温度与 CO2浓度对小球藻处理城市三级污水生物脱氮除磷的影响及优化策略

为解决城市污水治理难题，研究人员开展 “温度和 CO2浓度对小球藻（Chlorella protothecoides）处理城市三级污水生物脱氮除磷影响” 的研究。结果表明，25°C - 30°C、6% CO2时小球藻脱氮除磷及生长最佳，为污水治理提供依据。

　　随着工业化和人口的不断扩张，大量的废水产生并对地下水和流动淡水造成了严重污染。城市污水中含有有机物质、胶体、无机营养物质（如氮和磷）以及危险污染物等，常规的初级和二级处理后排放的三级废水，仍需进一步处理以去除硝酸盐和磷酸盐等污染物，防止水体污染并实现水资源的再利用。生物营养物去除（Biological nutrient removal，BNR）技术因其节能和成本效益高而备受关注，微藻在其中展现出巨大潜力，不仅能去除污水中的营养物质，还能捕获 CO₂并转化为有价值的产品。然而，微藻生长受多种环境因素影响，其中温度和 CO₂浓度对其生长、代谢和营养吸收起着关键作用。但目前关于微藻在不同温度和 CO₂浓度下处理废水，尤其是脱氮方面的研究较少，且对Chlorella protothecoides在城市污水二级出水中受温度影响的研究也十分匮乏。因此，开展相关研究对优化微藻培养条件、提高污水处理效率具有重要意义。

在此背景下，研究人员开展了关于温度和 CO₂浓度对Chlorella protothecoides处理城市三级污水生物脱氮除磷影响的研究。该研究成果发表在《Biotechnology Notes》上，为微藻在污水处理中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。

在研究方法上，研究人员选用从美国德克萨斯大学奥斯汀分校获取的Chlorella protothecoides（UTEX 250）进行实验。通过配制模拟城市三级污水的合成废水培养基，对小球藻进行培养。在实验过程中，设置不同的温度（25°C、30°C、40°C、45°C）和 CO₂浓度（0%、2%、4%、6%、8%、10%）条件，使用光生物反应器进行培养，并定期测定相关指标。采用过滤、烘干称重等方法测定生物质浓度、计算特定生长率和生物质生产力；利用分光光度计和数字反应器检测总氮（TN）和总磷（TP）浓度，计算氮磷去除率；运用 Monod 和 Arrhenius 动力学模型，分析温度、营养物质可用性对微藻生长和营养去除的影响。

研究结果如下：

• 温度对小球藻的影响：
  • 生物质生长：25°C 时Chlorella protothecoides生长良好，生物质浓度持续上升；40°C 时生长显著下降，45°C 时细胞甚至失去颜色死亡，表明该藻对高温敏感。
  • 数学模型验证：Arrhenius 模型与实验数据高度吻合，能准确预测不同温度下小球藻的生长情况，确定了生长和细胞死亡的活化能分别为 5.4 kJ mol^?1和 88.4 kJ mol^?1。Monod 模型在 30°C 时对特定生长率的预测与实验数据吻合良好，但在 25°C 时偏差较大。综合两个模型建立的新模型，能较好地描述微藻生长与温度、底物浓度的关系。
  • 生物营养物去除：25 - 30°C 时，TN 去除效果显著，8 天内可完全去除；TP 去除率最高可达 85%，但无法完全去除。温度高于 30°C 时，生长和营养物去除能力均下降。
  
  
• CO₂浓度对小球藻的影响：随着 CO₂浓度增加，生物质浓度和生产力先升后降，6% CO₂时达到最佳，此时 TN 和 TP 去除率也较高。高于 6% 时，微藻生长和营养物去除效率降低。
• 温度和 CO₂浓度的综合影响：通过轮廓图分析发现，4 - 8% CO₂浓度和 25 - 35°C 的条件下，TN 和 TP 去除率较高，分别接近 100% 和 90%。
• 比较研究：与其他用于氮磷去除的微藻物种相比，Chlorella protothecoides的 TN、TP 去除率和最大生物质产量受多种因素影响，在本研究条件下有不同表现。同时，基于小球藻的化学组成，其氮去除率高于磷去除率。

研究结论表明，温度和 CO₂浓度对Chlorella protothecoides的生长、生物质生产和营养去除效率有显著影响。25°C 为最佳生长温度，6% CO₂时生物质生产力和营养去除效果最好。Monod 模型和 Arrhenius 模型可有效描述和预测微藻生长。该研究为优化基于微藻的生物技术在污水处理、生物柴油生产和环境可持续性方面的应用提供了有价值的指导，有助于提高微藻处理污水过程的效率和可扩展性。未来研究可进一步探索光强度和接种量对微藻生长和营养去除效率的影响，推动微藻技术在大规模废水管理和生物产品开发中的应用。