全 文 ：第 9 卷 第 5 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 9，No ． 5
2 0 1 5 年 5 月 Chinese Journal of Environmental Engineering May 2 0 1 5
固定化斜生栅藻净化畜禽废水中氨氮
和磷的影响因素
张玉琳 王应军* 李伟雨 刘舒心
(四川农业大学环境学院，成都 611130)
摘 要 为探讨 Cu2 +、pH和流速对固定化斜生栅藻去除畜禽废水中 NH +4 -N、TP效果的影响，在实验室条件下模拟实
际污水处理过程，并采用正交实验方案对结果进行分析。结果表明低质量浓度 Cu2 +(0 ～ 0. 05 mg /L)改善藻的净化效果，
高质量浓度 Cu2 +(0． 50 ～ 5． 00 mg /L)抑制藻的净化效果;在 pH较高的条件下(pH = 9)，固定化斜生栅藻的净化效果明显
提高;流速对结果没有明显影响。通过正交实验，得出固定化斜生栅藻去除畜禽废水中 NH +4 -N、TP 的优化条件如下:Cu
2 +
质量浓度为 0． 05 mg /L，pH为 9，流速为 0. 3 m /s。此时 NH +4 -N去除率为 96. 11%，TP去除率为 97. 53%。
关键词 固定化斜生栅藻 Cu2 + pH 流速 去氮除磷 正交设计
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2015)05-2253-06
Controlling factors on ammonia-nitrogen and phosphorus removal
from livestock wastewater by immobilized Scenedesmus obliquus
Zhang Yulin Wang Yingjun Li Weiyu Liu Shuxin
(College of Environment，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China)
Abstract In order to investigate the effects of Cu2 +，pH and flow rate on NH +4 -N and TP removal from
livestock wastewater by the immobilized Scenedesmus obliquus，orthogonal experiments were designed to treat the
simulated wastewater in modeled reactors． Results showed the removal efficiency could be improved at low Cu2 +
concentrations (0 ～ 0. 05 mg /L)，but weakened at high Cu2 + concentration (0． 50 ～ 5． 00 mg /L)． High pH
(i． e．，pH = 9)promoted the removal efficiency remarkably． Flow rate did not present significant effects on
NH +4 -N and TP removal． According to the orthogonal analysis，the optimized conditions for NH
+
4 -N and TP re-
moval by immobilized Scenedesmus obliquus could be selected as Cu2 + concentrate of 0． 05 mg /L，pH of 9，and
flow rate of 0. 3 m /s． Under the conditions，the removal efficiency of NH3-N and TP could reach 96. 11% and
97. 53%，respectively．
Key words immobilized Scenedesmus obliquus;Cu2 +;pH;flow rate;removal of NH +4 -N and TP;orthog-
onal design
基金项目:大学生创新性实验项目(1310626080)
收稿日期:2014 － 04 － 02;修订日期:2014 － 09 － 04
作者简介:张玉琳(1993—)，女，本科生，主要从事环境生态工程方
面的研究工作。E-mail:zyl930317@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail:wwyyjj1972@ 163． com
近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，畜禽养殖污
染已成为继工业污染、生活污染之后的第三大污染
源，畜禽废水的处理则是其中的重点［1］。目前我国
畜禽废水处理主要采用物理化学工艺及生物处理工
艺，但现有工艺运行复杂，成本较高［2］。因此，操作
简便、可应用强性、成本低的污水处理新方法和新材
料的研究开发，成为一个重要问题。
1957 年，Oswald 等［3］提出将微型藻类用于污水
处理，奠定了藻类污水生物处理技术的基础，将固定
化藻类用于水处理是由 Chevalier 等［4］提出。此后
众多研究表明，藻类能有效去除污水中 N、P 等营养
盐，不仅能降低水体环境污染，还可以实现废水资源
的再生利用，有良好的应用前景［5，6］。固定化藻类
技术则提高了藻类对毒物、有机污染物的耐受力，增
强了其对 N、P及重金属的吸收、富集、去除能力，因
此受到国内外的广泛关注［7-9］。
随着研究的不断深入，研究人员逐渐将目光转
向重金属(如 Hg2 +、Cd2 +等)对藻类的毒性和净化
效率影响［10，11］。研究证实，污水中含有的重金属离
环 境 工 程 学 报 第 9 卷
子会影响藻的生长与其去氮除磷效果［12，13］，Cu2 +的
影响尤为显著［14］。铜元素是动物饲料中必需添加
的微量元素之一，具有促进机体新陈代谢、生长繁
殖，增强抵抗力等作用。铜是不可降解物质，经机体
代谢后仍有 90%以上随粪便排出体外，这些含高浓
度微量元素的动物粪便一旦污染水源，会使水质恶
化、水生生物死亡，降低水的自净能力［15，16］。以往
对藻类净化畜禽废水的研究［17］往往集中在 N、P 的
去除而忽略废水中 Cu2 +带来的影响。本研究针对
这一问题，并在传统实验室静水净化的基础上，模拟
实际畜禽废水净化，采用自制反应器模型实现动水
内部循环，运用正交实验分析 Cu2 +浓度、pH 及流速
对固定化斜生栅藻在畜禽废水中去除氨氮、磷的效
果影响，为实际处理工艺提供一定的理论支持。
1 材料与方法
1． 1 实验藻种及培养
斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)FACHB-12 由
中国科学院水生生物研究所提供。实验前两周将藻
种在无菌条件下转接到含 BG11 培养基的锥形瓶
中，置于光照培养室进行扩大培养，反复接种，使之
处于对数增长期。培养条件:温度(25 ± 1)℃，光照
强度 2 000 ～ 2 500 lux，光暗比 12 h∶ 12 h，每天定时
摇瓶 3 次。
1． 2 藻的固定化
藻的固定化采用包埋固定。将处于对数期的斜
生栅藻于 4 500 r /min 离心 10 min，弃上清液，用生
理盐水悬浮洗涤 2 次，去除藻细胞表面培养基，再离
心收集藻细胞。
将在 100℃恒温水浴中溶解所得 5%聚乙烯醇
(AR，聚合度 1 750 ± 50)，和 3%海藻酸钠混合后冷
却至室温((25 ± 3)℃)，然后将其与湿藻混合搅拌，
搅拌均匀后用注射器滴入调至中性的混合溶液
(3% CaCl2 与饱和硼酸)，形成直径约 3 mm 的藻
球。滴完后在 4℃下凝胶 8 h。取出颗粒用蒸馏水
冲洗 2 次，再用 0． 7%生理盐水在 4℃下浸泡 24 h，
最后蒸馏水冲洗备用。
1． 3 实验废水
为防止实际废水中的某些物质干扰测定结果，
实验废水采用人工模拟废水。参照四川农业大学畜
禽废水处理厂经格栅简单除去粗大颗粒后的出水组
成，采用 NH4Cl 0. 4 g /L，NaH2PO4 0. 1 g /L，葡萄糖
0. 7 g /L，MgSO4 0. 04 g /L，NaCl 0. 5 g /L，FeCl3 痕量
进行配置。铜溶液由 CuSO4·5H2O 配置。实验中
所用药品均为分析纯。
1． 4 实验装置
实验装置采用转速可调节的模拟反应器实现废
水连续内部循环，外形尺寸(长 ×宽 ×高):20 cm ×
10 cm × 10 cm，电力驱动曝气叶轮带动废水流动，
转速由电压调节。反应器置于光照培养室，实验全
过程控制温度 25℃，光照强度 2 500 lux，光暗比 12
h∶ 12 h。其具体构造见图 1。
图 1 实验装置
Fig. 1 Experimental unit
1． 5 正交实验设计
实验采用 L16(4
3)正交表进行实验设计，以
Cu2 +浓度、pH值和流速为实验因素，Cu2 +浓度通过
CuSO4·5H2O 配置液控制，pH 通过 NaOH 和 HCl
溶液调节，流速通过电压控制。每个因素设置 4 个
水平变量，每个实验组设置 3 个重复。实验因素水
平的设置由前期预实验结果确定(因素水平表见表
1)。
每个实验组中，人工模拟废水在氧化沟反应器
中循环流动，包埋粒悬浮固定在反应器远离曝气叶
轮段对畜禽废水进行净化处理。
表 1 正交设计因素水平表
Table 1 Factor and level of orthogonal experimental design
水 平
因 素
A:Cu2 +浓度(mg /L) B:pH C:流速(m/s)
1 0(A1) 6 0
2 0． 05(A2) 7 0． 3
3 0． 50(A3) 8 0． 6
4 5(A4) 9 0． 9
1． 6 测定指标及分析方法
实验过程中，每天定时取适量废水检测 NH +4 -
N、TP含量，并计算去除效率。其中，NH +4 -N的测定
采用钠氏试剂光度法，TP 采用过硫酸钾消解-钼锑
抗分光光度法［18］。
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第 5 期 张玉琳等:固定化斜生栅藻净化畜禽废水中氨氮和磷的影响因素
最终数据采用 SPSS20． 0 进行统计分析，以 α =
0． 05 为显著性差异。
2 结果与讨论
2． 1 正交实验结果直观分析
经过 10 d 的净化处理，得出正交实验结果如图
2 所示，直观结果分析如表 2 所示。
图 2 正交实验方案及结果
Fig. 2 Experimental program and results
由图 2 可知，NH +4 -N 和 TP 去除率最高的情况
都发生在第 8 实验组(A2B4C3)，即 Cu2 + 浓度为
0. 05 mg /L，pH为 9，流速为 0. 6 m /s。此时 NH +4 -N
去除率为 96. 19%，TP去除率为 95. 58%，取得了较
好的净化效果。
极差大小表征该因素水平变动对实验结果影响
的显著程度，极差越大则该因素对实验结果影响越
显著。通过对表 2 中 3 个因素的极差 R比较可知，
表 2 直观分析表
Table 2 Tab of direct analysis
评价
指标
因素
各水平均值
水平 1 水平 2 水平 3 水平 4
极差
(R)
优水平
NH +4 -N
去除率
(%)
A 75． 32 82． 25 73． 66 62． 74 19． 51 2
B 65． 13 72． 80 76． 07 82． 34 17． 21 4
C 67． 06 77． 30 75． 10 74． 51 10． 24 2
TP
去除率
(%)
A 77． 29 78． 64 67． 93 59． 13 19． 51 2
B 49． 14 71． 22 78． 76 83． 87 34． 73 4
C 67． 27 70． 35 73． 26 72． 11 5． 99 3
针对 NH +4 -N去除效果，3 个因素的影响大小依次为
A ＞ B ＞ C，这说明 A 因素水平变动时对 NH +4 -N 去
除影响最大，B因素次之，C 因素最小，即 Cu2 +是影
响固定化斜生栅藻去除 NH +4 -N 的主要因素，NH
+
4 -
N去除的最优组合为 A2B4C2，即 Cu2 +浓度为 0. 05
mg /L，pH为 9，流速为 0. 3 m /s;针对 TP去除效果，3
个因素的影响大小为 B ＞ A ＞ C，即 B 因素水平变动
时对 TP去除影响最大，A因素次之，C 因素最小，即
pH是影响固定化斜生栅藻去除 TP 的主要因素，TP
去除的最优组合为 A2B4C3，即 Cu2 + 浓度为 0． 05
mg /L，pH为 9，流速为 0. 6 m /s。
2． 2 正交实验单因素水平间分析
2． 2． 1 Cu2 +水平间分析
通过对 Cu2 +不同水平间进行 LSD 对比得出结
果如表 3 所示。对 NH +4 -N的净化效果而言，2 水平
和 3 水平、4 水平和其他 3 个水平之间均有显著性
差异(p ＜ 0． 05);在对 TP 的净化去除中，除 1 水平
和 2 水平之间无显著性差异(p ＞ 0. 05)外，其他水
平相互之间都有显著性差异。Cu2 +对固定化斜生
栅藻去氮除磷效果有明显影响，研究显示，其主要通
过影响藻类生长来影响去氮除磷效果。在实验中具
体体现为:当 Cu2 +≤0． 05 mg /L时，斜生栅藻去氮除
磷效果随浓度升高而增大，这是因为铜是藻类生长
的微量元素，低浓度的铜可以促进藻类细胞生长，从
而增强去氮除磷效果;当 Cu2 +浓度增大至 0． 5 mg /L
或 5 mg /L时，高浓度的铜对藻产生毒害作用。这可
能是因为藻类细胞壁带有负电荷、羟基、氨基等对
Cu2 +有较大亲和力的官能团［19］，当 Cu2 +浓度较高
时，藻细胞表面的许多官能团会与 Cu2 +结合从而丧
失活性，影响藻类的正常新陈代谢和生化反应过程，
最终影响其生长，降低去氮除磷能力。李川等［20］研
究表明，Cu2 +总体上抑制了藻的净化效果，但在特
定条件下微量 Cu2 +反而使藻类净化效果增强，这和
本实验结果是相符的。实际处理时若水样 Cu2 +浓
度较高，需通过添加沉淀剂等预处理适当降低 Cu2 +
含量，再进行藻净化，否则藻细胞会受到毒害，影响
净化效果。
表 3 Cu2 +水平间 LSD分析
Table 3 LSD analysis between levels of Cu2 +
Cu2 +浓度(I) 0 0． 05 0． 5 5
Cu2 +浓度(J) 0． 05 0． 5 5 0 0． 5 5 0 0． 05 5 0 0． 05 0． 5
Sig．(NH +4 -N) 0． 069 0． 616 0． 007 0． 069 0． 034 0． 001 0． 616 0． 034 0． 013 0． 007 0． 001 0． 013
Sig．(TP) 0． 654 0． 017 0． 001 0． 654 0． 010 0． 000 0． 017 0． 010 0． 022 0． 001 0． 000 0． 022
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环 境 工 程 学 报 第 9 卷
2． 2． 2 pH水平间分析
对 pH不同水平间进行 LSD对比得出结果如表
4 所示。针对 NH +4 -N 的净化效果而言，1 水平和 3
水平、4 水平和其他 3 个水平之间有显著性差异(p
＜ 0． 05);在 TP 的净化去除中，pH 不同水平间差异
显著，除 3 水平和 4 水平之间无显著差异外，其他水
平间均表现出不同程度的显著性差异(p ＜ 0. 05)。
实验中固定化斜生栅藻去氮除磷效果随 pH 的升高
而增大，当 pH = 9 时，去除率最好。这与许海等［21］
得出的斜生栅藻适宜在高 pH 条件下生长的结论相
符。研究发现，pH主要通过影响藻细胞生长影响去
氮除磷效果。具体体现在以下两个方面:一是藻细
胞只有在适宜的酸碱度范围内才能正常生长繁殖，
酸性太强或碱性太强都会对藻细胞产生伤害;二是
pH会影响碳酸盐平衡系统和不同形态无机碳分配
关系，从而影响藻细胞生长［21］。pH 对藻细胞生长
的影响，主要体现在实验初期，在实验过程中发现，
斜生栅藻通过自身生理代谢调解生长环境，使各实
验组 pH值均有不同程度增长。
表 4 pH水平间 LSD分析
Table 4 LSD analysis of pH levels
pH(I) 6． 00 7． 00 8． 00 9． 00
pH(J) 7． 00 8． 00 9． 00 6． 00 8． 00 9． 00 6． 00 7． 00 9． 00 6． 00 7． 00 8． 00
Sig．(NH +4 -N) 0． 141 0． 013 0． 002 0． 141 0． 122 0． 009 0． 013 0． 122 0． 092 0． 002 0． 009 0． 092
Sig．(TP) 0． 000 0． 000 0． 000 0． 000 0． 039 0． 004 0． 000 0． 039 0． 124 0． 000 0． 004 0． 124
2． 2． 3 流速水平间分析
本次实验中，与其他 2 个因素相比，反应器流速
不同水平间没有表现出显著性差异，这说明不同水
平对实验结果影响差异不显著。在 NH +4 -N 去除
中，只有 1 水平与 3、4 水平之间有显著性差异(p ＜
0． 05);在 TP 去除中，所有水平之间均无显著性差
(p ＞ 0． 05)。理论认为，适当的水动力条件能够增
加溶解氧、降低藻周围次级代谢产物浓度，利于藻类
生长，增强净化能力，Whitford 等［22］发现，当流速达
到 0. 18 m /s 时，藻类对磷的吸收率可以提高到
150% ～4242%;当流速较大时，藻类生长繁殖环境
遭到破坏，增长和聚集受到抑制［23］。实验中流速对
实验结果未表现出显著性差异，原因可能有以下几
点:(1)Cu2 +和 pH是影响藻类生长的主要因素，从
而削弱了流速的影响;(2)高营养水平下藻类受流
速干扰不明显，这和颜润润等［24］的研究结果相似;
(3)实验室模拟条件下反应器规模较小、外部影响
因素较少，不能很好地体现出不同流速在废水净化
中的重要性和差异性。实际生产中，流速受到反应
器深度、污泥沉积等因素影响［25］，其对藻类去除氮
磷的影响还应进一步探讨。
表 5 反应器流速水平间 LSD分析
Table 5 LSD analysis of flow rate levels of reactor
流速(I) 0 0． 3 0． 6 0． 9
流速(J) 0． 3 0． 6 0． 9 0 0． 6 0． 9 0 0． 3 0． 9 0 0． 3 0． 6
Sig．(NH +4 -N) 0． 017 0． 042 0． 055 0． 017 0． 51 0． 408 0． 042 0． 51 0． 856 0． 055 0． 408 0． 856
Sig．(TP) 0． 325 0． 082 0． 142 0． 325 0． 348 0． 561 0． 082 0． 348 0． 701 0． 142 0． 561 0． 701
2． 3 正交实验最优组合验证实验
由表 6 可知，A因素和 B 因素对实验结果影响
较大，C因素对实验结果影响不明显。结合表 3、表
4，为使 NH +4 -N、TP去除达到最佳状态，Cu
2 +浓度应
选择 2 水平，pH 应选择 4 水平。通过对流速不同
水平之间分析可得，流速对 NH +4 -N 和 TP 的去除率
影响都不显著，但 1 水平和 2 水平之间有显著性差
异(p ＜ 0. 05)，结合实验结果和能源节约思想，流速
应选择 2 水平。
表 6 方差分析表
Table 6 Table of ariance analysis
评价指标 因 素 平方和 自由度 均 方 F Sig．
NH +4 -N
去除率
(%)
A 782． 540 3 260． 847 13． 283 0． 005
B 656． 922 3 218． 974 11． 151 0． 007
C 238． 091 3 79． 364 4． 041 0． 069
TP
去除率
(%)
A 992． 636 3 330． 879 20． 155 0． 002
B 2 813． 972 3 937． 991 57． 135 0． 000
C 81． 650 3 27． 217 1． 658 0． 274
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第 5 期 张玉琳等:固定化斜生栅藻净化畜禽废水中氨氮和磷的影响因素
综上所述，最有利于固定化斜生栅藻对畜禽废
水去氮除磷净化效果的是 A2B4C2 组，即 Cu2 + 为
0. 05 mg /L，pH 为 9，流速为 0. 3 m /s。通过验证实
验，得出 NH +4 -N、TP去除效果如图 3。
图 3 A2B4C2 去氮除磷效果
Fig. 3 Removal effect of ammonia nitrogen
and phosphorus by A2B4C2
由图 3 可知，实验初期，去氮除磷效果不明显，
这是因为藻类处于适应包埋剂等其他外部环境的时
期，生长较为缓慢，初始时 NH +4 -N 净化率高于 TP;
在第 2 ～ 3 天，经过短暂的适应期，藻类以较快速度
生长，在图中显示为消耗氮磷速率较快，使得氮磷去
除率逐步增加，TP 的去除率增速提升，净化效果优
于 NH +4 -N;在第 7 天，因为水体中藻类可利用氮磷
含量较少，故去除率增幅减小，去除率逐渐平稳。在
整个实验过程中，NH +4 -N 和 TP 的去除效果基本同
步，TP的去除效果优于 NH +4 -N。最终 NH
+
4 -N 去除
率为 96. 11%，TP去除率为 97. 53%，达到了较好的
去除效果。
高鹏等［26］利用海藻酸钠包埋微囊藻，对高浓度
畜禽废水经 6 d 处理，NH +4 -N 和 TP 去除率分别达
到 90. 77%和 76. 10%;袁冰等［27］利用固定化小球
藻对养殖废水进行 15d 处理，N、P 去除率分别为
93. 41%和 95. 98%。以往的探究实验往往在静水
条件下进行，同时未考虑废水中重金属影响。本实
验处理效果优于两者，除藻种不同的原因外，也与实
验中优化条件下 Cu2 +浓度及流速设定有关。
3 结 论
(1)铜对固定化斜生栅藻去氮除磷的效果影响
表现为两方面，即:低浓度(0 ～ 0. 05 mg /L)促进，高
浓度(0． 50 ～ 5. 00 mg /L)抑制;pH 较高条件下(pH
=9)，斜生栅藻对氮磷去除效果较好;不同流速对
固定化斜生栅藻去氮除磷效果无显著差异，但动水
(0． 3 ～ 0. 9 m /s)和静水(0 m /s)相比，NH +4 -N和 TP
去除率有所提升，起到促进作用的临界流速还应进
一步探讨。
(2)正交实验表明，固定化斜生栅藻对高浓度
模拟畜禽废水去氮除磷的最优组合为 A2B4C2，即
Cu2 +为 0. 05 mg /L，pH为 9，反应器流速为 0. 3 m /s;
通过验证实验，最终 NH +4 -N 去除率为 96. 11%，TP
去除率为 97. 53%。
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