全 文 ：固定化小球藻去除污水中氮 、磷的试验研究
张向阳 1 , 　邢丽贞 2 , 　张彦浩1 , 　吴星五1
(1.同济大学 环境科学与工程学院 , 上海 200092;2.山东建筑大学 市政与环境工程
学院 , 山东 济南 250101)
　　摘　要:　采用海藻酸钙对蛋白核小球藻进行固定 ,并用于去除污水中的氮磷。氮磷比试验结
果表明 ,固定化小球藻对氮磷的去除受氮磷比的影响 ,氮磷比越小则对氨氮的去除率也就越高 ,但
去除量与初始浓度有关;氮磷形态试验结果显示 ,固定化小球藻对不同形态氮的去除能力顺序为:
氨氮﹥简单有机氮﹥硝酸盐氮﹥亚硝酸盐氮 ,对不同形态磷的去除能力顺序为:正磷酸盐﹥偏磷酸
盐﹥焦磷酸盐﹥有机磷酸盐。
　　关键词:　固定化小球藻;　污水处理;　脱氮除磷
中图分类号:X703.1　　文献标识码:C　　文章编号:1000-4602(2008)01-0095-04
ExperimentalStudyonRemovingNitrogenandPhosphorusfrom
WastewaterbyImmobilizedChlorela
ZHANGXiang-yang1 , 　XINGLi-zhen2 , 　ZHANGYan-hao1 , 　WUXing-wu1
(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering, TongjiUniversity, Shanghai200092,
China;2.SchoolofMunicipal＆EnvironmentalEngineering, ShandongJianzhuUniversity,
Jinan250101, China)
　　Abstract:　Chlorelapyrenoidosawasimmobilizedbycalciumalginateandusedtoremovenitrogen
andphosphorusfromwastewater.TheresultsofN/Pratiotestshowthattheremovalofnitrogenandphos-
phorusbyimmobilizedChlorelaisinfluencedbyN/Pratio.ThesmalertheN/Pratiois, thehigherthe
removalrateofammonianitrogenis, andtheremovalquantityisrelatedtotheinitialnitrogenconcentra-
tion.TheresultsofmorphologicaltestofnitrogenandphosphorusshowthatimmobilizedChlorelahasdif-
ferentremovalratesfornitrogenandphosphoruswithdiferentmorphologies, orderedasammonianitrogen
>simpleorganicnitrogen>nitratenitrogen>nitritenitrogen, andorthophosphate>metaphosphate>py-
rophosphate>organicphosphaterespectively.
　　Keywords:　immobilizedChlorela;　wastewatertreatment;　nitrogenandphosphorusremoval
　　目前氮磷污染已成为水体水质恶化的主要因素
之一。近年来 ,我国处于富营养化状态的主要湖泊 、
水库的比例 >55%[ 1] ,给国家造成了很大的经济损
失 。藻类用于污水处理的研究是从 20世纪 60年代
开始的 ,当时主要利用大型藻类在水体中的自然形
态去除氮 、磷以及重金属等 。随着固定化技术的发
展 ,固定化藻类技术已被广泛研究 ,这就使得个体较
小的藻类 (如小球藻等)用于污水处理成为可能 。
但藻类用于污水处理受到很多因素的影响 ,如光照 、
pH值 、氮磷形态及其比例等 ,因此对各影响因素的
研究显得尤为重要 。
1　试验材料与方法
1.1　藻种及其培养
试验中所用固定化藻种为蛋白核小球藻(Chlo-
relapyrenoidosa),由中国科学院武汉水生所提供 ,
培养基采用 Dauta培养基 。培养条件是:温度为(24
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第 24卷　第 1期
2008年 1月 　　　　　　　　　　　　
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CHINAWATER＆WASTEWATER　　　　　　　　　　　　　
Vol.24 No.1
Jan.2008
±2)℃、光照度为 4 000lx、光暗比为 12 ∶12。
1.2　模拟污水的配制
以不含氮磷的 Dauta培养基为本底 ,另加不同
形态的氮磷 ,配制成试验所用的模拟污水 。
1.3　小球藻的固定方法
小球藻的固定方法采用海藻酸钙包埋法。固定
化小球藻胶球细胞负荷为 5×106个藻细胞 /球 。空
白胶球(即海藻酸钠与氯化钙形成的凝胶小球)不
含藻。固定化胶球直径为 3 mm左右。
1.4　分析方法
NH+4 -N采用纳氏试剂分光光度法测定 , NO-3
-N采用紫外分光光度法测定 ,其他形态的氮采用
过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定 [ 2] 。 PO3-4 -P
采用钼蓝比色法测定 ,其他形态的磷采用过硫酸钾
消解—钼锑抗分光光度法测定 。
1.5　试验设计
1.5.1　固定载体对氮磷的吸附试验
将 500粒空白胶球放入 250 mL的锥形瓶中 ,并
加入 250 mL模拟污水 ,置于光照培养箱中 ,连续 4
d,每天测定污水中 NH+4 -N和 PO3-4 -P的浓度 。
1.5.2　氮磷比对去除效果的影响试验
保持 PO3-4 -P浓度为 6mg/L,通过添加 NH4Cl
配制成氮磷比分别为 (5 ∶1)、(10 ∶1)、(15 ∶1)、
(20∶1)的 4种模拟污水 。各取 250 mL分别放入 4
个锥形瓶中 ,并加入 500粒固定化小球藻胶球 ,每天
测定污水中 NO-3 -N和 PO3-4 -P的浓度 。
1.5.3　固定化小球藻对不同形态氮磷的去除试验
以不含氮的 Dauta培养基为本底 ,分别加入一
定量的硝酸钾 、亚硝酸钠 、氯化铵 、尿素 ,配制成含有
4种不同形态氮的模拟污水。分别取 250mL放入 4
个锥形瓶中 ,并加入 500粒固定化小球藻胶球 ,每天
测定污水中不同形态氮的浓度 。
4种不同形态的磷是磷酸二氢钾 、六偏磷酸钠 、
焦磷酸钠 、磷酸肌酸钠 。试验方法与不同形态氮的
试验相同。
2　结果与讨论
2.1　固定载体对氮磷的吸附作用
海藻酸钙凝胶小球内部多孔 ,具有四通八达的
网络结构 ,比表面积很大。当胶球加入到污水中时 ,
氨氮和正磷酸盐会吸附到胶球的表面 ,然后慢慢向
胶球内部渗透 ,并逐渐达到饱和。如果藻细胞被固
定在凝胶小球内 ,此吸附作用将会源源不断地将水
体中的氮磷提供给藻体 ,藻体从而得以生长 。图 1
为 4 d内海藻酸钙凝胶小球对氮磷的吸附情况 。
图 1　海藻酸钙对氮磷的吸附
Fig.1　Adsorptionofnitrogenandphosphorusby
calciumalginate
由图 1可知 , 2d后水体中的氨氮由 23.3 mg/L
降至 17.6 mg/L,此后并无明显变化 ,这说明胶球对
氨氮的吸附已基本达到饱和 。正磷酸盐浓度在第 1
天内变化较大 ,由 4.8 mg/L降至 4.0 mg/L。此后
每天均略有降低 ,这可能是因为海藻酸钠凝胶小球
由于浓度差会释放一部分 Ca2+于水体中 ,这些 Ca2+
与 PO3-4 反应生成了沉淀 。
2.2　不同氮磷比对去除效果的影响
每一种藻都有一个最佳生长氮磷比 ,当环境中
的氮磷比低于这个值时 ,藻的生长会受到氮的抑制 ,
相反则受磷的抑制[ 3] 。一般藻类对氮磷比的要求
在 15 ∶1左右 ,但水体的 pH值和温度等条件会影
响氨的气提和磷的沉淀 ,所以在不同的环境条件下
这个比值并不是绝对的。试验中选择的氮磷比是
(5 ∶1)、(10∶1)、(15 ∶1)、(20 ∶1)。图 2、3描述
了在不同氮磷比下 ,固定化小球藻对水中 NH+4 -N
和 PO3-4 -P的去除效果。
图 2　不同氮磷比条件下氨氮剩余浓度的变化
Fig.2　ChangesofresidualNH+4 -NatvariousN/Pratio
从图 2、3可见 ,氮磷比对氮 、磷去除效果的影响
有所不同 。对氨氮的去除率与氮磷比有关 ,氮磷比
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越小则对氨氮的去除率越高 ,而去除量与初始浓度
有关 ,初始浓度越高则去除量越大。氮磷比为 5∶1
时 ,对氨氮的去除率最高 , 4 d的去除率达 89.8%;
去除量最高的氮磷比为 20 ∶1, 4 d去除量为 24.2
mg/L。氮磷比对正磷酸盐去除的影响则较为复杂 。
在反应前期 ,氮磷比越小则对磷的去除率越高 ,但是
随着磷浓度的快速下降 ,氮磷比发生了变化 ,对去除
率的影响也与前期不同。从整个过程来看 , 4 d内
对正磷酸盐去除效果最好的氮磷比是 15 ∶1,其浓
度由 3.6 mg/L降至 0.6 mg/L,去除率为83.3%。
图 3　不同氮磷比条件下正磷酸盐剩余浓度的变化
Fig.3　ChangesofresidualPO3-4 -PatvariousN/Pratio
2.3　固定化小球藻对不同形态氮磷的去除
目前 ,国内外有关氮源对藻细胞作用的观点并
不一致 。Ohmori和 Guerero等[ 4]先后报道了蓝藻 、
蓝绿藻对氨氮的吸收利用优于其他形式的氮源 。他
们认为单细胞藻可以直接以 NH+4 -N作为合成氨
基酸的原料 ,而硝态氮必须还原成氨态氮才能被细
胞利用。而陆德祥等 [ 5]认为等鞭藻 3011的细胞结
构中含有尿素酶 ,能对尿素快速直接地吸收利用。
图 4是固定化小球藻对模拟污水中单独存在的
各种氮源的去除效果 。
图 4　固定化小球藻对不同形态氮的去除
Fig.4　RemovalofvariousnitrogenbyimmobilizedChlorela
　　试验结果显示 , 4 d内对氯化铵 、尿素 、硝酸钾 、
亚硝酸钠 4种形态氮的去除量分别是 27.9、18.4、
11.3、 6.6 mg/L, 对应的去除率分别是 100%、
89.3%、38.8%、28.7%。
固定化小球藻对氯化铵表现出很强的去除能
力 ,降解速度最快 ,也最彻底 ,对尿素的则次之。主
要原因是 ,藻类对尿素(溶解性简单有机氮)的吸收
并非一开始就传递进入细胞 ,而是主动运输 ,即通过
一些位于细胞表面的酶将有机氮降解成氨氮后被细
胞吸收。固定化小球藻对硝酸盐和亚硝酸盐的吸收
能力较弱 ,在氨氮和尿素存在的情况下 ,优先吸收氨
氮和尿素 。但固定化小球藻对硝酸盐氮仍然有一定
的同化吸收作用 ,这可能是因为有些藻类必须以硝
酸盐氮作为氮源才能正常生长。
关于藻类对磷的吸收 ,一般认为无机磷是藻类
最重要的磷源 ,正磷酸盐是藻类唯一可以吸收的磷
的形态 ,其他形态的磷则必须先转化为正磷酸盐才
可以被吸收利用 ,这与各种形态磷的分子结构有关。
但也有研究表明 ,藻类也能利用溶解性的有机磷 ,特
别是在某些磷限制的湖泊或海域 ,对有机磷的利用
显得更为重要 [ 6] 。吴重华等人则认为 ,藻类对 ATP
和偏磷酸盐表现出较正磷酸盐更强的同化吸收能
力。
图 5是固定化小球藻对模拟污水中单独存在的
各种形态磷的去除效果 。
图 5　固定化小球藻对不同形态磷的去除
Fig.5　Removalofvariousphosphorusbyimmobilized
Chlorella
经计算 ,固定化小球藻对正磷酸盐 、偏磷酸盐 、
焦磷酸盐以及磷酸肌酸盐 4 d内的去除量分别为
8.9、5.0、 2.9和 2.5 mg/L,对应的去除率分别是
100%、73.9%、59.5%、12.6%。可见 ,小球藻对磷
的吸收能力顺序表明 ,在同等条件下小球藻优先同
(下转第 101页)
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www.watergasheat.com 张向阳 ,等:固定化小球藻去除污水中氮 、磷的试验研究 第 24卷　第 1期
势 ,但对除铬的影响不大。这从理论上证明 ,在微生
物受到严重抑制前 ,单位质量的微生物对铬的最大
吸附能力基本相同 ,与其活性的关系不大;载体最主
要的作用是对有毒物质起到较好的屏蔽作用 ,为微
生物提供一个适宜的生长环境 ,从而提高其抗毒性 ,
而对铬的直接吸附作用很弱。
3　结论
①　在保证对 COD的去除效果稳定的前提下 ,
固定化微生物与普通活性污泥所能承受的 Cr6+浓
度分别为 70 mg/L和 1.9 mg/L。
②　污泥对 Cr6 +有很强的吸附及还原能力 ,反
应器中的 Cr6+最终主要以 Cr3+的形式通过排放剩
余污泥而被去除 。
③　当进水 Cr6+浓度 <70 mg/L时 ,两个反应
器中的微生物对铬的吸附基本符合 Langmuir吸附
等温式 ,这种吸附作用和微生物的量有关 ,而和微生
物活性的关系不大。
④　载体对有毒物质能起到较好的屏蔽作用 ,
从而大大提高了微生物的抗毒性。
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京:中国建筑工业出版社 , 2000.
电话:13321285935
E-mail:wye@mail.lzjtu.cn
收稿日期:2007-07-28
(上接第 97页)
化吸收正磷酸盐 ,而对有机磷的同化吸收能力最弱 。
小球藻虽然对偏磷酸盐也有一定的吸收能力 ,但对
正磷酸盐的吸收更快 ,更彻底。
3　结论
①　海藻酸钙固定载体呈多孔结构 ,对氨氮和
正磷酸盐有一定的吸附能力 ,这对固定化小球藻持
续吸收水体中的氮磷起到促进作用。
②　固定化小球藻对氮磷的去除受氮磷比的影
响 。氮磷比越小则固定胶球对氨氮的去除率越高 ,
但去除量受初始氨浓度的影响 。
③　固定化小球藻对不同形态的氮 、磷去除能
力不同 。试验表明 ,固定化小球藻对不同形态氮的
去除能力为:氨氮﹥简单有机氮﹥硝酸盐氮﹥亚硝
酸盐氮;对不同形态磷的去除能力为:正磷酸盐﹥偏
磷酸盐﹥焦磷酸盐﹥有机磷酸盐。
④　小球藻对氨氮和正磷酸盐有较强的吸收同
化能力 。固定化小球藻用于污水处理 ,为污水脱氮
除磷提供了新的途径 。
参考文献:
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E-mail:zhangxiangyang88@126.com
收稿日期:2007-05-30
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