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将小球藻包埋于海藻酸钠胶球中用于去除市政污水中的氮磷和COD。实验研究了不同密度的藻细胞对污水中氮磷和COD去除效率的影响。1000万个藻细胞/胶球有较高的处理污水中的氨氮和磷的能力，9小时内去除效率分别为91.39%和94.74%。利用此密度的藻细胞处理市政污水，对COD、氨氮和磷在9小时内的处理效果分别是78.60%、72.53%和71.49%。选定最优外加碳源，对800万个藻细胞/胶球和1000万个藻细胞/胶球进行小球藻对污水处理可循环利用性研究，进行三周期的污水处理，第二周期处理效果明显，磷和COD为第二周期1000万个藻细胞/胶球去除效果最好，去除率分别为96%和87.4%。氨氮为第二周期800万个藻细胞/胶球去除效果较佳，去除率为95.58%。在污水处理后，栅藻胶珠细胞密度均有所增加，说明藻细胞在污水处理过程中保持了良好的活力。结果表明利用固定化藻类进行污水的深度净化处理是可行的。
1 项目背景
通过资料了解到，污水处理二级出水中或不达标排放的污（废）水仍含有一定量的氮、磷等植物营养物质，会造成受纳水体的富营养化。所以从废水中去除氮磷元素，减少和避免富营养化具有重要的现实意义。
藻类和其他高等植物一样，能利用CO2和H2O借助叶绿素吸收光能合成糖类释放氧气：
Oswald提出藻细胞脱氮除磷概念，从此利用藻细胞培养技术处理污水得到了快速发展。氮是藻类生物量的重要元素，一般约占藻细胞干重的10%，藻类可利用的氮源包括无机氮和有机氮，而藻类利用不同形态氮的顺序为：氨氮>硝酸盐氮>简单有机氮（如尿素等）。无机氮同化作用包括三个步骤：首先，由一种特定的通透酶介导并吸收硝酸盐、亚硝酸盐和氨；其次，依赖ATP将硝酸盐还原为铵；最后，将铵并入碳骨架。磷主要用于能量传递和核酸合成细胞过程中，主要以无机H2PO-4、HPO42-的形式被吸收。细胞内的磷被用作合成有机或无机物质。藻类用底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化3种不同的过程将其转化为高能有机化合物：
前两个过程的能量来自呼吸底物的氧化或线粒体的电子转运系统；第3个系统中光能被转化结合进ATP。自20世纪70年代以来，国内外就有利用沼气池出水，城市污水，缫丝、酿造、制糖废水及畜禽污水等养殖螺旋藻等微藻生产单细胞蛋白饲料，并使污水得以净化的研究报道。近年来，化石燃料短缺，微藻类作为原料制成生物燃料更有前景。研究表明，响藻类脱氮除磷的因素有很多，但主要可分为藻种本身的内在因素和对藻类生长起作用的环境和营养及固定化条件等的外在因素。藻类也能将水体中有机化合物作为碳源、氮源吸收，能降解如农药、偶氮染料、碳氢化合物、多环芳烃、金属有机物等多种化合物。利用藻细胞固定化技术处理污水是近二十多年新发展起来的一种污水生物处理技术，具有节约处理费用、可操作性强，对废水中氮、磷、重金属、有机物等去除效果好的特点。近年来，褐藻胶包埋技术是使用最广泛的包埋固定化技术。主要应用于生物反应器中活细胞的固定，植物原生质体包埋应用于微繁殖，杂种瘤细胞固定化应用于生产克隆抗体，污水处理等。
2 研究的目的与意义
本文首次利用固定化小球藻体系，在自制的气升式光生物处理反应器中实现对市政污水的深度净化。利用固定化技术解决收获问题，获得藻菌生物量（藻菌蛋白）。实验研究小球藻在气升式反应器中净化污水能力。研究了细胞密度、循环使用后固定化小球藻体系脱氮、除磷及COD去除的影响。该体系既达到了脱氮、除磷、去除COD，又有利于回收藻体，作为动物饲料和生物柴油制备的原料。从生态角度具有突出的现实意义，为污水的深度处理提供一种处理技术和参考。
3 实验过程
3.1 实验材料
3.1.1 藻种
小球藻（Chlorella sp.）由辽宁师范大学藻类生理学实验室提供。
3.1.2 试剂
海藻酸钠，氯化钙，氯化铵，抗坏血酸，钼酸铵，酒石酸锑氧钾，蛋白胨，重铬酸钾（优级纯）等，其余均为分析纯。
3.1.3 主要仪器
电子天平，北京赛多利斯天平有限公司；超净工作台，无锡一净净化设备有限公司；高压灭菌锅，广州泰思科学仪器有限公司；722分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；高速离心机，广州飞迪生物科技有限公司。
3.2 实验方法
3.2.1 小球藻培养
将小球藻无菌接种于含150mL Dauta培养基的250mL锥形瓶中，在温度（24±2）℃，光强2200-2700lx（冷荧光），光周期12：12（光：暗）下培養，每天用血球计数板计数，取静止初期藻细胞进行实验。
3.2.2 固定化
固定化藻：藻细胞3500rp/min 15min离心收获，用无氮、磷Dauta培养基再悬浮，与灭菌的5%海藻酸钠溶液等体积混合，注射器用8号针头滴入预冷0.1mol/L CaCl2溶液，放置0.5h，即得固定化胶球。无氮、磷培养基反复洗涤，放培养基中恢复一夜，用于去污实验。
3.2.3 污水的配制
以无N、P的Dauta培养基为本底，加NH4Cl、K2HPO4以及葡萄糖使NH4+-N浓度为15.5mg/L，PO43——P浓度为1.5mg/L。N/P比实验时污水配方如下：
4 结果与讨论
4.1 外加碳源对小球藻生长的影响
由图1-3，前3天三种外加碳源对小球藻生长速度的影响基本一致，比较平缓，对于葡萄糖来说，第8天小球藻生长达到静止期，其中0.25g/L葡萄糖的小球藻生长速率最大；对于乙酸钠来说，整体增长速度较缓，第8天藻细胞生长达到稳定期，不同浓度乙酸钠藻细胞数相差较大，5天后藻细胞生长低于对照；碳酸钠作为外加碳源藻细胞生长速度较快，第7天达到静止期，随后藻细胞减少。实验时选葡萄糖作为小球藻培养基的外加碳源，葡萄糖浓度为0.25g/L。 4.2 细胞密度对氮、磷去除影响
从图4可以清楚的看到600万个藻细胞/胶球、800万个藻细胞/胶球、1000万个藻细胞/胶球和1200万个藻细胞/胶球在9小时对氨氮去除效率分别为85.95%、86.80%、91.39%和71.13%，对磷的去除效率分别为89.74%、92.30%、94.74%和81.41%。说明固定化藻细胞对污水的净化效率高效。在去除氨氮方面当藻细胞密度分别600万个藻细胞/胶球、800万个藻细胞/胶球、1000万个藻细胞/胶球时，藻细胞密度越大的，净化效率越高，当藻细胞密度增大到1200万个藻细胞/胶球时，效率开始降低。说明在净化氨氮方面，净化效率开始是随着藻细胞密度增大而增大，但当藻细胞增大到某一值，净化效率开始下降。在除磷方面前三者之间净化效率相近，特别是800万个藻细胞/胶球和1000万个藻细胞/胶球，两者净化效率都达到90%以上，净化效果非常明显。当藻细胞密度为1200万个藻细胞/胶球时，净化效率明显没有前三者净化效率高，说明当藻细胞密度增大到某一值时，对磷的净化效率反而下降。由以上实验得出，氨氮和磷的最佳净化细胞密度是1000万个藻细胞/胶球。
5 结论
固定化小球藻在气升式光生物反应器中能够有效的进行脱氮除磷，并去除低浓度有机物。细胞密度、循环处理对脱氮除磷效率和低浓度有机物的去除有影响。饥饿处理后，氨氮、磷、COD去除明显。利用气升式生物反应器，固定化小球藻可实现污水的深度净化并提供可以利用的藻体生物资源。
6 创新点
第一，本研究首次进行固定化小球藻在改造具有流化床特点的气升式光生物反应器中进行污水深度处理能力研究；
第二，本研究首次研究细胞密度对小球藻体系污水深度处理影响；
第三，本研究首次研究小球藻体系循环处理污水研究；
7 下阶段研究设想
藻类固定化技术在废水深度处理领域中具有独特的优越和潜力。该技术要达到工业化应用还需解决以下问题：
7.1 继续寻找高效、低耗、抗毒性强的多种生物共生固定化体系；
7.2 进一步开发性能稳定、价格低廉、传质阻力小的固定化载体和反应器；
7.3 筛选产油高、净化力强的多种藻类实现水处理和生物柴油制备的耦合。
通过不断研究，藻类为基础的固定化体系在废水处理中会成为一项高效而实用的废水生物处理资源化技术，獲得广泛应用。
8 收获与体会
通过阶段性研究，我在创新能力培养、动手操作能力、解决实际问题方面以及专业知识等方面都有不同程度的收获和提高。
通过选题给我提供了一个思考、解决问题的机会。对一项藻类污水生物处理技术的研究，需要尝试，更需要创新和提升并能够把新的思路、方法转化成具体的实验操作。最后，通过尝试、改进，寻找解决途径和方法。
9 致谢
本项目得到了辽宁师范大学生命科学学院张恩栋老师悉心指导，提供实验设备和技术帮助。感谢学校的老师、父母、朋友、同学的帮助，使我克服困难、完成实验。
（作者单位：大连理工大学附属高中）
1 项目背景
通过资料了解到，污水处理二级出水中或不达标排放的污（废）水仍含有一定量的氮、磷等植物营养物质，会造成受纳水体的富营养化。所以从废水中去除氮磷元素，减少和避免富营养化具有重要的现实意义。
藻类和其他高等植物一样，能利用CO2和H2O借助叶绿素吸收光能合成糖类释放氧气：
Oswald提出藻细胞脱氮除磷概念，从此利用藻细胞培养技术处理污水得到了快速发展。氮是藻类生物量的重要元素，一般约占藻细胞干重的10%，藻类可利用的氮源包括无机氮和有机氮，而藻类利用不同形态氮的顺序为：氨氮>硝酸盐氮>简单有机氮（如尿素等）。无机氮同化作用包括三个步骤：首先，由一种特定的通透酶介导并吸收硝酸盐、亚硝酸盐和氨；其次，依赖ATP将硝酸盐还原为铵；最后，将铵并入碳骨架。磷主要用于能量传递和核酸合成细胞过程中，主要以无机H2PO-4、HPO42-的形式被吸收。细胞内的磷被用作合成有机或无机物质。藻类用底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化3种不同的过程将其转化为高能有机化合物：
前两个过程的能量来自呼吸底物的氧化或线粒体的电子转运系统；第3个系统中光能被转化结合进ATP。自20世纪70年代以来，国内外就有利用沼气池出水，城市污水，缫丝、酿造、制糖废水及畜禽污水等养殖螺旋藻等微藻生产单细胞蛋白饲料，并使污水得以净化的研究报道。近年来，化石燃料短缺，微藻类作为原料制成生物燃料更有前景。研究表明，响藻类脱氮除磷的因素有很多，但主要可分为藻种本身的内在因素和对藻类生长起作用的环境和营养及固定化条件等的外在因素。藻类也能将水体中有机化合物作为碳源、氮源吸收，能降解如农药、偶氮染料、碳氢化合物、多环芳烃、金属有机物等多种化合物。利用藻细胞固定化技术处理污水是近二十多年新发展起来的一种污水生物处理技术，具有节约处理费用、可操作性强，对废水中氮、磷、重金属、有机物等去除效果好的特点。近年来，褐藻胶包埋技术是使用最广泛的包埋固定化技术。主要应用于生物反应器中活细胞的固定，植物原生质体包埋应用于微繁殖，杂种瘤细胞固定化应用于生产克隆抗体，污水处理等。
2 研究的目的与意义
本文首次利用固定化小球藻体系，在自制的气升式光生物处理反应器中实现对市政污水的深度净化。利用固定化技术解决收获问题，获得藻菌生物量（藻菌蛋白）。实验研究小球藻在气升式反应器中净化污水能力。研究了细胞密度、循环使用后固定化小球藻体系脱氮、除磷及COD去除的影响。该体系既达到了脱氮、除磷、去除COD，又有利于回收藻体，作为动物饲料和生物柴油制备的原料。从生态角度具有突出的现实意义，为污水的深度处理提供一种处理技术和参考。
3 实验过程
3.1 实验材料
3.1.1 藻种
小球藻（Chlorella sp.）由辽宁师范大学藻类生理学实验室提供。
3.1.2 试剂
海藻酸钠，氯化钙，氯化铵，抗坏血酸，钼酸铵，酒石酸锑氧钾，蛋白胨，重铬酸钾（优级纯）等，其余均为分析纯。
3.1.3 主要仪器
电子天平，北京赛多利斯天平有限公司；超净工作台，无锡一净净化设备有限公司；高压灭菌锅，广州泰思科学仪器有限公司；722分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；高速离心机，广州飞迪生物科技有限公司。
3.2 实验方法
3.2.1 小球藻培养
将小球藻无菌接种于含150mL Dauta培养基的250mL锥形瓶中，在温度（24±2）℃，光强2200-2700lx（冷荧光），光周期12：12（光：暗）下培養，每天用血球计数板计数，取静止初期藻细胞进行实验。
3.2.2 固定化
固定化藻：藻细胞3500rp/min 15min离心收获，用无氮、磷Dauta培养基再悬浮，与灭菌的5%海藻酸钠溶液等体积混合，注射器用8号针头滴入预冷0.1mol/L CaCl2溶液，放置0.5h，即得固定化胶球。无氮、磷培养基反复洗涤，放培养基中恢复一夜，用于去污实验。
3.2.3 污水的配制
以无N、P的Dauta培养基为本底，加NH4Cl、K2HPO4以及葡萄糖使NH4+-N浓度为15.5mg/L，PO43——P浓度为1.5mg/L。N/P比实验时污水配方如下：
4 结果与讨论
4.1 外加碳源对小球藻生长的影响
由图1-3，前3天三种外加碳源对小球藻生长速度的影响基本一致，比较平缓，对于葡萄糖来说，第8天小球藻生长达到静止期，其中0.25g/L葡萄糖的小球藻生长速率最大；对于乙酸钠来说，整体增长速度较缓，第8天藻细胞生长达到稳定期，不同浓度乙酸钠藻细胞数相差较大，5天后藻细胞生长低于对照；碳酸钠作为外加碳源藻细胞生长速度较快，第7天达到静止期，随后藻细胞减少。实验时选葡萄糖作为小球藻培养基的外加碳源，葡萄糖浓度为0.25g/L。 4.2 细胞密度对氮、磷去除影响
从图4可以清楚的看到600万个藻细胞/胶球、800万个藻细胞/胶球、1000万个藻细胞/胶球和1200万个藻细胞/胶球在9小时对氨氮去除效率分别为85.95%、86.80%、91.39%和71.13%，对磷的去除效率分别为89.74%、92.30%、94.74%和81.41%。说明固定化藻细胞对污水的净化效率高效。在去除氨氮方面当藻细胞密度分别600万个藻细胞/胶球、800万个藻细胞/胶球、1000万个藻细胞/胶球时，藻细胞密度越大的，净化效率越高，当藻细胞密度增大到1200万个藻细胞/胶球时，效率开始降低。说明在净化氨氮方面，净化效率开始是随着藻细胞密度增大而增大，但当藻细胞增大到某一值，净化效率开始下降。在除磷方面前三者之间净化效率相近，特别是800万个藻细胞/胶球和1000万个藻细胞/胶球，两者净化效率都达到90%以上，净化效果非常明显。当藻细胞密度为1200万个藻细胞/胶球时，净化效率明显没有前三者净化效率高，说明当藻细胞密度增大到某一值时，对磷的净化效率反而下降。由以上实验得出，氨氮和磷的最佳净化细胞密度是1000万个藻细胞/胶球。
5 结论
固定化小球藻在气升式光生物反应器中能够有效的进行脱氮除磷，并去除低浓度有机物。细胞密度、循环处理对脱氮除磷效率和低浓度有机物的去除有影响。饥饿处理后，氨氮、磷、COD去除明显。利用气升式生物反应器，固定化小球藻可实现污水的深度净化并提供可以利用的藻体生物资源。
6 创新点
第一，本研究首次进行固定化小球藻在改造具有流化床特点的气升式光生物反应器中进行污水深度处理能力研究；
第二，本研究首次研究细胞密度对小球藻体系污水深度处理影响；
第三，本研究首次研究小球藻体系循环处理污水研究；
7 下阶段研究设想
藻类固定化技术在废水深度处理领域中具有独特的优越和潜力。该技术要达到工业化应用还需解决以下问题：
7.1 继续寻找高效、低耗、抗毒性强的多种生物共生固定化体系；
7.2 进一步开发性能稳定、价格低廉、传质阻力小的固定化载体和反应器；
7.3 筛选产油高、净化力强的多种藻类实现水处理和生物柴油制备的耦合。
通过不断研究，藻类为基础的固定化体系在废水处理中会成为一项高效而实用的废水生物处理资源化技术，獲得广泛应用。
8 收获与体会
通过阶段性研究，我在创新能力培养、动手操作能力、解决实际问题方面以及专业知识等方面都有不同程度的收获和提高。
通过选题给我提供了一个思考、解决问题的机会。对一项藻类污水生物处理技术的研究，需要尝试，更需要创新和提升并能够把新的思路、方法转化成具体的实验操作。最后，通过尝试、改进，寻找解决途径和方法。
9 致谢
本项目得到了辽宁师范大学生命科学学院张恩栋老师悉心指导，提供实验设备和技术帮助。感谢学校的老师、父母、朋友、同学的帮助，使我克服困难、完成实验。
（作者单位：大连理工大学附属高中）