利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究

1、第31卷第6期2010年6月環(huán)境科學(xué)Vol.31，No.6Jun.，2010利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究鄧旭，魏斌，胡章立（深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，深圳518060）pH值和細(xì)胞固定化等因素對(duì)摘要：對(duì)萊茵衣藻去除廢水中氮磷的性能進(jìn)行了研究，考察了初始氮磷濃度、氮磷比、光照條件、11萊茵衣藻對(duì)氮磷的去除率在初始氮磷濃度分別在55mg·L和7mg·L以下時(shí)接近100%，但去除效率的影響.結(jié)果表明，1初始氨氮濃度進(jìn)一步升高至75mg·L以上時(shí)會(huì)導(dǎo)致氨氮去除率急劇下降至50%.當(dāng)?shù)妆葹?1和101時(shí)，衣藻在3d內(nèi)而當(dāng)?shù)妆葹?51時(shí)則需要6d；3種氮磷比下衣藻基本上4

2、d內(nèi)能完全去除水體中的磷.2種光照條完全吸收水體中的氨氮，件下（L/D為24h0h和12h12h）衣藻對(duì)氮磷的去除率都能達(dá)到100%，但L/D為24h0h時(shí)的去除速率更快.衣藻去除氮1磷的最適pH范圍為67.藻細(xì)胞固定化后對(duì)氨氮的去除能力顯著提高，在初始氨氮濃度為75mg·L時(shí)去除率由游離細(xì)胞但速率有所減慢.的50%提高到100%；對(duì)磷的去除率不變，關(guān)鍵詞：萊茵衣藻；氨氮；磷；污水處理；固定化中圖分類號(hào)：X17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A3301（2010）06-1489-05文章編號(hào)：0250-StudyontheRemovalofNitrogenandPhosphorusfromWastewa

3、terbyChlamydomonasreinhardtiDENGXu，WEIBin，HUZhang-li（CollegeofLifeScience，ShenzhenUniversity，Shenzhen518060，China）Abstract：Chlamydomonasreinhardtiwasemployedtoremovenitrogenandphosphorusfromwastewater.TheeffectsofinitialNH4+-NandTPconcentrations，N/Pratios，Light/Darknessratios，pHandimmobilizationonth

4、eremovalofNH4+-NandTPwereevaluated.TheresultsshowedthatC.reinhardticouldalmost100%removeNH4+-NandTPasinitialconcentrationsofNH4+-NandTPwerenomorethan55mg·L1and7mg·L1，respectively，whereastheremovalratioofNH4+-Ndecreaseddrasticallyto50%withinitialNH4+-Nconcentrationcomingupto75mg·L1.Und

5、erN/Pratiosof51and101，C.reinhardticouldcompletelyremoveNH4+-Nwithin3d，while6dwasneededwithN/Pratiobeing251.DifferentfromNH4+-Nremoval，theremovalratioofTPcouldreachalmost100%within4dunder3N/Pratios.WithL/Dratiosof24h0hand12h12h，100%removalofNH4+-NandTPcouldbeachievedbyC.reinhardti，buttheremovalrateun

6、derL/Dratioof24h0hwasrelativelyfaster.TheoptimalpHrangeforC.reinhardtitoremoveNH4+-NandTPwas6-7.Afterimmobilization，theabilityofC.reinhardtitoremoveNH4+-NwassignificantlyenhancedastheremovalratioofNH4+-Ncameupto100%withinitialNH4+-Nconcentrationbeing75mg·L1.TheabilityofimmobilizedC.reinhardtito

7、removeTPkeptstable，whereastheremovalratewasslowedslightly.Keywords：Chlamydomonasreinhardti；NH4+-N；phosphorus；wastewatertreatment；immobilization1水體富營(yíng)養(yǎng)化的根本原因是水體氮磷超標(biāo).生物，遺傳背景清楚，易于基因改造提高性能，而且生長(zhǎng)周期短、光合效率高等特具有培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單、“光合酵母”點(diǎn)，被稱為10傳統(tǒng)的活性污泥生物處理法對(duì)COD去除率雖然能達(dá)90%以上，但脫氮率一般約為20%50%，除磷致使出水氮磷的含量大大超過(guò)了率為20%30%，富營(yíng)養(yǎng)化的臨界濃度，

8、必須進(jìn)一步進(jìn)行脫氮除磷處理2.本實(shí)驗(yàn)對(duì)萊茵衣藻吸收水體中氮磷的性能及相應(yīng)的影響因素進(jìn)行了研究.材料與方法實(shí)驗(yàn)材料藻種124，購(gòu)自美國(guó)衣藻中心萊茵衣藻cc-（ChlamydomonasCenter），本實(shí)驗(yàn)室保藏.08-16；修訂日期：2009-11-08收稿日期：2009-基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30770340）；深圳市南山區(qū)科技研發(fā)項(xiàng)目（南科院2009030）作者簡(jiǎn)介：鄧旭（1968），男，教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生物技術(shù)，E-mail：dengxu.Oswald等3研究發(fā)現(xiàn)利用藻類可以去除污水中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及釋放氧氣供好氧微生物分解代謝所需.目前已有學(xué)者對(duì)

9、小球藻、柵藻、顫藻、硅藻等藻類吸收氮磷的能力進(jìn)行了研究磷濃度6，74，5，考察了初始氮89、氮磷比、光照條件等因素對(duì)藻細(xì)胞去除氮磷的影響，但至今鮮見利用萊茵衣藻（Chlamydomonasreinhardti）脫氮除磷的報(bào)道.萊茵衣藻是一種3套基因組都能進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的單細(xì)胞1490環(huán)境科學(xué)31卷1.1.2培養(yǎng)基結(jié)果.1.2.3藻細(xì)胞固定化配制3%的海藻酸鈉和2%的氯化鈣溶液，分別滅菌后冷卻至室溫.將濃縮藻液與海藻酸鈉溶液按6比例混合（使得固定化小球含藻細(xì)胞濃度約為10TAP（Tris-acetate-phosphate）培養(yǎng)基，基本配方：Tris2.42g，4×Beijerincks

10、alts25mL，1mol·L1K2HPO41mL，冰乙酸1mL，微量元素1mL，去離子水定容至1000mL.1.1.3人工廢水11個(gè)/mL）攪拌均勻后，用針管或恒流泵逐滴滴入氯化，鈣溶液，靜置24h后濾出顆粒，用無(wú)菌生理鹽水洗凈備用.考察藻細(xì)胞固定化后的脫氮除磷情況時(shí)，通過(guò)對(duì)固定化小球的藻細(xì)胞計(jì)數(shù)使得加入廢水中固定化藻球所含的初始藻細(xì)胞數(shù)與游離條件下藻細(xì)胞數(shù)相同.1.2.4分析方法氨氮濃度測(cè)定采用納氏試劑分光光度計(jì)法（GB7479-87），總磷濃度測(cè)定采用鉬酸銨分光光度計(jì)法（GB11893-89）.藻細(xì)胞濃度采用分光光度計(jì)法測(cè)定并換算成干重.22.1結(jié)果與討論初始氮磷濃度對(duì)萊茵衣藻

11、吸收氮磷的影響初始氨氮濃度在55圖1（a）的結(jié)果表明，mg·L1以下時(shí)，藻細(xì)胞幾乎完全吸收水體中的氨氮，但隨著氨氮濃度的進(jìn)一步升高，氨氮的去除率急1劇下降，初始氨氮濃度升高到75mg·L時(shí)氨氮的實(shí)驗(yàn)廢水參考一般市政污水氮磷含量配制成分如下：可溶性淀粉0.05g，尿素0.15g，CaHPO420.005g，MgSO4·7H2O（NH4）2SO40.075g，0.025g，NaHCO30.30g，F(xiàn)eCl3（1%）0.15mL，奶粉0.2g，自來(lái)水定容至1000mL.滅菌后污水特征為：COD150200mg·L1，NH4+-N1520mg·L1，T

12、P0.51mg·L1，Mg2+25mg·L1，Ca2+2.0pH值7.07.7.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污水氨氮和mg·L1，總磷的濃度根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求通過(guò)添加（NH4）2SO4和CaHPO4控制.實(shí)驗(yàn)方法藻細(xì)胞預(yù)培養(yǎng)無(wú)菌條件下選取保存在生長(zhǎng)良好衣藻平板上的維持溫度22單一藻株接入TAP液體培養(yǎng)液，2000lx持續(xù)光照條件進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)，24、獲得足量衣藻細(xì)胞.1.2.2藻細(xì)胞吸收氮磷性能研究1將獲得藻種在5000r·min下離心5min，收最終去除率由原來(lái)的100%降到50%左右，說(shuō)明藻細(xì)胞對(duì)氮的吸收已基本達(dá)到飽和.況琪軍等12集濃縮藻液并測(cè)定藻細(xì)胞濃

13、度.取若干支250mL干凈的錐形瓶，分別配置150mL待處理污水，加入一定量的濃縮藻液，使得每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下初始藻量在106個(gè)/mL左右.改變初始氮磷濃度、氮磷比、光照考察對(duì)衣藻去除氮磷的影響.每時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件，個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣，取平均值作為最終實(shí)驗(yàn)利用活性藻系統(tǒng)處理初始氨氮濃度在14.6647.36mg·L1的人工廢水，平均氨氮去除率為58%左右，相比而言萊茵衣藻對(duì)氨氮的吸收更顯優(yōu)勢(shì).當(dāng)萊茵衣藻對(duì)磷的去除能力較強(qiáng)圖1（b）水體中磷濃度高達(dá)7mg·L1時(shí)，藻細(xì)胞對(duì)TP的去圖1Fig.1初始氮磷濃度對(duì)衣藻去除氨氮和總磷的影響EffectsofinitialNH4+-Nand

14、TPconcentrationsonremovalofNH4+-NandTPbyC.reinhardtii6期鄧旭等：利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究149113除率仍能達(dá)到100%.逯多比較了沙角衣藻、斜101和本實(shí)驗(yàn)考察了3個(gè)不同氮磷比下（51、251）萊茵衣藻對(duì)氮磷的去除情況.從圖2（a）的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)?shù)妆葹?1和101時(shí)（磷初始濃度為3mg·L1），藻細(xì)胞在第3d就完全去除了廢水中的氨氮需要6d才能氨氮；而當(dāng)?shù)妆壬仙?51時(shí)，全部被吸收.顯然氮磷比高時(shí)，藻細(xì)胞自身的分子結(jié)構(gòu)制約了對(duì)外界氮的吸收，衣藻就需要更長(zhǎng)的時(shí)間增殖出更多的藻細(xì)胞才能吸收更多的氮.1不同氮磷比下（氨氮

15、初始濃度為35mg·L）小型月牙藻和普通小球藻等4種藻在不同生柵藻、磷濃度下的除磷能力，結(jié)果表明沙角衣藻的除磷能1力最強(qiáng)，在磷初始濃度5.30mg·L時(shí)去除率最高為62.3%.磷的去除一直是污水處理的一個(gè)難題，萊茵衣藻超強(qiáng)的磷吸收能力展示了其在污水深度處理領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景.2.2氮磷比藻類對(duì)氮磷去除效率的高低不僅與污水中氮磷的初始濃度有關(guān)，還受到水體中氮磷比例的影響.Kunikanes等8發(fā)現(xiàn)適宜于藻類生長(zhǎng)的氮磷比為71151，氮磷比<51時(shí)就會(huì)引起氮限制，而當(dāng)?shù)妆?gt;401則會(huì)引起磷限制.藻細(xì)胞對(duì)磷的去除見圖2（b）.可以看出，藻細(xì)胞在3種氮磷比下都能實(shí)現(xiàn)對(duì)

16、總磷的完全去除，所需時(shí)間基本都在4d左右，表明萊茵衣藻在不同氮磷比下都能保持較強(qiáng)的磷去除能力.圖2Fig.2氮磷比對(duì)衣藻去除氨氮和總磷的影響EffectsofN/PratiosonremovalofNH4+-NandTPbyC.reinhardtii2.3光照條件萊茵衣藻擁有更高的光合效與其它藻類相比，略高于連續(xù)光照.實(shí)驗(yàn)采取了2種光照方式，即連續(xù)24h光照和12h12h光暗交替，光照強(qiáng)度均為2000lx.從實(shí)驗(yàn)2種光照方式下藻細(xì)胞對(duì)水體中氮磷的結(jié)果來(lái)看，去除基本都發(fā)生在前6d，不同光照條件引起的差異主要體現(xiàn)在前面幾天的降解速率上（圖3）.當(dāng)初始率，因此適宜的光照對(duì)于衣藻吸收氮磷是必要的.Le

17、e等14的研究表明，在連續(xù)光照（24h0h）和光暗交替（12h12h）2種條件下Chorellakessleri對(duì)磷的去除效率均不高，但光暗交替條件下的磷去除率圖3Fig.3光暗比對(duì)衣藻去除氨氮和總磷的影響EffectsofL/DratiosonremovalofNH4+-NandTPbyC.reinhardtii1492環(huán)境科學(xué)1531卷氮磷濃度較高時(shí)，連續(xù)光照條件下衣藻對(duì)氮磷的降解明顯快于光暗交替情況；但隨著初始氮磷濃度的降低這種差異逐漸縮小.光暗交替的光照方式實(shí)際是自然環(huán)境光照的模擬，雖然這種光照方式下衣藻但考慮到對(duì)高濃度氮磷的降解速率不及連續(xù)光照，實(shí)際廢水中氮磷的初始濃度一般達(dá)不到本實(shí)

18、驗(yàn)涉及的最大濃度，因此這種在降解速率上的差異應(yīng)該不會(huì)影響到實(shí)際應(yīng)用.2.4pH值適宜藻類生長(zhǎng)的pH應(yīng)該在中性范圍，但隨著水體的pH會(huì)有所升高.研究表明藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，pH升高有利于氮磷的去除，但pH大于8.5時(shí)會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)帶來(lái)危害.對(duì)萊茵衣藻的研究表明（圖4），pH藻細(xì)胞在pH為6時(shí)對(duì)氨氮的去除效果最好，7和8時(shí)衣藻雖然最終也能接近100%吸分別為5、收氨氮，但前4d波動(dòng)較大，穩(wěn)定性不如pH6.當(dāng)pH升至9時(shí)去除效果明顯變差.總磷的吸收情況與氨氮類似，在pH在67的范圍內(nèi)效果最佳，超出此范圍衣藻對(duì)磷的吸收明顯減弱.造成這種現(xiàn)象的原因顯然與藻細(xì)胞本身的生長(zhǎng)狀況有關(guān)，即藻細(xì)胞只有在最適宜生長(zhǎng)的pH范

19、圍內(nèi)才能保證對(duì)氮磷的高效吸收.考慮到藻細(xì)胞的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致pH的升高，在實(shí)際處理過(guò)程中就應(yīng)對(duì)廢水的pH變化進(jìn)行適當(dāng)監(jiān)控.圖4Fig.4pH對(duì)衣藻去除氨氮和總磷的影響EffectsofpHonremovalofNH4+-NandTPbyC.reinhardtii2.5固定化1在初始氨氮濃度為75mg·L時(shí)（圖5），游離別，但前幾天的去除速率較游離細(xì)胞有所減慢，原因可能是藻細(xì)胞固定化后水體中的磷酸鹽進(jìn)入固定化顆粒的傳質(zhì)阻力增加所致.固定化在提高藻細(xì)胞密度的同時(shí)也改變了藻細(xì)胞的生境，使其生理活動(dòng)發(fā)生適應(yīng)性改變.一般來(lái)固定化提高了藻類的合成代謝，并在一定程度上說(shuō)，降低了藻類的分解代謝，能較長(zhǎng)時(shí)間

20、保持藻細(xì)胞活性，延遲衰老16，17衣藻對(duì)氨氮的去除率只有50%左右，但藻細(xì)胞經(jīng)固定化后對(duì)氨氮的去除率接近100%.對(duì)磷的去除，固定化藻細(xì)胞的最終去除率與游離衣藻基本沒有差.Robinson等18發(fā)現(xiàn)固定化小球這些自適應(yīng)行為藻的平均呼吸率比自由的細(xì)胞低，一定程度上可能導(dǎo)致固定化細(xì)胞對(duì)氮磷的去除能力增強(qiáng).嚴(yán)國(guó)安等19將斜生柵藻固定化后發(fā)現(xiàn)對(duì)氮磷的去除率分別較游離藻細(xì)胞提高35%和10%.本實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果.3圖5固定化衣藻與游離衣藻去除氨氮和總磷的比較Fig.5ComparisonofremovalofNH4+-Nand結(jié)論（1）對(duì)利用萊茵衣藻去除廢水中氮磷的能力進(jìn)行了分析，考察了多種環(huán)境因

21、素對(duì)氮磷去除能力的影響.結(jié)果表明，萊茵衣藻在多種操作條件下，如廢TPbyimmobilizedandfreeC.reinhardtii6期鄧旭等：利用萊茵衣藻去除污水中氮磷的研究1493水初始氮磷濃度分別為55mg·L1和7mg·L1以下、3種氮磷比（51、101和251）、2種光照條件（L/D分別為24h0h和12h12h）、pH在67范圍內(nèi)對(duì)氨氮和總磷的最終去除率基本都能達(dá)到100%.（2）藻細(xì)胞固定化后在高初始氨氮濃度下的氨氮去除率較游離細(xì)胞有顯著提高，初始氨氮濃度75mg·L1時(shí)氨氮去除率由游離細(xì)胞的50%上升到100%，同時(shí)固定化藻細(xì)胞的磷去除能力保持不

22、變.本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明萊茵衣藻具有較強(qiáng)的氮磷去除能力.參考文獻(xiàn)：1張利平，夏軍，胡志芳.中國(guó)水資源狀況與水資源安全問(wèn)題分析J.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2009，18（2）：116-120.2易津湘.城市污水生物脫氮除磷技術(shù)J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，11：4-5.3OswaldWJ，GotaasHB.PhotosynthesisinsewagetreatmentJ.TransAmSocCivEng，1957，122（1）：73-105.4凌曉歡，況琪軍，胡征宇，等.兩種藻類對(duì)水體氮、磷去除效果J.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2006，52（4）：487-491.5呂福榮，楊海波，李英敏，等.自養(yǎng)條件

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