绿藻对不同负荷污水的耐受力及水中氮磷的去除效果

欧红梅，赵婧滢，陈可为，朱玮琪，曹德菊

(安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036)

随着我国农村生活水平的逐步提高，农村生活污水排放量日益扩增，但目前我国农村生活污水一般呈粗放型排放，村庄缺乏排水渠道和污水处理系统，其产生的污水大多未经处理，直接排放入池塘、农田或河流，造成环境污染和水体富营养化等问题[1-4]。高效藻类塘通过藻类吸收氮、磷作为营养物质而使污水中氮磷等得到有效去除，从而使污水处理后能达标排放[5-7]。该技术具有投资成本和运行费用较低、维修较容易且对氮磷去除率较高的特点[8]。因此，在农村地区发展与推广高效藻类塘处理生活污水具有较大的可行性。而高效藻类塘的处理效率与塘内藻类脱氮除磷的能力密切相关。

目前，已有大量利用藻类脱氮除磷处理污水的研究。李川等[9]研究发现，固定化小球藻对NH4+-N的去除效果较好，试验第5天去除率达91.9%，具有很好的应用前景。SU等[10]研究表明，小球藻不仅具有较好的沉降性，而且具有最佳的脱氮除磷能力，去除率达99%以上。刘庆辉等[11]研究表明，小球藻类和栅藻类在养殖尾水中的氮磷吸收效果较好，氮磷去除率达85%以上。凌云等[12]研究发现，四尾栅藻在污水中适应性很好，能够较快吸收氮磷。唐斐[13]研究发现，二沉池中优势藻种为短带鞘藻，具有较强的适应能力。马顷[14]研究认为，刚毛藻对氮磷的耐受性大，且刚毛藻的相对增长率随着氮磷浓度的增加而增大。由于采用的藻类和污水类别不同，其在不同污水环境下的脱氮除磷效果和生长繁殖情况有差异，具体应用中需要结合污水处理要求，选择优势藻种，发挥其吸收氮、磷的优势，达到高效处理污水中氮、磷等污染物。鉴于此，以蛋白核小球藻、四尾栅藻、短带鞘藻及刚毛藻为研究对象，采用双因素试验比较4种藻类在不同污染负荷环境下的生长情况及其对氮磷的去除能力，筛选最适宜生长且脱氮除磷效果最好的藻种，以期为有效解决农村生活污水带来的环境污染问题提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 藻类 蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)FACHB-27、四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)FACHB-1476、短带鞘藻(Oedogoniumbrevicingulatum)FACHB-999及刚毛藻Cladophoraglomerata)。蛋白核小球藻、四尾栅藻和短带鞘藻购于中国科学院淡水藻种库；刚毛藻取自合肥市蜀山区境内的黑池坝水域。

1.1.2 试剂 葡萄糖、尿素、氯化铵、磷酸二氢钾、碳酸氢钠、七水硫酸镁、五水硫酸钙和六水三氯化铁，分析纯。

1.1.3 仪器设备 PRX-250C人工气候箱，宁波海曙；JW-3022HR离心机，宁波新芝；BXM-30R自动高压灭菌锅，上海博迅；UV-2900(PC)紫外分光光度计，上海元析；ST3100 pH计，奥豪斯；JPSJ-605台式溶氧仪，上海仪电；DHG-9240A烘箱，常州海博。

1.2 方法

1.2.1 材料预处理

1) 藻体培养。蛋白核小球藻、四尾栅藻和短带鞘藻，用BG11培养基在温度25℃和光照为12 h的人工气候箱中培养，每日早晚摇晃藻液瓶各1次，对藻种进行扩繁。将扩繁的蛋白核小球藻、四尾栅藻、短带鞘藻分别放入转速为3 000 r/min的离心机离心10 min，弃上清液；再用浓度为15 mg/L的碳酸氢钠溶液对其洗涤，之后再次离心，2～3次重复；最后将浓缩的藻液通过血球计数板和显微镜进行藻液生物量确定，备用。刚毛藻，试验前采回并用自来水冲洗，除净附着于其上的虫卵及其他杂质，再用去离子水冲洗3遍待用。

2) 污水配置。试验用农村生活污水采用人工模拟方式制取。高浓度负荷污水的TN、TP、NH4+-N及CODcr浓度分别为105～115 mg/L、9～12 mg/L、85～95 mg/L和240～350 mg/L。高浓度负荷污水的具体配方：葡萄糖0.3 g/L，尿素0.03 g/L，氯化铵0.3 g/L，磷酸二氢钾0.02 g/L，碳酸氢钠0.4 g/L，七水硫酸镁0.02 g/L，五水硫酸钙0.02 g/L，六水三氯化铁0.01 g/L。低浓度负荷污水配方各成分均为高浓度负荷污水各成分的1/3。

1.2.2 试验设计 采用双因素试验设计，因素1，污水浓度，高浓度负荷污水和低浓度负荷污水2种N、P负荷梯度，使用前将pH调节至中性。因素2，蛋白核小球藻、四尾栅藻、短带鞘藻和刚毛藻4种藻体。2次重复。刚毛藻初始投加量为3 g鲜重/L；蛋白核小球藻、四尾栅藻和短带鞘藻投放后的初始密度约为8×105ind./mL。

1.2.3 指标测定 试验在(25±1)℃和光照时间12 h的生态学培养室中进行，取样时间为0 d、2 d、4 d、6 d和8 d，分析检测水样的藻细胞叶绿素a、TP、TN及NH4+-N的含量。污水-藻类混合液混匀取样，经0.45 μm滤膜过滤，测定总氮、总磷和氨态氮含量。纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N，碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定TN，过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定TP[15]。藻细胞叶绿素a采用丙酮-乙醇-超声法测定[16]。

1.2.4 数据处理 采用Origin 2015和SPSS 20.0进行图形和数据处理。

2 结果与分析

2.1 4种藻体在不同负荷污水中的生长情况

叶绿素a含量是研究水生浮游生物的重要指标。浮游植物叶绿素a与生物量一般呈显著正线性相关关系[17]。因此，可用叶绿素a表征藻类生物量。从图1看出4种藻体在低负荷污水和高负荷污水中的生长变化。

2.1.1 低负荷污水 蛋白核小球藻的生长情况最好，较处理初期，蛋白核小球藻生物量的增长率呈先升后降趋势，且高于其他藻种，此优势一直维持至处理第6天；四尾栅藻生物量的增长率亦呈先升后降趋势，但变化平缓；短带鞘藻生物量的增长幅度较大，且一直呈上升趋势；刚毛藻的生物量呈先降后升趋势，从初始日至处理第2天呈下降趋势，之后藻种适应污水条件，其生物量缓慢上升，在第4天以后藻类生物量有明显增长。

2.1.2 高负荷污水 蛋白核小球藻生物量的增长率呈先降后升趋势，从初始日至处理第2天呈下降趋势，之后其很快适应环境，生物量的增长率呈上升趋势，且从第4天开始增长率均达220.0%以上，第8天藻类增长率达403.7%；四尾栅藻增长幅度平缓，受N、P污染负荷影响小；短带鞘藻和刚毛藻生物量呈先降后升趋势，在处理初期有一个适应期，生物量呈下降趋势，处理第2天之后藻类生物量逐渐升高，短带鞘藻呈一直上升趋势，而刚毛藻呈波动上升趋势。

2.2 4种藻体对不同负荷污水中总磷的去除效果

从图2看出，4种藻体对低负荷污水和高负荷污水中总磷的去除效果。

2.2.1 低负荷污水 蛋白核小球藻的除磷能力远远高于其他藻类，处理效果明显，在第4天时，磷含量降至0.181 mg/L，达总磷一级A排放标准，去除率达95.1%；第8天时总磷去除率达最高，为96.0%。刚毛藻在第2天时已同化吸收磷元素85.8%；但随着时间的延长，处理液中磷含量升高，刚毛藻的除磷率不断下降。整体看，刚毛藻对磷元素具有一定的去除能力，在处理第8天时，总磷去除率达70.2%。四尾栅藻和短带鞘藻对总磷的去除率增幅随时间的延长呈先快后慢增大趋势，在处理第8天时，总磷去除率分别达52.9%和62.3%。

2.2.2 高负荷污水 随着时间的延长，蛋白核小球藻对总磷的去除率呈先快后慢上升趋势，第8天时达73.6%。刚毛藻和短带鞘藻对总磷的去除率均呈先升后降趋势，且均在第2天时出现吸收高峰，之后去除率逐渐降低。四尾栅藻对总磷的去除率亦呈先升后降趋势，在第4天时对磷的去除率达58.6%，之后随时间变化去除率波动变化不大。

2.3 4种藻体对不同负荷污水中总氮的去除效果

从图3看出，4种藻类对低负荷和高负荷污水中总氮的去除率。

2.3.1 低负荷污水 4种藻类都有一定的除氮能力，第6天时污水总氮含量均达安全排放标准。从第2天开始，四尾栅藻和刚毛藻去除效果良好，而蛋白核小球藻和短带鞘藻去除率相对较低；但第4天时，蛋白核小球藻去除效率明显提高，短带鞘藻去除率也逐渐提高；第6天时，蛋白核小球藻和刚毛藻对氮素的吸收达最高峰；第8天时，四尾栅藻去除率最大，达83.6%，短带鞘藻的去除率维持在75.7%，但刚毛藻处理水体的总氮含量增加，去除率呈显著下降趋势。可见，在低负荷污水中，四尾栅藻脱氮效果最理想，刚毛藻在营养不足时易分解，去氮效果不稳定。

2.3.2 高负荷污水 4种藻类对总氮的处理能力有较大差异。在处理初期，蛋白核小球藻和四尾栅藻脱氮效果较低，从第4天开始，二者除氮能力上升较快；第6天时，四尾栅藻的去除率最高，达75.2%；蛋白核小球藻其次，为67.0%；第8天时，四尾栅藻的去除率为88.7%，蛋白核小球藻去除率达70.6%。短带鞘藻和刚毛藻对总氮的去除率呈先升后降趋势，在第8天时二者的除氮水平较蛋白核小球藻和四尾栅藻低，分别为44.7%和44.8%。

2.4 4种藻体对不同负荷污水中NH4+-N的去除效果

从图4看出，4种藻类对低负荷和高负荷污水中NH4+-N的去除效果与TN的去除效果相似。

2.4.1 低负荷污水 四尾栅藻对氨氮去除率呈先快后慢逐步升高趋势且较其余藻种最高，第4天时去除率为70.6%，第8天时达最大，为77.0%，去除氨氮效果显著。蛋白核小球藻和短带鞘藻对氨氮的去除率呈逐步上升趋势，第8天时去除率分别达74.3%和76.3%。刚毛藻对氨氮去除率在第2天时为53.6%，是处理初期去除率最好的藻类，第8天时达最大，为64.7%。说明，在低浓度的污水中4种藻类对NH4+-N均有较高的去除率。

2.4.2 高负荷污水 短带鞘藻和刚毛藻去除氨氮的能力较低，第8天时去除率分别为46.4%和53.1%。蛋白核小球藻的去除率呈先快后慢逐步上升趋势，第8天时去除率最高，达62.7%。四尾栅藻去除氨氮的能力相较于其余3种藻类突出，虽然第2天时其去除率仅19.2%，但第4天时去除率升至57.5%，第8天时最高，达75.4%。说明，高负荷污水中四尾栅藻是去除NH4+-N的最佳藻种。

3 结论与讨论

研究结果表明，在低氮、磷污染负荷下，蛋白核小球藻的生长繁殖率高，从初期开始，蛋白核小球藻的增长率高于其他藻种，短带鞘藻和刚毛藻在第4天时藻类生物量才大幅度增长，而四尾栅藻的增长率处于平缓状态，但依然呈上升趋势。蛋白核小球藻去除水体TP效果最好，第4天时去除率达95.1%，水体中TP含量达到一级A排放标准。在控制水体TN和NH4+-N方面，四尾栅藻和短带鞘藻具有明显优势，第8天时，四尾栅藻去除率分别达83.6%和77.0%，短带鞘藻去除率分别为75.7%和76.3%。第8天时刚毛藻处理水体中的TN和TP有所上升，导致去除率下降。由此推断，刚毛藻在试验后期出现部分老化，并出现了有部分藻类分解，将之前吸收转化的氮素、磷素部分分解释放，从而使得污水中的TN和TP含量升高。

在高N、P污染负荷下，四尾栅藻生长繁殖稳定，有很强的耐污能力，而蛋白核小球藻、短带鞘藻和刚毛藻在处理初期有短暂适应期，4 d后蛋白核小球藻生长速度加快。对高污染负荷农村生活污水的N、P控制，蛋白核小球藻对TP去除效果最好，第8天时去除率达73.6%；四尾栅藻对TN和NH4+-N的去除优势显著，第8天时去除率分别达88.7%和75.4%。

在当前藻类的脱氮除磷研究中，寻求生长繁殖最佳和脱氮除磷效果最好的藻种以及固定化藻种复合脱氮除磷是主要研究方向。该研究针对农村生活污水处理的不同阶段即不同污染负荷下，将目前藻类污水处理技术中表现优良的藻种进行对比研究，探讨蛋白核小球藻、四尾栅藻、短带鞘藻及刚毛藻4个藻种在同一外部环境和同一污染负荷下的污水处理能力，能够更加直观地反映不同藻种对农村生活污水的处理效果。

藻类生长繁殖必需从环境中吸收氮磷营养元素，而不同的藻种由于生长习性、细胞氮磷组成比例以及对环境的适应能力不同，对氮磷等营养元素的吸收和利用方式也存在差异[18-19]，因此，进水污染物的初始浓度、进水的氮磷比和污水中营养物质的浓度均对氮磷的去除率有影响。唐斐[13]研究表明，当污水N浓度小于5 mg/L时，短带鞘藻对总氮的去除效果最佳；当污水P浓度低于0.5 mg/L时对磷的去除效果最佳；当污水N、P浓度高于此浓度时，去除率会迅速降低。该研究模拟的农村生活污水含有高氮磷，且含量均不在短带鞘藻的最佳去除效果浓度范围内，因此，短带鞘藻在高浓度农村生活污水治理中不具有优势。马顷[14]研究刚毛藻生态适应性发现，在培养初期，较高的氮磷浓度对刚毛藻的生长产生抑制作用，随着培养时间的延长，刚毛藻的生长出现较大幅度的增长。

藻种的生物量对TP的去除率存在较大影响[20]，藻种生物量越大，去除能力越强。研究结果表明，蛋白核小球藻生物量大幅增长，相应地其TP去除率也达到很高水平。四尾栅藻是由多个细胞组成，虽然增长幅度小，但生物量大，去除TN和NH4+-N效果明显。刘祥等[21]采用斜生栅藻制备固定化小球，在NH4+-N初始浓度为70 mg/L时，培养5 d去除率达65.2%，低于该研究自由培养的四尾栅藻的去除率；而在NH4+-N初始浓度为30 mg/L时，斜生栅藻自由藻培养3 d去除率达97.8%，高于该研究四尾栅藻的去除率。代亮亮等[22]的研究发现，氨氮浓度对四尾栅藻的光合作用有影响，当氨氮浓度大于10 mg/L时，四尾栅藻的色素体在试验初期出现轻度或者重度的损伤，该研究的氨氮浓度远高于10 mg/L，因此，四尾栅藻的色素可能遭到了严重的损伤，测得的叶绿素a含量也相对偏低。