全 文 ：Journal of Food Science and Biotechnology Vol.31 No.9 2012
YU Yun -long，et al： Study on Wastewater Treatment by Chlorella vuganis
under Dark Condition FrontierResearch Article
黑暗条件下普通小球藻处理废水的研究
余云龙， 邹 华 *， 张 强， 郝 女
（江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122）
摘要： 通过光暗条件下普通小球藻的废水处理、黑暗条件下菌藻协同处理废水、黑暗条件下普
通小球藻可持续生长的实验对小球藻黑暗条件下废水处理进行了研究。 结果表明，黑暗条件下
小球藻对 COD的去除强于光照条件，对氮磷的去除不如光照条件。 在黑暗、静置条件下，藻菌混
合体系对废水中 COD 和氮磷的去除以小球藻为主导；在黑暗、摇床条件下，藻菌混合体系对废
水中 COD和氮磷的去除以活性污泥为主导；而且，黑暗条件下藻菌混合并不会出现两者互利共
生强化废水处理的效果；小球藻能够在黑暗条件下长期生长并稳定地处理废水。
关键词： 普通小球藻；废水处理；活性污泥；异养
中图分类号：X 52 文献标志码：A 文章编号：1673—1689（2012）09—0938—06
Study on Wastewater Treatment by Chlorella vuganis under Dark Condition
YU Yun-long， ZOU Hua*， ZHANG Qiang， HAO Nu
（School of Environmental and Civil Engineering， Jiangnan University，Wuxi 214122，China）
Abstract： The wastewater treatment by Chlorella vuganis under light and dark condition， and by
algae -bacterium system under dark condition were studied，the Chlorella vuganiss sustainable
growth under dark condition was also studied. The results showed that the removal of COD under
dark condition was better than light condition， but TN&TP were on the contrary. Chlorella vuganis
played a key role in removal COD， TN， TP in the mixed system of Chlorella vuganis and activated
sludge when stationarily incubated under dark condition.However， activated sludge played a key
role in removal COD，TN，TP in the mixed system when shakingly incubated under dark condition.
Whats more， the mixture of algae and bacterium couldnt have an effect on mutualism and
improved the efficiency of wastewater treatment，and Chlorella vuganis could grow and treat
wastewater sustainably under dark condition.
Keywords： Chlorella vuganis， wastewater treatment， activated sludge， heterotrophism
收稿日期： 2011-11-02
基金项目： 国家自然科学基金项目（20707007）。
*通信作者： 邹华（1972—），男，江苏无锡人，理学博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事湖泊生态方面的研究。 E-mail：zouhua@jiangnan.edu.cn
微藻在无光照的情况下可以利用有机碳源进
行异养生长 [1]的能力可以被用来达到处理废水的目
的。 有研究表明，异养培养小球藻的生物量远大于
自养时的生物量，异养培养的小球藻的比生长速率
研究论文
貕貚販
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余云龙，等： 黑暗条件下普通小球藻处理废水的研究研究论文
是自养时的 2.13倍[2]。与传统污水处理方法相比，利
用藻类处理污水可以克服传统污水处理方法引起
的二次污染、潜在营养物质丢失等弊端，同时能够
作为污水深度处理，有效且低成本地去除氮、磷等
营养物质。 因此，研究利用微藻处理氮磷废水受到
广泛重视[3-4]。
目前微藻处理废水的研究，无论是从应用方面
[5-8]，如高效藻类塘，藻菌协同、藻菌固定化废水处理
技术等，还是从理论研究方面 [9-11]，如 COD、氮磷去
除的机理、生长环境因素等均主要集中在光照条件
下，对黑暗条件下微藻处理废水却少有研究。 黑暗
条件下，利用微藻的异养生长处理废水，可避免光
自养生长过程中光抑制或光限制等问题，由于不受
光照条件限制，处理效果稳定，运行费用低廉。
普通小球藻可利用葡萄糖等有机物为碳源和
能源异养生长，它们在富含有机质的污水中能够很
好地生长，且小球藻对温度、盐度的适应能力很强，
Ganter等比较了多种藻类， 认为小球藻是去除效率
最高的藻类之一，用做去除污水的 N、P 等物质是一
种很有应用前景的单细胞藻类[12]。因此，作者以普通
小球藻为对象，研究黑暗条件下普通小球藻对有机
废水的处理效果及光照对其处理的影响。
1.1 实验材料
1.1.1 普通小球藻 Chlorella Vuganis：购自中科院
水生生物研究所（FACHB-1068）。
1.1.2 活性污泥 取自无锡市芦村污水处理厂二
沉池。
1.1.3 模拟养殖废水 根据无锡市南洋农畜业有
限公司的养猪场冲洗废水的水质人工配制，COD 约
500 mg/L、TN 约 100 mg/L、TP 约 20 mg/L，具体成分
见表 1。
以上试剂溶于 10 L 水、调节 pH 至 7 即得模拟
废水。
1.2 测定方法
COD 的测定： 采用 GB11914-89 重铬酸盐法；
TN 的测定： 采用 GB 11894-89 碱性过硫酸钾消解
紫外分光光度法；TP 的测定：采用 GB 11893-89 钼
酸铵分光光度法。
MLSS的测定：取定量污泥用滤纸过滤，在 103~
105 ℃烘 2 h 至恒重，干燥器中冷却至室温后称重；
小球藻干重的测定：取 0.45 μm 的纤维滤膜过滤藻，
103 ℃烘至恒重；总叶绿素测定：采用乙醇提取比色
法。
表 1 模拟废水成分表
Tab.1 Ingredient of simulant wastewater
1.3 实验方法
1.3.1 藻种培养 藻种培养采用 BG-11 培养基，培
养条件为 25 ℃、 光照强度 5 000 Lx、 光暗周期 12
h：12 h、每天振摇 3~5 次，培养至对数生长期。
1.3.2 藻种与污泥的驯化 取培养至对数生长期
的藻种按体积分数 20%接种到废水中进行驯化，驯
化条件为 25 ℃、光照强度 5000 Lx、光暗周期 12 h：
12 h、 每天振摇 3~5 次， 使其适应在废水环境中生
长。污泥接种至废水中，曝气 20 h，静置沉淀 2 h，排
出上清液后重新添加废水曝气，如此循环。
1.3.3 光暗条件下普通小球藻的废水处理 取小
球藻接种于灭菌模拟废水，质量浓度 34 mg/L，光照
（强度 5 000 Lx）或黑暗培养，温度为 25 ℃。 定时取
样测定水质。 做 3 个平行实验，文中数据为 3 个平
行实验平均值。
1.3.4 黑暗条件下菌藻协同处理废水 以黑暗静
置、黑暗摇床培养条件下对藻、菌、藻菌混合设置 6
组实验组，分别编号 A1（藻静）、A2（藻摇）、B1（菌
静）、B2（菌摇）、C1（藻菌静）、C2（藻菌摇），温度 25
℃，摇床 150 r/min。 藻菌混合组中藻、菌质量浓度均
为 34 mg/L； 纯藻与纯泥组中藻和泥的质量浓度也
均为 34 mg/L。 其中，纯藻组中加入灭菌离心活性污
泥上清液为补偿液，纯泥组中加入灭菌离心藻液上
清液为补偿液，实验阶段每天对各实验组进行水质
测定，以此探究黑暗条件下小球藻与活性污泥混合
相对于藻、菌单独处理废水时的差异。 做 3 个平行
成分 质量/g
葡萄糖 6
蛋白胨 0.24
牛肉膏 0.12
Na2CO3 1.98
NaHCO3 0.12
Na3PO4·12H2O 2.5
尿素 0.12
（NH4）2SO4 2
材料与方法1
貕貚貪
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实验，文中数据为 3个平行实验平均值。
1.3.5 黑暗条件下普通小球藻可持续废水处理的
研究 取小球藻接种于灭菌后的模拟废水中，质量
浓度34 mg/L，于黑暗、25 ℃培养箱内培养，4 d 后将
离心获得藻重新接种到新的模拟废水， 如此重复，
期间定时测定藻干重、总叶绿素及 COD、TN、TP。 做
3个平行实验，文中数据为 3个平行实验平均值。
2.1 光暗条件下普通小球藻的废水处理
由图 1、 图 2 可见，COD、TN、TP 均在第一天有
较大幅度的下降， 这是因为开始时营养物质丰富，
小球藻得以快速生长，吸收各营养物质，之后则随
着藻数量上升以及营养物质不足的限制， 生长趋
缓，最后基本稳定。
图 1 光/暗条件下小球藻废水处理 COD 变化曲线
Fig.1 COD variation curves of Chlorella vuganis under
light and dark condition
图 2 光/暗条件下小球藻废水处理 TN、TP 变化曲线
Fig.2 TN &TP variation curves of Chlorella vuganis
under light and dark condition
从最后各指标的终值可见，黑暗条件下普通小
球藻对 COD 的去除效果强于光照条件， 而氮磷的
去除则是光照条件强于黑暗条件。 小球藻在光照及
黑暗条件下分别进行自养及异养生长，对营养物质
有着不同的利用途径及机理。 有研究表明，某些微
藻具有特殊的运送系统，可主动吸收培养基中的有
机化合物。 黑暗条件下，小球藻生长所必须的碳源
主要来自废水， 通过吸收利用以维持自身的生长。
而光照条件下，小球藻进行光合作用，碳源主要为
CO2，因此在黑暗条件下小球藻对 COD 的去除强于
光照条件。 光照条件下，藻类通过光合作用把污水
中 NH4+，NO3-、NO2-、H2PO4-等无机离子和尿素等有
机物质所含有的 N、P 等元素缔合到碳骨架上，形成
藻类细胞， 以此达到对废水中营养元素的去除；而
黑暗条件下，藻仅通过上述的某些特殊通道对营养
元素进行吸收， 故在氮磷营养物质的去除方面，光
照条件较黑暗条件有更好的效果。
2.2 黑暗条件下菌藻协同处理废水
图 3 为 4 d 后各组 COD、TN、TP 的去除率比
较。 可见，A1、A2 对 COD 去除率分别为 71.14%、
52.59%，对 TN 去除率分别为 76.58%和 50.82%，对
TP 去除率为 58.82%、49.44%。 可见黑暗条件下，静
置的环境更利于小球藻对废水中 COD 及氮磷的吸
收。 实验发现，A2 较 A1 的 pH 值有较大波动，但均
稳定在 7~8 之间， 因此可排除 pH 值为主要影响因
素，考虑溶解氧的影响。
图 3 各实验组去除效果
Fig.3 Removal efficiency of each group
Gladue 对微藻的异养生长总结了 3 个必需条
件，其中一个就是细胞膜具通透性。 有机物只有通
过细胞膜进入细胞内部， 才能被藻类吸收利用，如
果存在通透性障碍，必然限制藻类对有机物的利用
[13]。 研究发现，影响细胞膜通透性的因素很多，比如
溶解氧，较高的氧浓度可能导致细胞体内活性氧积
累而对细胞产生毒性，由此导致细胞膜通透性的下
降[14]，影响了微藻的异养生长。 因此，摇床条件其溶
解氧较高，普通小球藻对营养物质去除效果不佳。
A1、B1、C1 对 COD 去除率分别为 71.14% 、
53.69%、77.70%， 对 TN 的去除率分别为 76.58%、
56.07% 、85.77% ， 对 TP 去除率分别为 58.82% 、
46.66%、58.24%。可见，在黑暗、静置条件下，COD及
氮磷的去除，普通小球藻占主导地位。 因为静置条
结果与讨论2
貕貛財
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件下废水中的溶氧有限， 抑制了活性污泥的活性，
藻菌两者在碳、氮、磷等能源物质有限的条件下存
在竞争作用，因而在利于藻生长的条件下，藻菌混
合体系藻的生长占优势， 其对 COD 及氮磷的吸收
占主导。
A2、B2、C2 对 COD 的去除率分别为 52.59%、
98.62% 、99.28% ， 对 TN 去除率分别为 50.82% 、
82.43% 、80.74% ， 对 TP 去除率分别为 49.44% 、
56.64%、55.05%。可见，在黑暗、摇床条件下，藻菌混
合体系中 COD 及氮磷的去除主要依靠活性污泥。
原因同上。
从 A1 与 C1、B2 与 C2 对各指标的去除效果来
看，黑暗条件下，藻菌两者的混合相比于纯藻、纯菌
对 COD、TN、TP的去除效果没有显著提升。因此，利
用藻菌互利共生提升废水处理效果的高效藻类塘
在黑暗条件下其强化作用并不会发生。 藻类在高效
藻类塘中的大量繁殖，其作为一种生物载体不仅为
细菌提供了大量的附着环境，而且藻类的光合作用
也为细菌提供了充足的溶解氧，保证了好氧细菌的
生长环境； 细菌在藻类提供的友好环境中大量繁
殖，其呼吸作用也为藻类提供了充足的碳源——二
氧化碳，使高效藻类塘内形成了更紧密的藻菌共生
系统[15]。 在黑暗条件下，藻并不产生氧，也不吸收细
菌释放的二氧化碳，因此其不具有类似高效藻类塘
的互利共生作用；除此之外，藻类和细菌两者在同
一环境下亦存在拮抗和竞争作用。Mayo等人发现异
养菌在有小球藻存在的介质中生长要比没有小球
藻的介质中慢得多 [16]，Oswald同样也发现细菌对藻
类生长的限制作用，在灭菌的废水中小球藻生长迅
速，产量较高[17]。因此，在黑暗条件下，藻菌混合并不
会使其去除效果有显著提升。
2.3 黑暗条件下普通小球藻的持续生长研究
黑暗条件下藻类可以异养生长，但是长期无光
照对藻类的生长、生理是否存在不利影响，对微藻
处理废水效果有何种影响，关系到微藻异养处理废
水的实际可行性。 作者连续实验了 4 个周期，每个
周期培养 4 d， 考察了小球藻生长和废水处理的情
况。
图 4、 图 5 为第一批次及第四批次小球藻黑暗
条件下生长过程中总叶绿素和藻干重变化曲线。 从
两个图可以看出，两个批次的小球藻不管是总叶绿
素和藻干重的变化趋势还是两者的量都基本一致，
第一天后小球藻快速生长，进入对数生长期，藻干
重与叶绿素都有显著增长，之后由于藻的数量及营
养物质缺乏的限制趋于稳定。由此可见，3个批次的
培养后小球藻依然能够正常生长，而且并未出现叶
绿素量减少或藻生长量下降的情况。
图 4 第一批次小球藻总叶绿素和藻干重变化曲线
Fig.4 Total chlorophyll & dry weight variation curve of
the 1st batch Chlorella vuganis
图 5 第四批次小球藻总叶绿素和藻干重变化曲线
Fig.5 Total chlorophyll & dry weight variation curve of
the 4th batch Chlorella vuganis
黑暗条件对藻类最大的影响在于叶绿素的合
成，但有研究表明，某些藻类具有在黑暗条件下合
成 叶 绿 素 的 能 力 。 原 叶 绿 素 酸 酯
（protochlorophyllide）是叶绿素合成途径中关键的中
间产物。 在原叶绿素酸酯还原为叶绿素酸酯这一关
键步骤，即 D 环的还原，有两条途径，即依赖于光的
合成途径（光反应）和不依赖于光的合成途径（暗反
应）[18]， 已知有两种酶催化原叶绿素酸酯 D 环双键
的还原进而形成叶绿素 a 的直接前体叶绿素酸酯 a
[19-20]。 一个是依赖于光的原叶绿素酸酯氧化还原酶
（light -dependent NADPH -protochlorophyllide
oxidoreduetase，POR，EC 1.3.1.33）[21]， 另一个酶是不
依赖于光的（暗反应）原叶绿素酸酯还原酶（light-
independent protochlorophyllide oxidoreductase，
LIPOR），这种酶不需要光就能催化原叶绿素酸酯的
还原。 蓝细菌、藻类和裸子植物（非开花植物）同时
具有这两种酶。 由于叶绿素无光合成酶的存在，光
合细菌、藻类、裸子植物等都能在无光条件下合成
貕貛貢
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菌绿素和叶绿素。 而且近年来通过分子生物学手段
分析各种能够进行暗反应的生物，包括细菌、藻类
和植物，发现了与叶绿素的无光合成有关的基因位
点[22]。闫海等的研究也表明，小球藻在有无光照条件
下对其细胞色素合成的影响不大[23]。
图 6、 图 7 为黑暗条件下 4 个批次小球藻培养
过程中 COD、TN、TP的变化曲线。由图可知，每个批
次的 COD 与 TN、TP 一致，均在第一天内大幅下降，
说明小球藻已适应该类废水，无需长时间的调整适
应，之后各项指标逐步稳定。 4 个批次 COD 去除率
均保持在 65%左右、TN 为 70%左右、TP50%左右，
可见，黑暗条件下普通小球藻能够持续生长且能对
废水进行长期处理。
图 6 4 个批次小球藻废水处理 COD 变化曲线
Fig.6 COD variation curve of the 4 batches Chlorella
vuganis
图 7 4 个批次小球藻废水处理 TN、TP 变化曲线
Fig.7 TN&TP variation curve of the 4 batches Chlorella
vuganis
1） 相比于光照条件，黑暗条件下普通小球藻对
COD的去除更强，但其氮磷去除效果不如光照条件。
而且，普通小球藻在黑暗环境下，静置的条件对废水
中 COD及氮磷的去除相比于摇床有更好的效果。
2） 在黑暗、 摇床条件下的藻泥混合体系中，活
性污泥对废水中 COD 及氮磷的去除占主导作用。
在黑暗、静置的条件下，则是普通小球藻对废水中
COD及氮磷的去除占主导作用。而且，黑暗条件下，
藻菌混合并不会出现两者互利共生强化废水处理
的效果。
3） 普通小球藻能够在黑暗条件下长期生长，且
在过程中能对废水进行持续处理。
结 语3
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