續實驗以及海藻質量對該大型海藻生物濾器吸收NH4+-N的研究具有重要意義[17,18]。

2.2 不同水流速度下孔石莼生物濾器對NH4+-N的吸收

2.2.1 NH4+-N濃度的變化

不同水流速下孔石莼生物濾器對NH4+-N的吸收率和變化略有差異（圖3、圖4）。

圖3 不同生物量反應器NH4+-N 去除率Fig.3 Removal of NH4+-N in different biomass reactors

圖4 流速改變對NH4+-N 的去除的影響Fig.4 nfluence of change in flow velocity on NH4+-N removal

由圖4 可知，孔石莼生物濾器對污水中NH4+-N的吸收依然大體呈下滑趨勢，但與圖3 相比較，去除效果略顯遜色。在實驗剛開始的幾個小時內，尤其是前3 個小時，NH4+-N濃度下降較快，接下來3 h，去除效果相對平緩，孔石莼對NH4+-N的吸收有所波動，其中還有濃度上升的現象。但是，隨著速度的增加，去除率沒有一個明顯的趨勢。在蠕動泵水處理速度為100 mL/min 和200 mL/min 時，去除率高于其他速度，在速度為300 mL/min 和400 mL/min 時下滑趨勢略低。這說明100 mL/min 和200 mL/min為最優處理速度。200 mL/min 和300 mL/min 4 h 后，NH4+-N都有上升的趨勢。去除效果隨著時間的增長而增強，但是當達到一定時間，該實驗為4 h 時，去除效果下降。

2.2.2 NH4+-N去除率的變化

如圖5 所示，除了v=100 mL/min，其他速度下的NH4+-N的去除率基本上呈下降趨勢，整體沒有顯著變化，但3 h 后，去除效果開始明顯下降；而在v=100 mL/min 時，時間和去除率呈正比，隨著時間的增長，去除率也增長。相對而言，v=300 mL/min 時的去除率較高，大約在60%以上，而在400 mL/min和500 mL/min 時去除效果較低，大約為30%～40%。水力停留時間較短，孔石莼不能完全吸收氨氮，因此高的速度對提高孔石莼生物濾器的去除率不利，應該選擇100 mL/min 為最佳流速，其水力停留時間為85 min。

圖5 流速改變對NH4+-N 的的去除率的影響Fig.5 Influence of changing flow velocity on NH4+-N removal rate

2.3 不同人工廢水濃度下孔石莼生物濾器對NH4+-N 和PO43--P的吸收

大型海藻對NH4+-N的吸收為主動吸收[19,20]，表現為飽和吸收動力學特征，但并不都符合米氏動力學方程。這與介質中營養鹽形態以及藻體的生理狀態有關。海藻對營養鹽的吸收率一般隨組織中營養鹽水平的降低而增大[21]。

2.3.1 NH4+-N濃度的變化

孔石莼生物濾器對污水中NH4+-N吸收整體呈下降趨勢，在實驗的前2 h 內，NH4+-N的吸收速率下降較快，后續4 h，去除效果相對平緩，但還有波動或上升。不同濃度NH4+-N的去除率特點和變化不同（圖6）。

圖6 氨氮濃度改變對NH4+-N 的去除影響Fig.6 Influence of change ammonia nitrogen concentration on NH4+-N removal

2.3.2 NH4+-N去除率的變化

去除率隨水中NH4+-N濃度的增加呈下降趨勢，在2 h 或3 h 最高，然后隨時間下降，6 h 最低。其中NH4+-N濃度為3 mg/L 時，5 h、6 h 的去除率很低，這可能是吸收達到了飽和（圖7）。

圖7 生物濾器對NH4+-N 的去除率Fig.7 Removal rate of NH4+-N by a biological filter

NH4+-N濃度在1 mg/L 和3 mg/L 時去除率較高，在40%左右，甚至有時可以到達55%；3 h 各濃度的去除效率高，都在20%以上。海藻對氨氮吸收率一般隨組織中營養鹽水平的降低而增大，這對于海藻生物濾器用于處理不同濃度的含鹽廢水具有一定的實際意義。

2.3.3 PO43--P的吸收去除變化

大型海藻生物濾器吸收PO43--P 的濃度變化結果如圖8～圖10 所示，孔石莼生物濾器對PO43--P的吸收利用較為平穩，沒有出現快吸收。在不同質量下，孔石莼對PO43--P 的吸收效果都比較低，趨勢平緩。但是，在質量為0.2 kg 時，去除效果高于其他質量梯度，3 h 去除率達80%左右；在不同處理速度梯度下，整體吸收率平緩，在100 mL/min 和200 mL/min 時，實驗開始2 h 內去除效果較為明顯；在不同的初始濃度下，孔石莼對PO43--P 的吸收都不高，平均僅為10%～20%。綜上，孔石莼生物濾器對PO43--P 的吸收變化在短時間內較為平緩。結果表明，海藻質量、處理速度和磷酸鹽濃度對孔石莼生物濾器吸收PO43--P 速率影響不大。

圖8 不同石莼生物量對PO43--P 去除的影響Fig.8 Effects of different biomass of sea lettuce on removal of PO43--P

圖9 流速不同對PO43--P 去除的影響Fig.9 Influence of different flow rates on removal of PO43--P

圖10 不同PO43--P 濃度的下的磷酸鹽Fig.10 Phosphate content at different concentrations of PO43--P

本實驗中，孔石莼生物濾器對磷酸鹽的吸收平緩而不明顯，與以往實驗相似，對海藻生物濾器的研究有一定的意義，對其他相關廢水去除工藝的深入研究也有一定作用。

3 討論

3.1 孔石莼生物濾器對氨氮和磷酸鹽的去除特征

本實驗定量研究了孔石莼質量、處理速度和氮磷和磷酸鹽濃度對孔石莼生物濾器去除NH4+-N和PO43--P 的效果，主要結論如下：

（1）孔石莼質量濃度在100～500 g 之間，其NH4+-N的去除率維持在40%～90%，PO43--P 的去除率在10%～70%，實驗前幾個小時對NH4+-N的吸收快，在300 g 時效果最優，去除率平均為80%；NH4+-N的去除平緩，沒有顯著變化。

（2）蠕動泵的速度在100～500 mL/min 時，NH4+-N的去除率維持在30%～80%，PO43--P 的去除率在20%～70%。在6 h 的實驗過程中，吸收NH4+-N的最優值為300 mL/min，平均去除率為65%；NH4+-N的去除平緩，沒有顯著變化。

（3）氨氮和磷酸鹽濃度在1～5 mg/L 時，NH4+-N的去除率在30%～80%之間，PO43--P 的去除率在20%～60%。對氮磷的吸收量隨著營養濃度的升高而升高，但濃度超過一定值后，則會抑制植物的生長，導致植物對營養成分吸收急劇下降，甚至加速水質的惡化。因此，要控制好植物修復水體的氮磷濃度，否則達不到期望的效果。

3.2 無機氮磷對藻類生長的影響

藻類生長、發育和繁殖都需要獲取N、P 等元素。氮的去除主要為藻類同化吸收途徑。氨氮是藻類生長最主要的氮源，一般認為藻類傾向于優先利用氨氮，所以，氨氮是藻類吸收的直接形式[21]。而一般認為，無機磷（DIP）是藻類最重要的磷源，植物體內蛋白質的代謝與磷的代謝密切相關，蛋白質代謝中的氨基化、脫氨基、氨基移換和脫羧基等作用只有在磷酸毗醛素的參與下才能順利進行[22]。藻類對不同磷源的利用途徑不同，利用速率也有所差異[23]，本實驗中氨氮的去除率始終高于磷酸鹽的去除率。氮磷含量及其比例變化，不但影響污水凈化，也明顯影響藻類葉綠素含量及藻類群落結構[24]，但本文尚未進行實驗研究。因藻類自身的生物活性特點，其凈化水體效果受營養鹽、光照、水溫、pH 等因素影響制約[25]，但藻類的繁殖是否會對排放區域水體環境造成破壞還未可知。

隨著對養殖循環水處理技術的發展，單一的或者兩種水處理技術簡單組合已不適應需要。設計低成本、低耗能、高凈化效率的符合生態學原理的水處理工藝，達到養殖廢水的重復利用和對環境無污染是今后養殖廢水處理的發展方向。這些處理技術將更加強調生態系統中生產者、消費者、分解者之間動態和合理的平衡，進一步挖掘生物作用的潛力[26]。復合生物過濾技術從“變廢為寶”的角度出發，“治”“用”結合，是現代農業綜合利用和可持續發展思想的體現，是對水產養殖污水處理方式的重要補充和發展[27]。復合生物過濾技術在我國還處于起步階段，缺乏系統的研究和成果，其中各種生物濾器之間參數的優化組合、養殖循環系統脫氮技術等需要進一步研究。