随着全球经济的快速发展, 诸多环境问题日渐突出.其中, 水污染问题不仅制约社会经济的发展, 而且严重威胁人类健康.当前, 以活性污泥为基础的传统工艺虽能有效去除COD、N和P等污染物, 但其以曝气强化供氧方式促进微生物氧化COD, 并通过能量和物质密集投入的方式实现脱氮除磷^[1], 这种“以能耗能”和忽略物质循环的处理方式与未来污水处理可持续发展理念相矛盾.因此, 开发低能耗、高效率和低成本的污水处理新技术成为新时期的迫切需求.

如今, 在可持续发展的大背景下, 国际上对污水概念的认识已经发生本质性的革新, 一致认为污水不再是废物而是一种资源和能源的载体^{[1, 2]}.因此, 新概念引领下的未来污水处理模式必将发生方向性变革, 应实现从污水中去除污染物的灰色处理模式向从污水中回收资源的绿色再生模式转变. 20世纪50年代, Oswald等^[3]提出了微藻污水处理的概念, 开启了污水资源化和能源化处理的新模式.微藻作为自然界中一种分布广、种类多且数量大的古老低等植物, 可在光合作用的同时吸收营养元素合成生物质.其中, 油脂可提炼生物柴油, 碳水化合物可厌氧产能, 蛋白质可制作动物饲料, 还可从藻粉中提取一些具有高附加值的产品(如：EPA和DHA)^[4~6].污水处理耦合微藻培养是实现污水处理从“处理工艺”向“生产工艺”转换的关键“桥梁”, 可为缓解当前全球资源短缺和能源匮乏的严峻形势提供新途径.

与传统污水处理工艺相比, 微藻具有营养盐去除效率高、运行能耗低、同步固碳等诸多优点^[7].王秀锦等^[8]利用污水异养培养蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa-15, 发现该藻对COD去除率达到80.9%, TN去除率达到69%, 且具有较好的产油效率.然而, 从最初的藻类塘到后来的跑道池再到如今的光生物反应器, 微藻分离与采收困难的问题一直限制着该技术的推广应用^[9].随着细胞固定化技术的发展, 微藻固定化技术随之诞生, 为微藻污水处理技术开辟了新方向.微藻固定化不仅能有效防止藻细胞流失, 维持系统稳定性, 还可增强细胞耐受性, 解决藻水分离困难的问题^{[10, 11]}.目前, 固定化载体材料多为聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA), 它们具有机械强度大、传质性能好和耐生物分解等特性, 其中, SA因具有较好的渗透性、无毒性及高透明性, 已成为应用最广泛的固定化材料^[12]. Liu等^[13]采用SA固定Chlorella sorokiniana GXNN 01去除污水中的N和P, 发现在自养和异养培养条件下, 固定藻对营养盐的去除能力显著高于自由藻, 尤其对P的去除能力更为突出.然而, 何种固定化参数条件才能制备性能优良的藻球, 及功能发挥的环境条件与潜力, 则是该技术工程应用前的关键科学问题.

本研究立足于固定化技术, 以微藻固定化参数条件优化为出发点, 以制备性能优良的固定化藻球为目标, 分析藻球污水NH₄⁺-N高效去除的关键影响因子, 探索其在不同培养模式下污水NH₄⁺-N的去除潜力, 以期为污水绿色可持续处理技术研发及其推广应用奠定理论基础.

本实验藻种为斜生栅藻(Scenedesmus obliquus, FACHB-12), 购自于中国科学院水生生物研究所淡水藻种库.斜生栅藻属于绿藻门, 适应污水培养且对氨氮具有较高的去除能力, 是生产生物柴油的优势藻种^[14].实验前应先将藻种在无菌条件下接种到含BG11培养基的锥形瓶中, 置于光照培养箱(宁波赛福, ZDX-350)中进行扩大培养, 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86.4 μmol·(m²·s)^-1, 光暗比12 h:12 h, 每天应变换锥形瓶的位置以保证光照均匀, 并定时轻轻摇动锥形瓶3次.实验中使用的所有玻璃器皿及培养基都应经过121℃、20 min高压灭菌(Auto Clave SN 310C, 日本).

本实验污水采用人工配水, 1 L污水的具体配方如下：NaAc 385 mg(300 mg COD); NH₄Cl 115 mg (30 mg NH₄⁺-N); KH₂PO₄ 13 mg; FeSO₄·7H₂O 0.55 mg; CaCl₂ 6 mg; MgSO₄·7H₂O 66 mg; A5 1 mL[CuSO₄·5H₂O 0.08 g·L^-1, MnCl₂·4H₂O 1.86 g·L^-1, ZnSO₄·7H₂O 0.22 g·L^-1, Na₂MoO₄·2H₂O 0.39 g·L^-1, Co(NO₃)₂·6H₂O 0.05 g·L^-1, H₃BO₃ 2.86 g·L^-1].配置好的污水用1 mol·L^-1的NaOH或1 mol·L^-1的HCl调节初始pH至7.0左右, 随后置于高压灭菌锅中灭菌后冷却使用.

本实验微藻固定化方法为包埋固定法, 固定化操作全程应在无菌环境下完成.首先, 将处于对数生长期的藻液于高速冷冻离心机(himac CR22N, 日本)上4℃、3 500 r·min^-1下离心10 min, 弃去上清液, 用15 mg·L^-1的NaHCO₃溶液冲洗藻体并离心两次, 以去除藻细胞表面吸附的营养盐, 然后用无菌水冲洗、离心两次, 再将其转移至无N培养基中培养3 d以耗尽藻细胞内的营养盐, 最后离心获取藻细胞, 用无菌水冲洗3次后并用无菌水悬浮, 通过测定光密度(D)明确藻密度后用于固定化处理.

取一定体积的藻细胞浓缩液与预先灭菌的SA溶液(固定剂, 5%即5 g SA溶解于100 mL水中)1:1(体积比)混合并搅拌均匀形成混合液, 将其注入60 mL的注射器中, 在距离预冷的CaCl₂溶液(交联剂, 2%即2 g CaCl₂溶解于100 mL水中)液面20 cm处, 滴入混合液即形成直径4 mm的藻球, 于4℃冰箱中静置固定一定时间后, 用无菌水反复冲洗多次后冰箱保存备用.制备好的固定化藻球如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 固定化藻球示意 Fig. 1 Schematic diagram of the immobilized microalgae beads

首先, 制备不同包埋密度的固定化藻球, 分别置于盛有140 mL污水(COD：300 mg·L^-1、NH₄⁺-N：50 mg·L^-1)的250 mL锥形瓶中, 每个锥形瓶中投放400粒藻球, 确保每个锥形瓶中最终藻生物量分别为1×10⁴、1×10⁵、1×10⁶和1×10⁷ cells·mL^-1, 混合培养5 d, 并每天取样测定污水中NH₄⁺-N浓度, 每组实验重复3次, 确定最佳包埋藻密度.其次, 将最佳包埋藻密度下制备的藻球应用于污水COD浓度分别为100、200和300 mg·L^-1, NH₄⁺-N浓度为50 mg·L^-1的污水中, 同等条件下培养5 d, 确定微藻NH₄⁺-N去除的适宜COD浓度.最后, 根据上述条件, 分别将自由藻和固定藻分别置于NH₄⁺-N浓度分别为30、50和70 mg·L^-1的污水中进行混合培养, 且确保不同系统内起始藻密度一致, 分析固定藻对NH₄⁺-N去除潜力, 并与自由藻进行对比, 明确固定藻NH₄⁺-N去除的优势浓度; 同时, 测定各锥形瓶中微藻生长情况与pH变化, 每组实验平行3次; 此外, 同等条件下将所有处理组用锡箔纸包裹黑暗处理, 进行异养培养, 并与混合培养模式对比, 分析不同生长模式下NH₄⁺-N去除潜力差异.

取混合均匀的藻液1 mL, 稀释10倍后, 用滴管取适量藻液沿血球计数板(25×16)平台两侧的凹槽下边缘注入一小滴, 让藻液充满整个计数区, 勿产生气泡, 吸去流出的多余悬液.静置片刻, 使细胞沉降到计数板上, 在显微镜(OLYMPUS CX41RF, 日本)下计数3次, 若3次计数误差在10%以内, 则以3次平均值计为藻细胞密度(cells·mL^-1), 否则重复计数直至符合误差要求.

取一定体积的微藻浓缩液于玻璃比色皿中, 利用紫外可见分光光度计(哈希, DR 6000)进行全波长扫描, 确定最佳吸收峰, 并将最佳吸收峰对应的波长(nm)作为实验测定波长.然后, 将已知藻密度的微藻浓缩液按照10倍梯度逐级稀释7个样品(每个样品的藻密度可计算获取), 在选定的波长下测定D值, 以D值为横坐标, 藻密度为纵坐标绘制标准计数曲线.

污水COD使用COD测定仪(哈希DR1010)进行测定, 污水NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)进行测定; 藻球的机械强度测定是将凝胶载体放置于天平上, 用盖玻片按压小球, 同时观察其形状变化和天平读数, 当其不能恢复原来形状时, 记为藻球的最大承受力, 分别测定3次, 用平均机械强度作为藻球的机械强度(g)^[15]; 藻球的传质能力测定是取一定数量藻球置于烧杯中, 向其中加入一定体积及浓度的亚甲基蓝溶液, 在不同时间段取溶液于406 nm下, 蒸馏水调零, 10 mm比色皿测定吸光度, 根据测得的吸光度大小计算浓度, 间接计算藻球的传质速率(mg·h^-1)^[12]; 藻球的生长速率测定是取不同培养时间下的藻球, 将其放入加有10 mL、1.5%的柠檬酸钠溶液的离心管中, 解固2 h后摇动, 测定D值, 根据标准计数曲线计算其藻密度, 进而计算其生长速率(d^-1).

响应面法(RSM)是利用合理的实验设计方法并通过实验得到一定数据, 采用多元二次回归方程来拟合变量与响应值之间的函数关系, 通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数, 是解决多变量问题的一种统计方法^[16].本实验采用Design-Expert(V.8.0.6)软件, 以Box-Behnken Design(BBD)方法设计了3因素3水平实验, 在因素水平相同的情况下, Box-Behnken方法常用于因素的非线性影响进行设计, 具体见表 1.考察了固定剂浓度、交联剂浓度和交联时间对藻球的机械强度、传质速率和生长速率的影响.应用RSM法获得二次回归模型, 并得到响应值的拟合方程.

表 1 (Table 1)

表 1 响应曲面分析因素及水平 Table 1 Response surface analysis of factors and levels 因素 编码 各水平取值 -1 0 +1 固定剂浓度/% A 3 5 7 交联剂浓度/% B 1 2 3 交联时间/h C 8 16 24

表 1 响应曲面分析因素及水平 Table 1 Response surface analysis of factors and levels

按照BBD设计了17组藻球性能测试实验, 通过RSM建立回归模型, 并对回归方程进行方差分析及显著性检验.结果显示, 机械强度、传质速率和生长速率回归模型的F值分别为14.47、13.97和21.24, P-value(Prob>F)分别为0.001 0、0.001 1和0.000 3, 均小于0.01, 表明BBD优化法可靠, 变量对响应值的影响极为显著, 模型具有统计学意义.其次, 3个模型的拟合系数(R²)分别为0.949 0、0.947 3和0.964 7, 进一步说明模型预测值与实测值拟合度高; 校正决定系数(Adj R²)分别为0.883 4、0.879 4和0.919 2, 均可解释数据变异性的85%以上; 精密度(Adeq Precisior)均大于4.0, 回归模型可准确用于结果分析.

为了综合考虑固定剂浓度、交联剂浓度和交联时间3个因素及其交互作用对固定化藻球机械强度、传质速率和生长速率的影响, 采用Design-Expert(V.8.0.6)软件辅助分析, 3D响应曲面图和等高线如图 2~4所示.在等高线图中, 曲线离中心越近, 对应的响应值越大; 等高线形状若呈圆形, 表明两个自变量间的交互效应较弱, 等高线形状若呈椭圆形, 表明两个自变量间存在显著的交互作用. 图 2展示了固定剂浓度和交联剂浓度对藻球性能的交互作用, 其中图 2(b)显示随着固定剂浓度的增加, 藻球的机械强度显著增大, 但传质速率和生长速率均显著变小; 随着交联剂浓度的增加, 藻球机械强度显著增大, 传质速率反之, 但对生长速率的影响不明显.方差分析表明, 单因子固定剂浓度对机械强度、传质速率和生长速率的影响都达到了极显著水平(P < 0.01), 其与交联剂浓度的交互作用存在但并不显著, 显著性水平分别为0.628 7、0.648 0和0.278 7, 均大于0.05.

图 2

Fig. 2

(a)3D响应曲面与(b)等高线 图 2 固定剂浓度和交联剂浓度对固定化微藻颗粒机械强度、传质速率和生长速率交互影响的3D响应曲面与等高线 Fig. 2 Interaction effects of the fixing agent concentration and the cross-linking agent concentration on the mechanical strength, the mass transfer rate, and the growth rate of immobilized microalgae beads identified using 3D response surface plots and contour maps

图 3

Fig. 3

(a)3D响应曲面与(b)等高线 图 3 固定剂浓度和交联时间对固定化微藻颗粒机械强度、传质速率和生长速率交互影响的3D响应曲面与等高线 Fig. 3 Interaction effects of the fixing agent concentration and the cross-linking time on the mechanical strength, the mass transfer rate, and the growth rate of immobilized microalgae beads identified using 3D response surface plots and contour maps

图 4

Fig. 4

(a)3D响应曲面与(b)等高线 图 4 交联剂浓度和交联时间对固定化微藻颗粒机械强度、传质速率和生长速率交互影响的3D响应曲面与等高线 Fig. 4 Interaction effects of the cross-linking agent concentration and the cross-linking time on the mechanical strength, the mass transfer rate, and the growth rate of immobilized microalgae beads identified using 3D response surface plots and contour maps

图 3展示了固定剂浓度和交联时间对藻球性能的交互作用, 其中图 3(b)显示随着固定剂浓度的增加, 藻球的传质速率和生长速率均显著变小; 随着交联时间的增加, 藻球的传质速率和生长速率仍随之变小, 但对机械强度的影响不明显.方差分析表明, 单因子交联时间对机械强度、传质速率和生长速率的影响均未达到显著水平(P>0.05), 其与固定剂浓度的交互作用存在, 尤其对生长速率的交互作用达到显著水平, 显著性水平为0.024 6, 但对机械强度和传质速率交互作用并不显著, 显著性水平分别为0.082 9和0.127 5, 均大于0.05.

图 4展示了交联剂浓度和交联时间对藻球性能的交互作用, 其中图 4(b)显示随着交联剂浓度的增加, 藻球的机械强度显著增大, 但对传质速率和生长速率的影响均呈现先大后小的变化趋势; 随着交联时间的增加, 藻球的生长速率逐渐减小, 但对机械强度和生长速率的影响不明显.方差分析表明, 单因子交联剂浓度对机械强度、传质速率和生长速率的影响均达到极显著水平(P < 0.01), 其与交联时间的交互作用存在但并不显著, 显著性水平分别为0.405 7、0.463 7和0.236 8, 均大于0.05.

从图 2~4可以看出, 微藻固定化颗粒制备的性能影响中, 对机械强度影响的显著程度为：固定剂浓度>交联剂浓度>交联时间; 对传质速率影响的显著程度为：交联剂浓度>固定剂浓度>交联时间; 对生长速率影响的显著程度为：固定剂浓度>交联剂浓度>交联时间.此时, BBD模型分析得出的最优条件为固定剂浓度5.08%、交联剂浓度1.88%和交联时间14.48 h, 预测值机械强度为29.50, 传质速率为0.013, 生长速率为0.190.为了回归分析预测的参数在实际操作中易于操作, 对优化参数进行取整处理, 最终固定化最优参数条件为固定剂浓度5%、交联剂浓度2%和交联时间16 h.

从图 5(a)中可以看出, 当污水初始NH₄⁺-N浓度为50 mg·L^-1时, 固定化藻球对NH₄⁺-N的去除能力与包埋生物密度呈正相关关系, 但当系统藻密度为1×10⁷ cells·mL^-1时, 初期表现较高的NH₄⁺-N去除率, 培养2 d后的去除率为78.79%, 随后去除率呈现微弱的降低; 而当系统藻密度为1×10⁶ cells·mL^-1时, 培养5 d后, 呈现最优的NH₄⁺-N去除效率, 高达96.57%;对于系统藻密度为1×10⁴和1×10⁵ cells·mL^-1, NH₄⁺-N去除率无明显差异, 最终去除率为40%左右; 由此可以看出, 固定藻的最佳系统藻密度为1×10⁶ cells·mL^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 不同包埋密度和不同COD浓度条件下固定化微藻混合培养对NH4+-N去除潜力的差异 Fig. 5 Difference in the ammonia nitrogen removal potential of the immobilized microalgae in mixotrophic cultivation with different embedded biomass conditions and different organic matter concentrations

从图 5(b)中可以看出, 污水初始COD浓度对固定化微藻氨氮去除率存在显著影响.当COD为100 mg·L^-1时, NH₄⁺-N平均去除率在培养第3 d为33.92%, 随后降低至23.30%;当COD为200 mg·L^-1时, NH₄⁺-N去除率逐步提高, 培养至第5 d, NH₄⁺-N平均去除率为48.20%;当COD为300 mg·L^-1时, 藻球呈现处最理想的NH₄⁺-N去除能力, 在培养第5 d后, NH₄⁺-N平均去除率高达96.57%.由此看来, COD浓度也是微藻污水异养NH₄⁺-N的关键因子.

经过5 d的污水微藻培养处理, 自由生长与固定化模式在不同生长条件下对氨氮的去除能力如图 6所示.整体看来, 微藻混合培养条件下的NH₄⁺-N去除潜力要显著优于异养条件, 其次, 固定化微藻对NH₄⁺-N的去除能力整体也强于自由藻.混合培养条件下[图 6(a)], 在NH₄⁺-N初始浓度为30 mg·L^-1的条件下, 自由藻在培养第2 d后对NH₄⁺-N的去除率则显著高于固定化微藻, 去除率为(63.7±2.6)%, 到第3 d后, 自由藻对NH₄⁺-N的去除率高达(97.8±0.6)%, 且随后维持稳定的去除率; 在初始浓度分别为50和70 mg·L^-1的条件, 固定化微藻对NH₄⁺-N的去除能力均显著高于自由藻, 5 d后的去除率分别为(96.6±0.1)%和(65.2±4.5)%.异养培养条件下[图 6(b)], 无论是自由藻还是固定藻对NH₄⁺-N的去除率均随其浓度增加而降低, 其中固定藻在3种浓度梯度下的NH₄⁺-N的去除率分别为(49.0±3.1)%、(34.9±1.6)%和(29.4±1.3)%.

图 6

Fig. 6

图 6 混合和异养培养模式下自由藻和固定藻对不同浓度NH4+-N去除潜力的对比分析 Fig. 6 Comparison analysis of the removal potential of free-living and immobilized microalgae at different concentrations of ammonia nitrogen in mixotrophic and heterotrophic cultivation

自由藻与固定藻污水处理系统在不同培养模式下藻密度和pH的变化如图 7所示.整体看来, 微藻混合培养更适合微藻生物量的富集, 其次, 微藻固定化处理后藻生物量富集效应低于自由藻.混合培养条件下[图 7(a)], 自由藻和固定藻生物密度随污水NH₄⁺-N浓度变大而呈现降低的趋势, 当NH₄⁺-N初始浓度为30 mg·L^-1时, 5d培养后, 自由藻和固定藻生物密度分别为(126.0±8.4)cells·mL^-1和(90.8±4.8)cells·mL^-1, 而当NH₄⁺-N初始浓度为70 mg·L^-1时, 自由藻生长则呈现抑制效应; 培养期间pH的变化趋势可以看出, NH₄⁺-N初始浓度为50 mg·L^-1时, 光合作用最为活跃.异养培养条件下[图 7(b)], 藻密度随NH₄⁺-N浓度变化趋势并不明显, 尤其固定藻生物密度随培养时间延长变化平缓, 在70 mg·L^-1条件下, 最后还呈现生长抑制现象.

图 7

Fig. 7

图 7 混合和异养培养模式下自由藻和固定藻处理系统内藻密度和pH变化 Fig. 7 Changes in the cell density and pH of free-living and immobilized microalgae under mixotrophic and heterotrophic cultivation

微藻培养耦合污水处理, 实现了污水净化和生物质回收双重效应, 改变了污水处理的传统理念, 是污水可持续与资源化处理的典范.微藻固定化处理是解决藻水分离困难的最佳手段, 然而, 固定化藻球的性能发挥与其制备条件和赋存环境密切相关.本研究主要从固定剂浓度、交联剂浓度和交联时间这3个因子出发, 既要保证制备的藻球具有一定机械强度和传质性能, 同时也不能影响微藻包埋体中的生长速率.实验结果表明, 3个因子存在交互作用, 共同决定着藻球的性能.其中, 固定剂浓度是影响藻球机械强度和生长速率最关键的因子, 固定剂浓度越大, 机械强度越大, 而生长速率越低.主要原因是随着SA浓度的增大, 它与CaCl₂溶液形成的凝胶网格就越紧密, 机械强度就会随之增大, 但也会缩小物质传输通道, 阻碍包埋藻细胞对营养物质的吸收和代谢物的排放, 随着时间的延续, 营养物质不断耗尽和代谢产物不断增加, 导致藻细胞生长速率逐渐降低.韩丽君等^[17]研究分析了SA与不同浓度Ca²⁺的结合情况, 结果发现SA与Ca²⁺的结合速度与SA浓度无明显相关性, 但SA浓度与海藻酸钙凝胶的强度存在正相关关系.该结论与本研究一致, 但本研究也发现SA浓度过高, 造粒时容易形成拖尾现象, 成球效果差, 且固化耗时长, 这可能是由于随着SA浓度增大, 藻球机械强度增大, 可塑性变差引起.然而, 对于藻球传质性能影响最大的因子则是交联剂浓度, 据报道, 当CaCl₂溶液浓度较低时, Ca²⁺与Na⁺的交换速度缓慢致使凝胶凝固能力弱且皮层薄, 传质能力相对较高; 但随着CaCl₂溶液的增加, 交联程度则会随之增大, 凝胶表面会迅速形成致密的交联结构, 因而藻球的传质能力也会随之降低^[18].虽然, 交联时间不是影响最显著的因子, 但其长短仍会对藻球性能产生影响.交联时间越长, 固定化凝胶的强度越高, 内部结构越紧密, 不仅不利于传质, 也会使包埋细胞活性降低.蒋宇红等^[19]研究了不同交联时间下SA包埋微生物细胞后的性能, 指出18 h为最适宜时间, 该研究与本实验结果相近.

海藻胶是具有多孔性结构的螯合物, 为包埋细胞提供了良好的生存环境, 保证了细胞的安全^[20].而初始包埋藻密度是固定化系统的一个关键因子, 本研究中发现当固定藻处理系统中藻密度达到1×10⁷ cells·mL^-1时, 藻球仅在培养初期表现一定的NH₄⁺-N去除效果, 随后则出现下降趋势, 表明藻球的NH₄⁺-N回收性能与包埋藻密度并不呈线性关系.引起这种变化的主要原因是在有限的空间中随着藻细胞密度的增加, 藻球中空隙被最大限度填充, 传质阻力增加, O₂扩散速率降低, 微环境中CO₂/O₂比率失衡, 降低了藻细胞的活力^[21]; 其次, 随着藻类趋光生长的特性, 越来越多的藻细胞集中于藻球表面, 细胞堆叠形成相互遮掩, 导致透光性降低, 光合作用减弱, 进而影响藻球对NH₄⁺-N的去除效率^[22]; 再者, 藻细胞极大地占据藻球有限的空间, 会使N素进入藻球的路线变长, 这将会降低藻球性能, 同时也会随着细胞增殖削弱聚合键力使其丧失结合藻细胞的能力, 从而导致细胞泄漏.因此, 选择合适的包埋藻密度是藻球性能发挥的关键因素.

微藻混合培养是一个较为复杂的生化过程, 涉及光能的吸收转化以及有机物的同化利用等.而微藻能否利用胞外光有机碳取决于其是否具备完善的有机物代谢机制.本研究结果显示, 斜生栅藻是具备利用有机物的机制, 且在一定范围内随着有机物浓度的增加, 微藻生长速度提高, 与米-门氏方程的描述相符.也有研究报道^[23], C/N是决定微藻油脂富集的关键因子, 认为C/N较低, N源含量过高时不利于油脂的积累, 间接表明有机碳源浓度是限制藻生物量的影响因子.因此, 选择合适的COD浓度也是实现微藻NH₄⁺-N去除的关键.

微藻对无机N的消耗主要是光合作用电子传递引起, 固定化藻球对NH₄⁺-N的去除主要依靠藻球的吸附和藻细胞的同化作用^[24].本实验结果显示, 固定化藻球的颜色由投入初期的浅绿色变为深绿色, 表明微藻吸收N元素完成细胞增殖, 并合成细胞内蛋白质、核酸和叶绿素等活性物质.本实验结果表明, 固定藻对NH₄⁺-N的去除潜力整体要高于自由藻, 但在低浓度下, 自由藻的优势则更为明显.主要原因是固定藻的传质效率要低于自由藻, 但随着NH₄⁺-N浓度的增加, 自由藻生长受到抑制, 而固定藻由于受到凝胶的保护作用, 其耐受浓度增大; 其次, 由于固定化技术可以使藻细胞浓缩于胶球内, 从而大大提高了单位体积内藻细胞的密度, 这可能也是固定藻性能优于自由藻的重要原因.谷氨酸胺合成酶途径是微藻同化NH₄⁺-N的重要途径^[25], 而过量吸收NH₄⁺-N会抑制叶绿体光合作用从而对微藻生长产生不利影响.当自由藻在70 mg·L^-1 NH₄⁺-N下培养就呈现生长抑制现象, 而固定藻由于受到固定化载体的保护, 其生长速率略低于自由藻, 混合培养下并未出现生长抑制现象, 且生长周期大大延长.而对比异养条件下微藻生长情况可以发现, 光照是影响其生长和NH₄⁺-N回收的重要因素, 已有研究表明光照不仅能影响光合固碳速率, 也能影响藻细胞的呼吸强度和能荷水平, 藻细胞生长缓慢, 对营养盐需求降低^[26].而体系中pH变化不仅是光合作用强弱的反映, 也是影响微藻NH₄⁺-N回收的关键环境因子, pH过高或过低都将会抑制微藻的生长.其影响机制主要是通过影响微藻细胞内外的酸碱环境、离子平衡和膜结构渗透性, 进而影响传质和代谢过程^[27].此外, pH过高也会使NH₄⁺-N挥发, 导致微藻不能高效吸收而导致生物量增长缓慢, 影响生物质富集.然而, 藻球使用寿命以及工程化应用依旧是下一步工作的重点.

(1) 藻球性能与固定剂浓度、交联剂浓度和交联时间密切相关.通过RSM法耦合BBD设计, 固定剂浓度对藻球性能的影响最大, 且当固定剂浓度、交联剂浓度和交联时间分别为5%、2%和16 h时, 藻球性能最优, 兼备良好的机械强度、传质速率和生长速率.

(2) 藻球中包埋藻密度及其环境COD浓度也是其发挥高效NH₄⁺-N去除能力的关键因子.高包埋密度虽能在短时间内呈现较大的NH₄⁺-N去除能力, 但寿命较短且易造成藻球破裂; 而COD浓度与微藻混合培养条件下NH₄⁺-N去除能力正相关.本研究指出包埋密度为1×10⁶ cells·mL^-1, COD为300 mg·L^-1时, 藻球NH₄⁺-N去除能力最强, 5 d后NH₄⁺-N几乎可完全去除.

(3) 固定藻对高浓度NH₄⁺-N的去除潜力显著优于自由藻, 且混合培养条件下的去除潜力要强于异养培养.当污水NH₄⁺-N初始浓度约为50和70 mg·L^-1时, 固定化微藻混合培养5 d后NH₄⁺-N去除率分别为(96.6±0.1)%和(65.2±4.5)%, 而异养条件下仅为(34.9±1.6)%和(29.4±1.3)%; 当污水NH₄⁺-N初始浓度约为30 mg·L^-1时, 自由藻混合培养第3 d后对NH₄⁺-N的去除率高达(97.8±0.6)%, 并维持稳定潜力.