孔石莼Ulva pertusa 生物滤器对氨氮和磷酸盐的去除研究

卢宏博，车鉴，夏宁，魏海峰

（1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁 大连 116023；2.大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；3.辽宁省近岸海洋环境科学与技术重点实验室，辽宁 大连 116023；4.大连鑫玉龙海洋生物种业科技股份有限公司，辽宁 大连 116222）

城市生活污水和工业废水的排放，使近海生态环境日益恶化，修复海洋富营养化成为亟待解决的问题。大型海藻吸收营养元素（N、P）的效率高，还具有一定的经济效益，利用大型海藻修复海洋富营养化，治理环境技术受到高度关注。大型藻类体内的营养贮存机制适合在营养盐波动的水体环境中生长，能从周围环境中大量吸收氮、磷营养元素[1-3]及铅、金、镉、钴[4]等重金属，释放氧气，调节水体pH。生物过滤（Living Biological Filtration）[5,6]中的植物过滤[7]，主要利用了大型海藻体内的营养贮存机制。大型海藻过滤、生物膜过滤和动物过滤等复合处理养殖循环水技术可通过优势互补，以达到水质净化和废物综合利用的目的。

近年来,我国诸多海湾生态系统严重失衡[8]，富营养化严重,赤潮和养殖生物病害频繁发生,加强对海洋富营养治理的研究势在必行。姜培霞[9]构建了大型海藻-滤食性贝类-固定化微生物的海水富营养化综合生物修复技术，以期通过修复生物之间的协同作用综合改善水质，有效去除构成富营养化的污染物，为生物修复技术在我国近海富营养化海域大规模应用提供理论和应用基础。王翔宇等[10]研究表明，海藻能明显去除对氮磷。胡劲召等[11]研究认为，石莼吸收去除富营养化海水中营养盐具有时间短、效率高，可用于处理富营养化水体或养殖废水。张亮等[12]明确了不同形态的氮、氮磷比会影响藻类的光合速率和生长速率。张忠山等[13]综述了几种大型石莼属绿藻在不同环境因子胁迫下的生理生化特征及其可能的调控机制，为近海海域环境治理提供科学依据。

大型海藻生物过滤技术是现代农业综合利用和可持续发展思想的体现，是对污水处理方式的重要补充和发展。本实验通过研究孔石莼Ulva pertusa大型海藻生物滤器对富营养化水体中NH4+-N 和PO43--P 的吸收去除，优化生物滤器去除效果的最佳条件，可为利用孔石莼改善海洋环境、修复海洋富营养化提供科学依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料及装置

实验用孔石莼采自大连市黑石礁海域，经室内培养一段时间，选取生长良好的孔石莼用于实验。实验用海水为大连黑石礁海区砂滤海水，盐度31，pH 8.0～8.1。人工废水中氨氮浓度为1 mg/L，磷酸盐浓度为0.14 mg/L，N∶P＞16∶1。实验所用试剂均为分析纯。氮氮由氯化氨配制，浓度为1 000 mg/L，磷酸盐为磷酸二氢钾配制，浓度均为1 000 mg/L。

用于净化污染废水的大型海藻生物滤器由圆柱体透明有机玻璃构成，装置内平均分5 等分，每层设有缺口的隔板，每隔板的缺口方向相反（图1），水流由下至上循环流动。反应器一侧设有取样口，两侧可以安装灯管，进行光照实验。容器下端有水管进，水由上端出水，进水管由蠕动泵控制所需流速。

图1 生物滤器装置示意图Fig.1 Schematic diagram of a biological filter used in the experiment

1.2 方法

本实验研究了海藻生物量、水力停留时间（HRT）和氮磷浓度3 个因子对孔石莼生物滤器吸收去除海洋污水中氨氮和磷酸盐的影响。实验分两部分：一是研究海藻生物量和HRT 对孔石莼生物滤器去除氨氮速率的影响；二是研究不同浓度氨氮和磷酸盐下孔石莼生物滤器去除速率的影响。

在人工废水中氨氮浓度为1 mg/L，磷酸盐浓度为0.14 mg/L，N∶P＞16∶1 下进行第1 部分实验。实验中海藻驯化的海水水质条件为：盐度31、pH 8.0，人工废水中氨氮浓度为1 mg/L，磷酸盐浓度为0.14 mg/L，N∶P＞16∶1。

在海藻生物量实验中，将经过驯化培养的孔石莼分为5 个湿重质量梯度：100 g、200 g、300 g、400 g和500 g，蠕动泵的速度为200 mL/min，水力停留时间为43 min。

水力停留时间（HRT）实验中，称400 g 经驯化培养的孔石莼均匀放入滤器的每层隔板中，蠕动泵的速度调到100 mL/min，水力停留时间为43 min、28 min、21 min 和17 min。

水力负荷实验：称400 g 经驯化培养的海藻孔石莼均匀放入滤器的每层隔板中。处理速度分别为100 mL/min、200 mL/min、300 mL/min、400 mL/min 和500 mL/min。

第二部分去除不同浓度氨氮-磷酸盐的实验：在处理速度为200 mL/min，水力停留时间为43 min条件下驯化培养实验用海藻。称300 g 经过驯化培养的孔石莼，均匀放入滤器的每层隔板中。氨氮和磷酸盐浓度梯度组合为：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。

实验周期为5 d，每天上午10:00 开始，持续6 h。实验期间采用自然连续光照。取样时间为实验开始后的原水、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 和6 h。水质分析方法采用国家海洋环境监测规范第四部分：海水分析（GB 17378.4-2007）中靛酚蓝法测定氨氮浓度，磷钼蓝法测定磷酸盐浓度及海藻孔石莼对氮磷营养盐的吸收速率。

1.3 数据处理

采用SPSS25 统计软件和Excel 统计分析数据，用t 检验法方差分析检测平均数之间的差异（P），以P ＜0.05 作为差异的显著性水平。

大型海藻生物滤器对NH4+-N或PO43--P 的去除率公式为：W=

式中，W 为去除率（%），C0为原水NH4+-N或PO43--P 的浓度（mg/L），Ct为th 水样中NH4+-N的浓度（mg/L）。

2 结果与分析

2.1 不同海藻生物量下孔石莼生物滤器对NH4+-N的吸收

2.1.1 NH4+-N的浓度变化

由图2 可知，孔石莼生物滤器废水中NH4+-N浓度整体呈大幅度下降趋势[14]，在刚开始的几个小时，尤其是第1 个小时内，NH4+-N的吸收较快，后续3～6 h，去除效果相对平缓，但孔石莼对NH4+-N的吸收有所波动。在不同质量的孔石莼组中，NH4+-N的去除也略有不同。随着孔石莼质量的增加，孔石莼生物滤器6 h 内对NH4+-N的吸收不呈正比，但随时间的增加，去除效果大约呈正比，时间越长，浓度越低，吸收越好。在孔石莼质量为200 g 和300 g 时，去除率高于其他质量梯度；质量为400 g 和500 g 时去除较低。这可能是海藻质量越高，藻类生存空间变小，藻体胞外分泌物增加，开始出现溶藻作用[15,16]，导致氨氮去除率下降，因此，控制适宜的海藻生物量是成功应用该海藻生物滤器的关键之一。

图2 不同生物量反应器NH4+-N 的吸收率Fig.2 Absorption rate of NH4+-N in different biomass reactors

2.1.2 NH4+-N去除率的变化

由图3 可知，去除率未呈现明显的趋势变化。整体NH4+-N的去除率比较高，平均在50%～90%之间。当孔石莼质量为100 g 时，去除率效率比较低，大约在40%～70%之间，这可能是孔石莼质量低，没有足够量来吸收；而500 g 时的效率也比较低，平均60%左右。而在300 g，特别是在1 h 和4 h 时，去除效率甚至到达90%以上。这对于后续实验以及海藻质量对该大型海藻生物滤器吸收NH4+-N的研究具有重要意义[17,18]。

2.2 不同水流速度下孔石莼生物滤器对NH4+-N的吸收

2.2.1 NH4+-N浓度的变化

不同水流速下孔石莼生物滤器对NH4+-N的吸收率和变化略有差异（图3、图4）。

图3 不同生物量反应器NH4+-N 去除率Fig.3 Removal of NH4+-N in different biomass reactors

图4 流速改变对NH4+-N 的去除的影响Fig.4 nfluence of change in flow velocity on NH4+-N removal

由图4 可知，孔石莼生物滤器对污水中NH4+-N的吸收依然大体呈下滑趋势，但与图3 相比较，去除效果略显逊色。在实验刚开始的几个小时内，尤其是前3 个小时，NH4+-N浓度下降较快，接下来3 h，去除效果相对平缓，孔石莼对NH4+-N的吸收有所波动，其中还有浓度上升的现象。但是，随着速度的增加，去除率没有一个明显的趋势。在蠕动泵水处理速度为100 mL/min 和200 mL/min 时，去除率高于其他速度，在速度为300 mL/min 和400 mL/min 时下滑趋势略低。这说明100 mL/min 和200 mL/min为最优处理速度。200 mL/min 和300 mL/min 4 h 后，NH4+-N都有上升的趋势。去除效果随着时间的增长而增强，但是当达到一定时间，该实验为4 h 时，去除效果下降。

2.2.2 NH4+-N去除率的变化

如图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趋势，整体没有显著变化，但3 h 后，去除效果开始明显下降；而在v=100 mL/min 时，时间和去除率呈正比，随着时间的增长，去除率也增长。相对而言，v=300 mL/min 时的去除率较高，大约在60%以上，而在400 mL/min和500 mL/min 时去除效果较低，大约为30%～40%。水力停留时间较短，孔石莼不能完全吸收氨氮，因此高的速度对提高孔石莼生物滤器的去除率不利，应该选择100 mL/min 为最佳流速，其水力停留时间为85 min。

图5 流速改变对NH4+-N 的的去除率的影响Fig.5 Influence of changing flow velocity on NH4+-N removal rate

2.3 不同人工废水浓度下孔石莼生物滤器对NH4+-N 和PO43--P的吸收

大型海藻对NH4+-N的吸收为主动吸收[19,20]，表现为饱和吸收动力学特征，但并不都符合米氏动力学方程。这与介质中营养盐形态以及藻体的生理状态有关。海藻对营养盐的吸收率一般随组织中营养盐水平的降低而增大[21]。

2.3.1 NH4+-N浓度的变化

孔石莼生物滤器对污水中NH4+-N吸收整体呈下降趋势，在实验的前2 h 内，NH4+-N的吸收速率下降较快，后续4 h，去除效果相对平缓，但还有波动或上升。不同浓度NH4+-N的去除率特点和变化不同（图6）。

图6 氨氮浓度改变对NH4+-N 的去除影响Fig.6 Influence of change ammonia nitrogen concentration on NH4+-N removal

2.3.2 NH4+-N去除率的变化

去除率随水中NH4+-N浓度的增加呈下降趋势，在2 h 或3 h 最高，然后随时间下降，6 h 最低。其中NH4+-N浓度为3 mg/L 时，5 h、6 h 的去除率很低，这可能是吸收达到了饱和（图7）。

图7 生物滤器对NH4+-N 的去除率Fig.7 Removal rate of NH4+-N by a biological filter

NH4+-N浓度在1 mg/L 和3 mg/L 时去除率较高，在40%左右，甚至有时可以到达55%；3 h 各浓度的去除效率高，都在20%以上。海藻对氨氮吸收率一般随组织中营养盐水平的降低而增大，这对于海藻生物滤器用于处理不同浓度的含盐废水具有一定的实际意义。

2.3.3 PO43--P的吸收去除变化

大型海藻生物滤器吸收PO43--P 的浓度变化结果如图8～图10 所示，孔石莼生物滤器对PO43--P的吸收利用较为平稳，没有出现快吸收。在不同质量下，孔石莼对PO43--P 的吸收效果都比较低，趋势平缓。但是，在质量为0.2 kg 时，去除效果高于其他质量梯度，3 h 去除率达80%左右；在不同处理速度梯度下，整体吸收率平缓，在100 mL/min 和200 mL/min 时，实验开始2 h 内去除效果较为明显；在不同的初始浓度下，孔石莼对PO43--P 的吸收都不高，平均仅为10%～20%。综上，孔石莼生物滤器对PO43--P 的吸收变化在短时间内较为平缓。结果表明，海藻质量、处理速度和磷酸盐浓度对孔石莼生物滤器吸收PO43--P 速率影响不大。

图8 不同石莼生物量对PO43--P 去除的影响Fig.8 Effects of different biomass of sea lettuce on removal of PO43--P

图9 流速不同对PO43--P 去除的影响Fig.9 Influence of different flow rates on removal of PO43--P

图10 不同PO43--P 浓度的下的磷酸盐Fig.10 Phosphate content at different concentrations of PO43--P

本实验中，孔石莼生物滤器对磷酸盐的吸收平缓而不明显，与以往实验相似，对海藻生物滤器的研究有一定的意义，对其他相关废水去除工艺的深入研究也有一定作用。

3 讨论

3.1 孔石莼生物滤器对氨氮和磷酸盐的去除特征

本实验定量研究了孔石莼质量、处理速度和氮磷和磷酸盐浓度对孔石莼生物滤器去除NH4+-N和PO43--P 的效果，主要结论如下：

（1）孔石莼质量浓度在100～500 g 之间，其NH4+-N的去除率维持在40%～90%，PO43--P 的去除率在10%～70%，实验前几个小时对NH4+-N的吸收快，在300 g 时效果最优，去除率平均为80%；NH4+-N的去除平缓，没有显著变化。

（2）蠕动泵的速度在100～500 mL/min 时，NH4+-N的去除率维持在30%～80%，PO43--P 的去除率在20%～70%。在6 h 的实验过程中，吸收NH4+-N的最优值为300 mL/min，平均去除率为65%；NH4+-N的去除平缓，没有显著变化。

（3）氨氮和磷酸盐浓度在1～5 mg/L 时，NH4+-N的去除率在30%～80%之间，PO43--P 的去除率在20%～60%。对氮磷的吸收量随着营养浓度的升高而升高，但浓度超过一定值后，则会抑制植物的生长，导致植物对营养成分吸收急剧下降，甚至加速水质的恶化。因此，要控制好植物修复水体的氮磷浓度，否则达不到期望的效果。

3.2 无机氮磷对藻类生长的影响

藻类生长、发育和繁殖都需要获取N、P 等元素。氮的去除主要为藻类同化吸收途径。氨氮是藻类生长最主要的氮源，一般认为藻类倾向于优先利用氨氮，所以，氨氮是藻类吸收的直接形式[21]。而一般认为，无机磷（DIP）是藻类最重要的磷源，植物体内蛋白质的代谢与磷的代谢密切相关，蛋白质代谢中的氨基化、脱氨基、氨基移换和脱羧基等作用只有在磷酸毗醛素的参与下才能顺利进行[22]。藻类对不同磷源的利用途径不同，利用速率也有所差异[23]，本实验中氨氮的去除率始终高于磷酸盐的去除率。氮磷含量及其比例变化，不但影响污水净化，也明显影响藻类叶绿素含量及藻类群落结构[24]，但本文尚未进行实验研究。因藻类自身的生物活性特点，其净化水体效果受营养盐、光照、水温、pH 等因素影响制约[25]，但藻类的繁殖是否会对排放区域水体环境造成破坏还未可知。

随着对养殖循环水处理技术的发展，单一的或者两种水处理技术简单组合已不适应需要。设计低成本、低耗能、高净化效率的符合生态学原理的水处理工艺，达到养殖废水的重复利用和对环境无污染是今后养殖废水处理的发展方向。这些处理技术将更加强调生态系统中生产者、消费者、分解者之间动态和合理的平衡，进一步挖掘生物作用的潜力[26]。复合生物过滤技术从“变废为宝”的角度出发，“治”“用”结合，是现代农业综合利用和可持续发展思想的体现，是对水产养殖污水处理方式的重要补充和发展[27]。复合生物过滤技术在我国还处于起步阶段，缺乏系统的研究和成果，其中各种生物滤器之间参数的优化组合、养殖循环系统脱氮技术等需要进一步研究。