微藻批量生物反应器去除废水中氮磷的研究报告
一、研究作者、机构及发表信息
本研究由Serdar Göncü、Burcu Şimşek Uygun和Seda Atakan三位研究者共同完成，他们均隶属于土耳其埃斯基谢希尔技术大学（Eskişehir Technical University）工程学院环境工程系。该论文发表于《International Journal of Environmental Science and Technology》期刊2025年第22卷，页码为11877至11892，论文于2024年9月9日投稿，经修改后于2025年1月29日被接收，并于2025年2月14日在线发表。
二、研究背景与目的
氮和磷是水生生态系统中不可或缺的营养元素，但过量的硝酸盐（nitrate, NO₃⁻）和正磷酸盐（orthophosphate, PO₄³⁻）进入地表水和地下水会导致水体富营养化（eutrophication），破坏生态平衡，威胁饮用水安全和 aquatic life。传统的生物脱氮除磷方法成本较高，主要原因是缺乏足够的天然碳源来支持反硝化等过程。微藻作为一种环境可持续的资源，在污水处理领域展现出巨大潜力。微藻能够通过光合作用将无机营养物质转化为有机物质，并在细胞中积累氮磷等污染物，同时产生的氧气还能满足其他生物的呼吸需求。相较于传统方法，基于藻类的处理技术具有无需化学药剂、能耗低、可回收生物质、能够固定二氧化碳等多重优势。
本研究旨在探究利用纯培养的普通小球藻（Chlorella vulgaris）和四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）在批次生物反应器（batch bioreactor）中去除生活污水中氮磷污染物的效果，同时考察有机碳含量的变化。此外，研究还试图建立动力学模型（kinetic modeling）来描述和预测营养物质去除和有机质转化的速率，以优化大规模应用的运行参数。需要指出的是，文献中关于这两种微藻在氮磷去除方面的对比研究非常有限，因此本研究具有填补空白的意义。
三、研究流程与实验方法
本研究主要包括三个核心环节：实验装置搭建、水质分析与监测、以及动力学建模。
在实验室装置方面，研究团队从埃斯基谢希尔市市政污水处理厂初沉池出水口采集了生活污水样本。该处理厂日处理能力为105,000立方米，服务人口65万。初沉处理已去除悬浮固体、油脂等颗粒物，使后续生物处理不受干扰。采集的污水在121°C高压灭菌2小时，并于4°C冷藏以抑制生物活性。实验采用两株纯培养微藻，均来自哈杰特佩大学（Hacettepe University）实验室。培养微藻使用Bold基础培养基（Bold’s Basal Medium, BBM），其中含有硝酸钠、氯化钙、硫酸镁、磷酸氢二钾、氯化钠、EDTA、硫酸亚铁、硼酸、硫酸锌、氯化锰、三氧化钼、硫酸铜等特定成分。
实验装置由三个2000毫升的锥形瓶（Erlenmeyer flask）构成，每个瓶子用棉塞和铝箔封口并高压灭菌。每个瓶中插有两根软管：一根用于取样，连接注射器以防污染；另一根用于通气，末端连接0.2微米无菌过滤器以防止空气中污染物进入，同时通过气泵和气泡石为每个瓶子提供等量空气。光源置于瓶子后方以保证每个瓶子接受同等光照。每个反应器中加入150毫升藻液、150毫升BBM培养基和1500毫升灭菌污水。实验在完全无菌环境下进行，每天取10毫升样品，每组三个平行，实验周期约25天。每套实验重复三次。
在分析测试方面，pH和硝酸盐使用Hach HQ40D仪器配合离子选择电极测量，其中硝酸盐使用ISENO3181探针，pH使用PHC301探针。氨氮（NH₃-N）、硝酸盐氮（NO₃⁻-N）和正磷酸盐使用Hach DR/2400分光光度计检测。叶绿素a（chlorophyll-a）采用AquaFluor荧光仪进行活体测量。总有机碳（total organic carbon, TOC）、总碳（total carbon, TC）和无机碳（inorganic carbon, IC）使用Shimadzu VCPH-5000型TOC分析仪测定。实验在室温（约25°C）和24小时光照条件下运行，pH维持在7至9之间。
在动力学建模方面，研究采用经典的Monod模型（又称Michaelis–Menten模型）来描述微藻生长与底物浓度之间的关系。模型包括微藻生物量平衡方程和底物消耗方程，其中最大比生长速率（μmax）和半饱和常数（Ks）通过实验数据拟合获得。模型变量中“x”代表叶绿素a浓度，“s”代表底物浓度，本研究中选用氨氮作为底物。
四、主要实验结果
在氨氮去除方面，两种微藻均表现出快速去除能力。四尾栅藻在15天内氨氮去除率达到83.47%，在前10天的指数生长期（exponential growth phase）平均去除效率为76.9%。氨氮浓度从40.3 mg/L降至6.6 mg/L。普通小球藻在指数期的氨氮去除效率为80.28%，初始浓度47.3 mg/L在15天后降至9.3 mg/L。10天后两种藻的去除效率趋于平稳，进入停滞期（stagnant phase）。ANOVA检验表明三个平行锥形瓶之间无显著差异。
在硝酸盐氮去除方面，两种微藻的效率均较低。四尾栅藻的硝酸盐去除效率仅约20%，浓度从38.5 mg/L降至31.3 mg/L；普通小球藻的去除效率为50%，浓度从33.1 mg/L降至约15 mg/L。藻类优先利用氨氮而非硝酸盐，因为氨的形式更简单、更易代谢。美国环保署规定的硝酸盐氮最大污染物水平为10 mg/L，世界卫生组织建议的指导值为11 mg/L，因此仅依靠该藻类处理尚不足以达到饮用水标准。
在总无机氮（total inorganic nitrogen）去除方面，四尾栅藻的去除效率为35.34%，而普通小球藻在前10天的指数期去除效率达到76.54%，随后进入停滞期，最终总去除效率为60.7%。这表明普通小球藻在脱除总无机氮方面明显优于四尾栅藻，大约是后者的两倍效率。
在正磷酸盐去除方面，四尾栅藻表现出57.89%的去除效率，而普通小球藻则几乎没有去除效果。藻类在废水中优先消耗氨氮而非磷酸盐的现象在诸多水生生态系统中均有观察到。磷酸盐的代谢可能更耗能，藻类在特定环境条件下会优先选择氨氮以节约能量。
在叶绿素a变化方面，四尾栅藻在前10天从0.05 mg/L迅速增加至3.7 mg/L，之后进入平台期，数值在2.2至2.6 mg/L之间波动。普通小球藻的叶绿素a变化呈现较大波动，不同反应器中数值在1.4至6.9 mg/L之间，这可能与光照、营养、温度或混合均匀性等因素有关。
在总碳去除方面，四尾栅藻在前10天指数期去除效率达到86.7%，总碳浓度从143.5 mg/L降至11 mg/L，最终去除效率达92.3%。普通小球藻在指数期去除效率为54.17%，总碳从16.6 mg/L降至7.2 mg/L，最终效率为61.4%。藻类通过光合作用将二氧化碳转化为有机物质，叶绿素a浓度越高，光合能力越强，碳固定能力也越强。
动力学模型拟合结果显示：四尾栅藻以氨氮为底物时，最大比生长速率（μmax）为1.85 day⁻¹，半饱和常数（Ks）为33.3 mg/L；普通小球藻的μmax为1.05 day⁻¹，Ks为11.2 mg/L。这表明四尾栅藻具有更高的最大生长速率，但需要更高的底物浓度才能达到半最大速率；而普通小球藻虽然最大速率较低，但能在较低底物浓度下表现更好。
五、研究结论与应用价值
本研究的核心结论是：四尾栅藻在去除氨氮（83.5%）、正磷酸盐（57.9%）和总碳（86.7%）方面比普通小球藻更有效；而普通小球藻在去除总氮方面表现出约两倍于四尾栅藻的效率（76.5%）。两种藻对无机碳和氨氮的去除效率较高，但对硝酸盐氮（约39%）和正磷酸盐的去除效率相对较低。
从应用价值来看，微藻处理生活污水中的氮磷被证明是有效且具有前景的方法，经过改进后有望在未来应用于实际处理设施。处理后产生的藻类生物质可用于能源生产、动物饲料和肥料制备，在工业共生框架下具有广泛用途。微藻处理不仅在经济上可行，而且具有环境健康效益和资源效率优势。该研究还与多项联合国可持续发展目标相呼应，包括清洁饮水和卫生设施、负责任消费和生产、气候行动及水下生物保护等目标。从科学价值角度，本研究填补了普通小球藻和四尾栅藻在氮磷去除对比研究方面的文献空白，所建立的动力学模型为后续工艺优化提供了定量依据。
六、研究亮点
本研究的主要亮点包括：第一，系统比较了两种常见微藻对多种水质指标（氨氮、硝酸盐氮、总无机氮、正磷酸盐、总碳、叶绿素a）的去除效率差异；第二，发现了两种藻在去除不同形态氮磷上的显著差异——四尾栅藻擅长去除氨氮和正磷酸盐，而普通小球藻擅长去除总氮，这一差异源于两种藻的生理特性和营养吸收机制不同；第三，建立了基于Monod方程的动力学模型，获得了两种藻的μmax和Ks参数，为工程设计和优化提供了关键数据；第四，实验设计严谨，采用了无菌环境、三平行样和重复实验，并利用ANOVA验证了数据的可靠性。此外，研究对藻类优先利用氨氮而非硝酸盐和磷酸盐的机制进行了合理解释，对理解微藻废水处理的内在机理具有参考价值。