两种藻类对水体氮磷去除效果

第52卷第4期　2006年8月武汉大学学报(理学版)J.Wuhan Univ.(Nat.Sci.Ed.)Vol.52No.4　Aug.2006,487～491 收稿日期:2006202228 通讯联系人　E 2mail :Huzy @基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目资助(2002AA601021);国家重点基础研究发展规划(973)项目资助(2002CB412309)作者简介:凌晓欢(19822),男,硕士生,现从事藻类水质净化研究.文章编号:167128836(2006)0420487205两种藻类对水体氮、磷去除效果凌晓欢1,2,况琪军1,邱昌恩1,2,胡征宇1(1.中国科学院水生生物研究所/淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北武汉430072;2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘　要:借助人工装置和露天水池,通过分析实验水体中氮、磷元素浓度的变化,研究了实验室条件下一种绿球藻(Chlorococcum sp.)和露天小型生态系统中寡枝刚毛藻(Cladophora oli goclona K ütz ).对污水中氮磷营养的去除效果.结果显示:绿球藻在高浓度氮和磷的污水中生长良好并维持较高的氮磷去除率,在6天处理期间,人工污水中总溶解性氮、硝酸盐氮、氨氮、总溶解性磷的去除率分别达到46.2%,37.8%,98.4%和79.3%;在对天然湖泊水的处理中,绿球藻对总溶解性磷的去除率在第5天为79.2%.室外条件下,该刚毛藻通过吸收水体中的氮、磷营养维持自身正常生长代谢,从而降低水体的电导率和改善水质.根据本次研究,结果两种被试藻类均可作为污水处理用藻类,其中Chlorococcum sp.适合用于静态水体的修复与改善,Cladop hora oli goclona 适合于流动水体的减负与治理.关　键　词:绿球藻;刚毛藻;氮;磷;水质;净化中图分类号:X 171 文献标识码:A0　引　言 应用藻类进行水质净化的研究,自20世纪50年代起,至今已有近60年的历史[1].早期主要是应用微型藻悬浮培养技术进行污水处理,相关技术有藻菌氧化塘、高效藻类塘、活性藻[2]等.由于微型藻悬浮培养技术在实际应用中有诸如过量藻体不易收获、出水中仍有藻类细胞残留等问题,科学家们随之将研究的焦点更多地集中在固着藻类的研究与应用上,如:固定化藻类技术[3]和藻菌生物膜技术.Da Costa [4]的研究结果证明,固定化藻类不但能有效去除污水中的氮磷营养,对去除镉和锌等重金属离子也效果显著.由于受限于固定藻类用载体的成本较高,以致该项技术仅停留在实验室规模的研究和探索阶段,至今未见大规模实际应用的报道.吴永红等[5]以高分子材料的人工水草作为藻菌生物膜载体,用于改善富营养化水体的水质,同样获得较为理想的水质净化效果.为了进一步挖掘和筛选能有效净化污水且藻细胞易于收获的藻种,拓展藻类在污水处理中的应用范围,本文研究了一种极为耐污的绿球藻(Chlorococcum sp.)和寡枝刚毛藻(Cl adop hora oli goclona K ütz )对氮磷的去除效果,对二者各自的应用前景作了简要分析,同时对藻类水质净化的优势进行了探讨.1　材料和方法1.1　室内实验藻种与培养条件绿球藻(Chlorococcum sp.)采自美国亚里桑那州一家污水处理厂,应用微藻分离纯化的方法,用B G11琼脂培养基分离纯化后保种培养.在无菌条件下,将琼脂培养基上的单个藻落转接到B G11液体培养基中,置L R H 22502G 光照培养箱中培养,培养温度(25±1)℃,光照强度35～40μmol/m -2・s -1,在获得足够生物量后用于污水处理试验.实验污水分别为人工合成污水和天然富营养化湖泊水.人工合成污水配方为:NaNO 30.425g 、(N H 4)2SO 40.075g 、MgSO 4・7H 2O 0.025g 、Ca (H 2PO 4)20.03g 、Na HCO 30.30g 、FeCl 30.0015g ,用自来水定容至1L.天然富营养化湖泊水采自武汉东湖茶港湖区,经25号浮游生物网过滤去除明武汉大学学报(理学版)第52卷显颗粒后使用.实验装置为有机玻璃水槽,一次性加注污水,用空气泵曝气培养;4只20W日光灯提供光照.光照强度140μmol/m-2・s-1左右,水温分别为(25.5±0.5)℃(人工合成污水)和(22.5±0.5)℃(天然湖泊水).实验分别设处理组和对照组,其中人工合成污水和天然湖泊水处理组的绿球藻接种密度分别为2.88×105细胞/L和1.87×105细胞/L,对照组不投加藻种,用以扣除因光解和其他未知因素导致的营养减少,其他条件两组保持一致.依据处理系统中营养浓度的日减少量确定藻类对氮磷的去除效果. 1.2　室外实验藻种与实验设置刚毛藻(Cl adop hora oli golona)采自东湖湖岸.以水生所标本馆楼前景观水池为实验水体,该水池底部布满鹅卵石.实验藻种采回后直接接种到水池一端,待藻类生长正常并达到足够生物量后,将池中枯枝落叶等杂物基本清除,用防水布将水池一隔为二,分别设为实验区和对照区,定点取样.实验区设藻类密集区和藻类稀少区两个采样点,无藻类对照区设一个采样点,用与对照区相比的减少量确定被试藻类对营养盐的去除效果.藻类密集区、藻类稀少区、对照区依次简记为一区、二区、三区.实验时间为夏季,白天水温28～30℃,阳光直射的时间每天约5h.1.3　检测项目及分析方法实验期间,主要测定了总氮(TN)、氨氮(N H42 N)、硝酸盐氮(NO32N)、总磷(TP)、溶解性正磷酸盐(SRP)5项化学指标.其中,TN用过硫酸钾氧化2紫外分光光度法测定,N H42N用纳氏试剂光度法测定,NO32N用紫外分光光度法测定,TP用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定,SRP用钼锑抗分光光度法测定[6].取样时,使用便携式p H计和电导率计现场测定水温、电导率、p H值三项理化指标.室内实验中,所有用于测定水化学指标的水样均先经0.45μm孔径滤膜抽滤,因此该部分实验数据中以总溶解性氮(TSN)和总溶解性磷(TSP)代替TN、TP.2　结果与讨论2.1　室内条件下绿球藻对N、P的去除效果2.1.1　对人工合成污水的净化效果如图1所示,实验期间悬浮培养的绿球藻对人工合成污水中的N、P均有明显去除效果,其中,对N H42N的去除最为迅速,扣除对照组的自然降解量,第1天的净去除率为92.1%,并最终将N H42N 浓度控制在0.30mg/L左右;对TSN和NO32N的去除率均显示随处理时间的延长呈稳步上升趋势,第1天的去除率不足10%,第6日分别达到29.1%和34.2%,这与作者早期报道的藻类优先利用氨态氮的结果极为吻合[7].绿球藻对TSP的去除效果较为明显,首日的去除率为61.0%,第4天即达到79.8%,第6天为77.5%,略有下降. 与Tam[8]报道的悬浮培养的小球藻在一周处理期间可去除2/3以上氮和磷的结果相比,本实验中绿球藻悬浮培养系统在除氮方面有所不及,但除磷效果有明显优势.实验过程中发现绿球藻的细胞个体较大,细胞壁较厚,24h曝气亦难以维持其均匀悬浮状态,尤其在实验后期,大量的藻类细胞粘附于处理系统的四壁或沉到底部,以致悬浮液中绿球藻的细胞数量逐渐减少,而在沉积物中的藻类细胞却显著增多.绿球藻的这种生长特性对藻类悬浮培养系统的污水处理效果有一定负面影响,但从另一角度来看,这一特性便于通过沉淀的方式从出水中除去藻类细胞,增加出水的透明度.2.1.2　对富营养化湖泊水的净化效果为了探讨绿球藻对富营养化湖泊水的处理效果,作者将取自武汉东湖茶港湖区的水代替人工污水做了进一步处理实验.由于取水时恰逢丰水期,原水中的TSN浓度仅0.8mg/L;而由对照组实验期间TSP最大值超过0.280mg/L可推知原水中TP 一定大于0.280mg/L.根据地表水环境质量标准[9],TP指标属于劣五类水质.说明该实验用水中磷营养达到富营养化水平,而氮含量相对偏低.对藻类悬浮液吸光度的测定结果表明,实验过程中绿球藻的生物量增长不快,分析认为与实验湖水中氮磷比例失调有关.一般情况下,维持藻类正常生长的氮磷比例至少需7∶1～10∶1,而本实验原水884第4期凌晓欢等:两种藻类对水体氮、磷去除效果中氮磷比仅有约3∶1.加之本实验用藻在保种期间一直培养在TN 浓度高达75mg/L 以上的B G11液体培养基中,当将其转入氮营养并不充足的天然湖泊水后,需要一定的时间逐渐适应.由于实验用湖泊水体中原始氮浓度不高,以致绿球藻对氮的去除率非常低,但对磷的去除效果显著(图2). 在实验期间,对照组的溶解性TSP 和SRP 水平第1天先上升,自第2天开始缓慢下降,最终依然高于初始值,而实验处理组的磷指标持续下降,TSP 和SRP 水平分别降低到初始值的约53%和17%,说明实验期间原水中的颗粒物分解后有部分磷释放到水体中.扣除对照组的自然降解量,绿球藻对天然湖泊水中TSP 的去除率持续上升,第5日达到79.2%;对SRP 的去除率第2日即达到86.6%,最高达94.1%.可见,本实验用绿球藻悬浮培养系统对天然富营养化湖泊水中磷的去除效果显著,值得注意的是,该藻在加以适当驯化处理前,不适合用于较低氮浓度污水的脱氮脱磷深度处理.同时本实验结果进一步印证了其他悬浮藻类水质净化研究中关于藻类不仅通过吸收转化过程,还通过改变水体理化条件来去除污水中氮、磷的推测[10,11].2.2　室外条件下刚毛藻对N 、P 的去除效果图3、图4分别是实验期间水体中总氮的浓度变化及其去除率.数据显示:实验区的TN 、N H 42N 浓度较对照区的低.其中藻类密集区TN 的减少率波动在13.5%至45.8%之间,N H 42N 的减少率波动在33.3%至50.0%之间;藻类稀少区TN 的最低和最高减少率分别为11.9%和24.6%,N H 42N 的最低和最高减少率分别为8.3%和20.0%.实验期间,藻类对N H 42N 的去除率偶尔出现过负值,是否因人为操作有误,还是其他原因,有待进一步实验验证. 图5是实验期间水体中总磷的浓度变化,SRP 的浓度各采样点一直不超过最低检测限(0.003mg/L ).从表面上看,实验中刚毛藻对TP 与SRP的去除效果不明显;深入分析后发现,实验水域底部沉积物丰富,并有大量鱼类及其他水生动物活动,尤以藻类密集区为多,实验区藻类及其他生物的代谢活动作用于沉积物引起的TP 释放要比对照区强得多,但在水域恢复稳定状态后藻类密集区的TP 浓度略低于另外两区,由此显示出刚毛藻密集区对磷的去除效果.从SRP 的数据看,无藻对照区和藻类稀少区水体中SRP 均未检测到,而藻类密集区却持续处于检测限水平.综合两项数据,藻类密集区TP 较低而SRP 较高,据此推断,在实验水域中磷经由以下途径得以去除:沉积物—水体TP —SRP —藻类吸收转化.在藻类密集区,由沉积物到SRP 的过程速度较快,刚毛藻生长迅速,并大量吸收转化水体中984武汉大学学报(理学版)第52卷的SRP;而在对照区,从沉积物到SRP的过程相对缓慢,池内残余的少量各种藻类的吸收也能有效抑制水中的磷含量,这样才形成了实验所获得的数据分布情况.单从水样的测定结果来看,藻类的除磷效果并不明显;但从实验水域整个生态系统的尺度来考虑,刚毛藻确实有效地吸收了磷元素,并能将其从该生态系统中完全清除.目前,许多富营养化湖泊难以治理的一个关键原因就是超富营养化底泥的释放问题,从这一点来看,探讨藻类对沉积物中磷的吸收具有更重要的实际意义. 总的来说,在实验水域生态系统中,该刚毛藻能适应较高水温,在营养浓度不高的水体中仍能显示对氮、磷的去除效果,提高p H值,降低电导率.3　结　论根据本文研究结果并参考相关文献,两种被试藻类应用于水质净化,除具有藻类水质净化的一般优势外,还具有以下特点:绿球藻虽是单细胞藻类,但其细胞体积大,易于获得足够生物量,其细胞壁较厚,在培养过程中表现出明显的附着和沉积特性,且能通过特殊生理反应耐受高浓度氮磷和重金属[12].刚毛藻适应的营养浓度范围很广,无论在营养浓度很低的水源水还是在氮磷浓度极高的人工合成生活污水中,刚毛藻均可维持正常生长代谢并有效降低水体中的氮磷营养浓度[7].综合以上分析,绿球藻可望在生活污水和工业废水的藻菌生物膜法处理中得到应用,而刚毛藻在改善富营养化水体的水质和污水处理厂二级出水的三级深度处理中均有较好应用前景.在水环境污染日益严重、水资源日趋短缺的今天,藻类水质净化技术因其特有的优势,越来越受到各国环保学者的重视.无论是藻菌生物膜,还是作者已在探讨的大型丝状藻类和着生藻类水处理技术,对水质的净化效果均不容置疑[13,14].目前需要做的就是对这些藻类技术作进一步的完善,以尽早解决与实际应用相关的藻类保种和大规模培养的技术问题,使其产生巨大的环境和经济效益.参考文献:[1]　Oswald W J,G otaas H B.Photosynthesis in SewageTreatment[J].T rans A m S oc Civ Eng,1957,122:732 105.[2]　Mc Griff C E,Mc K inney R E.The Removal of Nutri2ents and Organics by Activated Algae[J].W at Res, 1972,6:115521164.[3]　Champagne C P,Lacroix C,Isabelle S G.ImmobilizedCell Technologies for the Dairy Industry[J].Critical Reviews in B iotechnolog y,1994,14(2):1092134. [4]　Da Costa A C A,Leite S G F.Metals Biosorption bySodium Alginate Immobilized Chlorella Homosphaera Cells[J].B iotechnol L ett,1991,13:5592562.[5]　吴永红,方　涛,丘昌强,等.藻2菌生物膜法改善富营养化水体水质的效果[J].环境科学,2005,26(1):84289.Wu Y onghong,Fang tao,Qiu Changqiang,et al.Meth2 od of Algae2Bacterium Biofilm to Improve the Water Quality in Eutrophic Waters[J].Envi ronmental S ci2 ence,2005,26(1):84289(Ch).[6]　国家环境保护总局.水和废水检测监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,2002.State Environmental Protection Administration.A nal2 ysis Methods f or the Ex amination of W ater andW astew ater[M].Beijing:Chinese Environmental Sci2 ence Publisher,2002(Ch).[7]　况琪军,马沛明,刘国祥,等.大型丝状绿藻对N、P去除效果研究[J].水生生物学报,2004,28(3):3232326.Kuang Qijun,Ma Peiming,Liu Guoxiang,et al.Study on the Removal Efficiency of Nitrogen and Phosphorus by Filamentous Green Algae[J].A cta H y d robiologi2 cal S inica,2004,28(3):3232326(Ch).[8]　Tam N F Y,Wong Y S.Wastewater Nutrient Removalby Chlorella p y renoi dosa and Scenedesm us s p[J].En2 vi ronmental Poll ution,1989,58(1):19234.[9]　国家环境保护总局.G B383822002.地表水环境质量标准[S].北京:中国标准出版社,2002.State Environmental Protection Administration.G B383822002.Envi ronmental Qualit y S tandards f orS urf ace W ater[S].Beijing:Standards Press of China, 2002(Ch).[10]Craggs R J.Wastewater Treatment by Algal TurfScrubbing[J].W ater Science and Technology,2001, 44(11212):4272433.[11]马沛明,况琪军,刘国祥,等.底栖藻类对氮、磷去除效果研究[J].武汉植物学研究,2005,23(5):4652469.Ma Peiming,Kuang Qijun,Liu Guoxiang,et al.Study on Removal Efficiency of Nitrogen and Phosphorus byFreshwater Benthic Algae[J].J ournal of W uhan B o2 tanical Research,2005,23(5):4652469(Ch).[12]邱昌恩,况琪军,刘国祥,等.不同氮浓度对绿球藻生长及生理特性的影响[J].中国环境科学,2005,25(4):4082411.Qiu Changen,Kuang Qijun,Liu Guoxiang,et al.Influ2094第4期凌晓欢等:两种藻类对水体氮、磷去除效果ence of Different Nitrogen Concentrations on theGrowth and Physiological Characteristics of Chlorococ2 cum s p[J].China Envi ronmental Science,2005,25(4):4082411(Ch).[13]陈汉辉.冬季水网藻对源水水质的净化作用[J].上海环境科学,2000,19(2):76278.Chen Hanhui.Purification Ability of H y d rodict yon for Source Water in Winter[J].S hanghai Envi ron2 mental S cience,2000,19(2):76278(Ch).[14]王朝晖,江天久,杞　桑,等.水网藻对富营养化水样中氮磷去除能力的研究[J].环境科学学报,1999,19(4):4482452.Wang Zhaohui,Jiang Tianjiu,Qi sang,et al.Studies on Nitrogen and Phosphorus Removal Capacity of H y d2 rodict yon reticulatum in Eutrophic Fresh Water Sam2 ples[J].A cta Scientiae Ci rcumstantiae,1999,19(4): 4482452(Ch).R emoval E ff iciency of Nitrogen and Phosphorus inW aste w ater by Tw o Species of AlgaeL ING Xiaohuan1,2,KUANG Q ijun1,QIU Changen1,2,HU Zhengyu1(1.Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences/The State Key Laboratory of FreshwaterEcology and Biotechnology,Wuhan430072,Hubei,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) Abstract:By analyzing t he concent ration changes of nitrogen and p ho sp horus in experimental water, bot h a laboratory st udy and an out door experiment have been conducted for testing t he removal efficiency of nutrient s by algae.The test alga for t he laboratory st udy is Chlorococcum sp.and for t he field experi2 ment is Cl adop hora oli goclona Kütz.respectively.The result s show t hat Chlorococcum sp.grow quite well and have high removal rates of nit rogen and p ho sp horus in t he sewage wit h very high concent rations of nit rogen and p ho sp horus.The removal rates of total soluble nit rogen,nit rate,ammonia and total solu2 ble p ho sp horus f rom synt hetic sewage were46.2%,37.8%,98.4%and79.3%in six days.The removal rate of total soluble p ho sp horus f rom crude lake water by t he alga was79.2%in five days.Cl a dop hora ol2 i goclona can grow normally and absorb relatively on nit rogen and p hosp horus f rom t he nat ural water in outdoor conditions.It plays an important role on reducing t he specific conductance and improving t he wa2 ter quality.According to t he result s obtained in t his st udy and referring to ot her relational research re2 port s,bot h Chlorococcum sp.and Cl adop hora oli goclona have ability for removing nut rient s f rom wastewater.Chlorococcum sp.is suitable for rehabbing and imp roving in static water and Cl adop hora oli2 goclona is suitable for t reating and p rotecting in flowing water.K ey w ords:Chlorococcum sp.;Cl adop hora oli goclona;nitrogen;p hosp horus;water quality;p urifi2 cation194。