孔石莼Ulva pertusa 生物濾器對氨氮和磷酸鹽的去除研究

盧宏博，車鑒，夏寧，魏海峰

（1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；3.遼寧省近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；4.大連鑫玉龍海洋生物種業(yè)科技股份有限公司，遼寧 大連 116222）

城市生活污水和工業(yè)廢水的排放，使近海生態(tài)環(huán)境日益惡化，修復(fù)海洋富營養(yǎng)化成為亟待解決的問題。大型海藻吸收營養(yǎng)元素（N、P）的效率高，還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，利用大型海藻修復(fù)海洋富營養(yǎng)化，治理環(huán)境技術(shù)受到高度關(guān)注。大型藻類體內(nèi)的營養(yǎng)貯存機(jī)制適合在營養(yǎng)鹽波動的水體環(huán)境中生長，能從周圍環(huán)境中大量吸收氮、磷營養(yǎng)元素[1-3]及鉛、金、鎘、鈷[4]等重金屬，釋放氧氣，調(diào)節(jié)水體pH。生物過濾（Living Biological Filtration）[5,6]中的植物過濾[7]，主要利用了大型海藻體內(nèi)的營養(yǎng)貯存機(jī)制。大型海藻過濾、生物膜過濾和動物過濾等復(fù)合處理養(yǎng)殖循環(huán)水技術(shù)可通過優(yōu)勢互補(bǔ)，以達(dá)到水質(zhì)凈化和廢物綜合利用的目的。

近年來,我國諸多海灣生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡[8]，富營養(yǎng)化嚴(yán)重,赤潮和養(yǎng)殖生物病害頻繁發(fā)生,加強(qiáng)對海洋富營養(yǎng)治理的研究勢在必行。姜培霞[9]構(gòu)建了大型海藻-濾食性貝類-固定化微生物的海水富營養(yǎng)化綜合生物修復(fù)技術(shù)，以期通過修復(fù)生物之間的協(xié)同作用綜合改善水質(zhì)，有效去除構(gòu)成富營養(yǎng)化的污染物，為生物修復(fù)技術(shù)在我國近海富營養(yǎng)化海域大規(guī)模應(yīng)用提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。王翔宇等[10]研究表明，海藻能明顯去除對氮磷。胡勁召等[11]研究認(rèn)為，石莼吸收去除富營養(yǎng)化海水中營養(yǎng)鹽具有時(shí)間短、效率高，可用于處理富營養(yǎng)化水體或養(yǎng)殖廢水。張亮等[12]明確了不同形態(tài)的氮、氮磷比會影響藻類的光合速率和生長速率。張忠山等[13]綜述了幾種大型石莼屬綠藻在不同環(huán)境因子脅迫下的生理生化特征及其可能的調(diào)控機(jī)制，為近海海域環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

大型海藻生物過濾技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合利用和可持續(xù)發(fā)展思想的體現(xiàn)，是對污水處理方式的重要補(bǔ)充和發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)通過研究孔石莼Ulva pertusa大型海藻生物濾器對富營養(yǎng)化水體中NH4+-N 和PO43--P 的吸收去除，優(yōu)化生物濾器去除效果的最佳條件，可為利用孔石莼改善海洋環(huán)境、修復(fù)海洋富營養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料及裝置

實(shí)驗(yàn)用孔石莼采自大連市黑石礁海域，經(jīng)室內(nèi)培養(yǎng)一段時(shí)間，選取生長良好的孔石莼用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用海水為大連黑石礁海區(qū)砂濾海水，鹽度31，pH 8.0～8.1。人工廢水中氨氮濃度為1 mg/L，磷酸鹽濃度為0.14 mg/L，N∶P＞16∶1。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。氮氮由氯化氨配制，濃度為1 000 mg/L，磷酸鹽為磷酸二氫鉀配制，濃度均為1 000 mg/L。

用于凈化污染廢水的大型海藻生物濾器由圓柱體透明有機(jī)玻璃構(gòu)成，裝置內(nèi)平均分5 等分，每層設(shè)有缺口的隔板，每隔板的缺口方向相反（圖1），水流由下至上循環(huán)流動。反應(yīng)器一側(cè)設(shè)有取樣口，兩側(cè)可以安裝燈管，進(jìn)行光照實(shí)驗(yàn)。容器下端有水管進(jìn)，水由上端出水，進(jìn)水管由蠕動泵控制所需流速。

圖1 生物濾器裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a biological filter used in the experiment

1.2 方法

本實(shí)驗(yàn)研究了海藻生物量、水力停留時(shí)間（HRT）和氮磷濃度3 個(gè)因子對孔石莼生物濾器吸收去除海洋污水中氨氮和磷酸鹽的影響。實(shí)驗(yàn)分兩部分：一是研究海藻生物量和HRT 對孔石莼生物濾器去除氨氮速率的影響；二是研究不同濃度氨氮和磷酸鹽下孔石莼生物濾器去除速率的影響。

在人工廢水中氨氮濃度為1 mg/L，磷酸鹽濃度為0.14 mg/L，N∶P＞16∶1 下進(jìn)行第1 部分實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中海藻馴化的海水水質(zhì)條件為：鹽度31、pH 8.0，人工廢水中氨氮濃度為1 mg/L，磷酸鹽濃度為0.14 mg/L，N∶P＞16∶1。

在海藻生物量實(shí)驗(yàn)中，將經(jīng)過馴化培養(yǎng)的孔石莼分為5 個(gè)濕重質(zhì)量梯度：100 g、200 g、300 g、400 g和500 g，蠕動泵的速度為200 mL/min，水力停留時(shí)間為43 min。

水力停留時(shí)間（HRT）實(shí)驗(yàn)中，稱400 g 經(jīng)馴化培養(yǎng)的孔石莼均勻放入濾器的每層隔板中，蠕動泵的速度調(diào)到100 mL/min，水力停留時(shí)間為43 min、28 min、21 min 和17 min。

水力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)：稱400 g 經(jīng)馴化培養(yǎng)的海藻孔石莼均勻放入濾器的每層隔板中。處理速度分別為100 mL/min、200 mL/min、300 mL/min、400 mL/min 和500 mL/min。

第二部分去除不同濃度氨氮-磷酸鹽的實(shí)驗(yàn)：在處理速度為200 mL/min，水力停留時(shí)間為43 min條件下馴化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)用海藻。稱300 g 經(jīng)過馴化培養(yǎng)的孔石莼，均勻放入濾器的每層隔板中。氨氮和磷酸鹽濃度梯度組合為：1 mg/L NH4+-N，0.14 mg/L PO43--P；2 mg/L NH+4-N，0.28 mg/L PO43--P；3 mg/L NH4+-N，0.42 mg/L PO43--P；4 mg/L NH4+-N，0.56 mg/L PO43--P；5 mg/L NH4+-N，0.7 mg/L PO43--P。

實(shí)驗(yàn)周期為5 d，每天上午10:00 開始，持續(xù)6 h。實(shí)驗(yàn)期間采用自然連續(xù)光照。取樣時(shí)間為實(shí)驗(yàn)開始后的原水、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 和6 h。水質(zhì)分析方法采用國家海洋環(huán)境監(jiān)測規(guī)范第四部分：海水分析（GB 17378.4-2007）中靛酚藍(lán)法測定氨氮濃度，磷鉬藍(lán)法測定磷酸鹽濃度及海藻孔石莼對氮磷營養(yǎng)鹽的吸收速率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS25 統(tǒng)計(jì)軟件和Excel 統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，用t 檢驗(yàn)法方差分析檢測平均數(shù)之間的差異（P），以P ＜0.05 作為差異的顯著性水平。

大型海藻生物濾器對NH4+-N或PO43--P 的去除率公式為：W=

式中，W 為去除率（%），C0為原水NH4+-N或PO43--P 的濃度（mg/L），Ct為th 水樣中NH4+-N的濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海藻生物量下孔石莼生物濾器對NH4+-N的吸收

2.1.1 NH4+-N的濃度變化

由圖2 可知，孔石莼生物濾器廢水中NH4+-N濃度整體呈大幅度下降趨勢[14]，在剛開始的幾個(gè)小時(shí)，尤其是第1 個(gè)小時(shí)內(nèi)，NH4+-N的吸收較快，后續(xù)3～6 h，去除效果相對平緩，但孔石莼對NH4+-N的吸收有所波動。在不同質(zhì)量的孔石莼組中，NH4+-N的去除也略有不同。隨著孔石莼質(zhì)量的增加，孔石莼生物濾器6 h 內(nèi)對NH4+-N的吸收不呈正比，但隨時(shí)間的增加，去除效果大約呈正比，時(shí)間越長，濃度越低，吸收越好。在孔石莼質(zhì)量為200 g 和300 g 時(shí)，去除率高于其他質(zhì)量梯度；質(zhì)量為400 g 和500 g 時(shí)去除較低。這可能是海藻質(zhì)量越高，藻類生存空間變小，藻體胞外分泌物增加，開始出現(xiàn)溶藻作用[15,16]，導(dǎo)致氨氮去除率下降，因此，控制適宜的海藻生物量是成功應(yīng)用該海藻生物濾器的關(guān)鍵之一。

圖2 不同生物量反應(yīng)器NH4+-N 的吸收率Fig.2 Absorption rate of NH4+-N in different biomass reactors

2.1.2 NH4+-N去除率的變化

由圖3 可知，去除率未呈現(xiàn)明顯的趨勢變化。整體NH4+-N的去除率比較高，平均在50%～90%之間。當(dāng)孔石莼質(zhì)量為100 g 時(shí)，去除率效率比較低，大約在40%～70%之間，這可能是孔石莼質(zhì)量低，沒有足夠量來吸收；而500 g 時(shí)的效率也比較低，平均60%左右。而在300 g，特別是在1 h 和4 h 時(shí)，去除效率甚至到達(dá)90%以上。這對于后續(xù)實(shí)驗(yàn)以及海藻質(zhì)量對該大型海藻生物濾器吸收NH4+-N的研究具有重要意義[17,18]。

2.2 不同水流速度下孔石莼生物濾器對NH4+-N的吸收

2.2.1 NH4+-N濃度的變化

不同水流速下孔石莼生物濾器對NH4+-N的吸收率和變化略有差異（圖3、圖4）。

圖3 不同生物量反應(yīng)器NH4+-N 去除率Fig.3 Removal of NH4+-N in different biomass reactors

圖4 流速改變對NH4+-N 的去除的影響Fig.4 nfluence of change in flow velocity on NH4+-N removal

由圖4 可知，孔石莼生物濾器對污水中NH4+-N的吸收依然大體呈下滑趨勢，但與圖3 相比較，去除效果略顯遜色。在實(shí)驗(yàn)剛開始的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，尤其是前3 個(gè)小時(shí)，NH4+-N濃度下降較快，接下來3 h，去除效果相對平緩，孔石莼對NH4+-N的吸收有所波動，其中還有濃度上升的現(xiàn)象。但是，隨著速度的增加，去除率沒有一個(gè)明顯的趨勢。在蠕動泵水處理速度為100 mL/min 和200 mL/min 時(shí)，去除率高于其他速度，在速度為300 mL/min 和400 mL/min 時(shí)下滑趨勢略低。這說明100 mL/min 和200 mL/min為最優(yōu)處理速度。200 mL/min 和300 mL/min 4 h 后，NH4+-N都有上升的趨勢。去除效果隨著時(shí)間的增長而增強(qiáng)，但是當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間，該實(shí)驗(yàn)為4 h 時(shí)，去除效果下降。

2.2.2 NH4+-N去除率的變化

如圖5 所示，除了v=100 mL/min，其他速度下的NH4+-N的去除率基本上呈下降趨勢，整體沒有顯著變化，但3 h 后，去除效果開始明顯下降；而在v=100 mL/min 時(shí)，時(shí)間和去除率呈正比，隨著時(shí)間的增長，去除率也增長。相對而言，v=300 mL/min 時(shí)的去除率較高，大約在60%以上，而在400 mL/min和500 mL/min 時(shí)去除效果較低，大約為30%～40%。水力停留時(shí)間較短，孔石莼不能完全吸收氨氮，因此高的速度對提高孔石莼生物濾器的去除率不利，應(yīng)該選擇100 mL/min 為最佳流速，其水力停留時(shí)間為85 min。

圖5 流速改變對NH4+-N 的的去除率的影響Fig.5 Influence of changing flow velocity on NH4+-N removal rate

2.3 不同人工廢水濃度下孔石莼生物濾器對NH4+-N 和PO43--P的吸收

大型海藻對NH4+-N的吸收為主動吸收[19,20]，表現(xiàn)為飽和吸收動力學(xué)特征，但并不都符合米氏動力學(xué)方程。這與介質(zhì)中營養(yǎng)鹽形態(tài)以及藻體的生理狀態(tài)有關(guān)。海藻對營養(yǎng)鹽的吸收率一般隨組織中營養(yǎng)鹽水平的降低而增大[21]。

2.3.1 NH4+-N濃度的變化

孔石莼生物濾器對污水中NH4+-N吸收整體呈下降趨勢，在實(shí)驗(yàn)的前2 h 內(nèi)，NH4+-N的吸收速率下降較快，后續(xù)4 h，去除效果相對平緩，但還有波動或上升。不同濃度NH4+-N的去除率特點(diǎn)和變化不同（圖6）。

圖6 氨氮濃度改變對NH4+-N 的去除影響Fig.6 Influence of change ammonia nitrogen concentration on NH4+-N removal

2.3.2 NH4+-N去除率的變化

去除率隨水中NH4+-N濃度的增加呈下降趨勢，在2 h 或3 h 最高，然后隨時(shí)間下降，6 h 最低。其中NH4+-N濃度為3 mg/L 時(shí)，5 h、6 h 的去除率很低，這可能是吸收達(dá)到了飽和（圖7）。

圖7 生物濾器對NH4+-N 的去除率Fig.7 Removal rate of NH4+-N by a biological filter

NH4+-N濃度在1 mg/L 和3 mg/L 時(shí)去除率較高，在40%左右，甚至有時(shí)可以到達(dá)55%；3 h 各濃度的去除效率高，都在20%以上。海藻對氨氮吸收率一般隨組織中營養(yǎng)鹽水平的降低而增大，這對于海藻生物濾器用于處理不同濃度的含鹽廢水具有一定的實(shí)際意義。

2.3.3 PO43--P的吸收去除變化

大型海藻生物濾器吸收PO43--P 的濃度變化結(jié)果如圖8～圖10 所示，孔石莼生物濾器對PO43--P的吸收利用較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)快吸收。在不同質(zhì)量下，孔石莼對PO43--P 的吸收效果都比較低，趨勢平緩。但是，在質(zhì)量為0.2 kg 時(shí)，去除效果高于其他質(zhì)量梯度，3 h 去除率達(dá)80%左右；在不同處理速度梯度下，整體吸收率平緩，在100 mL/min 和200 mL/min 時(shí)，實(shí)驗(yàn)開始2 h 內(nèi)去除效果較為明顯；在不同的初始濃度下，孔石莼對PO43--P 的吸收都不高，平均僅為10%～20%。綜上，孔石莼生物濾器對PO43--P 的吸收變化在短時(shí)間內(nèi)較為平緩。結(jié)果表明，海藻質(zhì)量、處理速度和磷酸鹽濃度對孔石莼生物濾器吸收PO43--P 速率影響不大。

圖8 不同石莼生物量對PO43--P 去除的影響Fig.8 Effects of different biomass of sea lettuce on removal of PO43--P

圖9 流速不同對PO43--P 去除的影響Fig.9 Influence of different flow rates on removal of PO43--P

圖10 不同PO43--P 濃度的下的磷酸鹽Fig.10 Phosphate content at different concentrations of PO43--P

本實(shí)驗(yàn)中，孔石莼生物濾器對磷酸鹽的吸收平緩而不明顯，與以往實(shí)驗(yàn)相似，對海藻生物濾器的研究有一定的意義，對其他相關(guān)廢水去除工藝的深入研究也有一定作用。

3 討論

3.1 孔石莼生物濾器對氨氮和磷酸鹽的去除特征

本實(shí)驗(yàn)定量研究了孔石莼質(zhì)量、處理速度和氮磷和磷酸鹽濃度對孔石莼生物濾器去除NH4+-N和PO43--P 的效果，主要結(jié)論如下：

（1）孔石莼質(zhì)量濃度在100～500 g 之間，其NH4+-N的去除率維持在40%～90%，PO43--P 的去除率在10%～70%，實(shí)驗(yàn)前幾個(gè)小時(shí)對NH4+-N的吸收快，在300 g 時(shí)效果最優(yōu)，去除率平均為80%；NH4+-N的去除平緩，沒有顯著變化。

（2）蠕動泵的速度在100～500 mL/min 時(shí)，NH4+-N的去除率維持在30%～80%，PO43--P 的去除率在20%～70%。在6 h 的實(shí)驗(yàn)過程中，吸收NH4+-N的最優(yōu)值為300 mL/min，平均去除率為65%；NH4+-N的去除平緩，沒有顯著變化。

（3）氨氮和磷酸鹽濃度在1～5 mg/L 時(shí)，NH4+-N的去除率在30%～80%之間，PO43--P 的去除率在20%～60%。對氮磷的吸收量隨著營養(yǎng)濃度的升高而升高，但濃度超過一定值后，則會抑制植物的生長，導(dǎo)致植物對營養(yǎng)成分吸收急劇下降，甚至加速水質(zhì)的惡化。因此，要控制好植物修復(fù)水體的氮磷濃度，否則達(dá)不到期望的效果。

3.2 無機(jī)氮磷對藻類生長的影響

藻類生長、發(fā)育和繁殖都需要獲取N、P 等元素。氮的去除主要為藻類同化吸收途徑。氨氮是藻類生長最主要的氮源，一般認(rèn)為藻類傾向于優(yōu)先利用氨氮，所以，氨氮是藻類吸收的直接形式[21]。而一般認(rèn)為，無機(jī)磷（DIP）是藻類最重要的磷源，植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的代謝與磷的代謝密切相關(guān)，蛋白質(zhì)代謝中的氨基化、脫氨基、氨基移換和脫羧基等作用只有在磷酸毗醛素的參與下才能順利進(jìn)行[22]。藻類對不同磷源的利用途徑不同，利用速率也有所差異[23]，本實(shí)驗(yàn)中氨氮的去除率始終高于磷酸鹽的去除率。氮磷含量及其比例變化，不但影響污水凈化，也明顯影響藻類葉綠素含量及藻類群落結(jié)構(gòu)[24]，但本文尚未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。因藻類自身的生物活性特點(diǎn)，其凈化水體效果受營養(yǎng)鹽、光照、水溫、pH 等因素影響制約[25]，但藻類的繁殖是否會對排放區(qū)域水體環(huán)境造成破壞還未可知。

隨著對養(yǎng)殖循環(huán)水處理技術(shù)的發(fā)展，單一的或者兩種水處理技術(shù)簡單組合已不適應(yīng)需要。設(shè)計(jì)低成本、低耗能、高凈化效率的符合生態(tài)學(xué)原理的水處理工藝，達(dá)到養(yǎng)殖廢水的重復(fù)利用和對環(huán)境無污染是今后養(yǎng)殖廢水處理的發(fā)展方向。這些處理技術(shù)將更加強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者之間動態(tài)和合理的平衡，進(jìn)一步挖掘生物作用的潛力[26]。復(fù)合生物過濾技術(shù)從“變廢為寶”的角度出發(fā)，“治”“用”結(jié)合，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合利用和可持續(xù)發(fā)展思想的體現(xiàn)，是對水產(chǎn)養(yǎng)殖污水處理方式的重要補(bǔ)充和發(fā)展[27]。復(fù)合生物過濾技術(shù)在我國還處于起步階段，缺乏系統(tǒng)的研究和成果，其中各種生物濾器之間參數(shù)的優(yōu)化組合、養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)脫氮技術(shù)等需要進(jìn)一步研究。