隨著我國科技的迅速發展和人民生活水平的不斷提高，對畜禽產品的需求不斷增加，這也促進了我國水產養殖業的高質量發展。高密度水產養殖尾水中含有大量的NH4+-N和NO3--N等污染物，具有COD濃度相對較低、N和P濃度較高的特點，處理時存在碳源不足的問題，難以滿足傳統活性污泥法對碳源的需求，影響了脫氮效果，同時水華季節性暴發頻率高，難以保證水環境質量與生態環境安全。對于低C/N水體，微藻工藝是現在推廣的廉價、處理效果好的技術之一，然而懸浮態微藻易隨出水流出，造成藻類泄漏，目前大多數研究集中于活性污泥（即細菌）形成的生物黏土，對于微藻負載形成的生物黏土以及在低C/N水體中的應用研究相對較少，因此開發高效脫氮的微藻生物固定材料是亟待解決的問題。
沸石具有較大的比表面積、較強的靜電力與色散力，且沸石的晶格中含有K+、Na+、Ca2+等，能與溶液中其他陽離子發生交換。沸石具備的吸附與陽離子交換性能使其對NH4+-N具有優異的吸收效果。殼聚糖是天然甲殼素經過脫乙酰過程得到的天然高分子有機物，具有良好的生物相容性和無毒性。當殼聚糖溶于酸性溶液時，其分子可以形成帶正電荷的陽離子型多聚電解質，能夠有效吸附負電荷，然而當單獨使用殼聚糖時穩定性差、易團聚等特性使其應用受到較大限制。筆者采用NaHCO3和殼聚糖對天然斜發沸石進行改性，探討其吸附沉淀小球藻的效果，分析負載小球藻后改性沸石對NH4+-N和NO3--N的去除效果，旨在為低C/N水產養殖尾水的同步脫氮沉降微藻提供新材料。
1、材料與方法
1.1 原材料
本試驗所用的藻種為蛋白核小球藻（Chlorellapyrenoidosa）；殼聚糖的脫乙酰度≥95.0%，黏度為100~200mPa∙s，購于上海麥克林生化科技股份有限公司；冰醋酸含量為99.5%，購于上海麥克林生化科技股份有限公司；BG-11培養基購于青島高科技工業園海博生物技術有限公司；沸石原料為天然斜發沸石；NaHCO3、HCl、NaOH等試劑均為分析純。
1.2 試驗方法
1.2.1 Na-Zeo@CS的制備
使用去離子水沖洗沸石原料并干燥，按照沸石質量與NaHCO3溶液體積之比為25g∶1L將沸石加入至0.8mol/L的NaHCO3溶液中，攪拌12h后放入馬福爐中高溫加熱，在400℃下加熱240min后得到Na型多孔活化沸石；取6gNa型多孔活化沸石加入到200mL殼聚糖濃度為7g/L、冰醋酸含量為4%的混合溶液中，振蕩攪拌24h后用去離子水洗滌至濾液為中性，烘干后得到復合改性材料Na-Zeo@CS，使用60目過濾篩網篩選以后得到粒徑均勻化的Na-Zeo@CS顆粒。
1.2.2 吸光度標準曲線的繪制
取20mL蛋白核小球藻培養液高速離心后烘干，計算小球藻密度。將小球藻培養液按一定的密度梯度進行稀釋后，測定波長680nm處的吸光度，同時扣除高速離心后小球藻培養液上清液的OD680，以避免小球藻培養液對吸光度的測定造成干擾。使用Origin軟件對小球藻密度與OD680進行線性擬合。
1.2.3 Na-Zeo@CS吸附沉降小球藻性能測試
通過對比Na-Zeo@CS投加量、吸附時間、水體pH和藻初始密度對小球藻沉降效果的影響，分析Na-Zeo@CS的沉降性能。
投加量及吸附時間影響試驗：分別取250mL小球藻藻液置于6個燒杯中，分別投加2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0g/L的Na-Zeo@CS，以120r/min快速攪拌5min后靜置，在投加時間分別為0.5和6h時于液面下2cm處取水樣測定小球藻沉降率；單獨沉降試驗中天然沸石投加量與Na-Zeo@CS相同，殼聚糖投加量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6g/L。
水體pH影響試驗：分別取250mL小球藻藻液置于5個燒杯中，調節水樣pH分別為5、6、7、8、9，采用前述操作中Na-Zeo@CS的最佳投加量，沉降6h，后續操作同上。
藻初始密度影響試驗：分別取250mL小球藻藻液置于8個燒杯中，稀釋小球藻密度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、3.0g/L，采用上述操作中Na-Zeo@CS的最佳投加量與pH，沉降6h，后續操作同上。
小球藻沉降率按式（1）計算。
式中：R為小球藻沉降率，%；OD680s為初始時波長680nm處的吸光度值；OD680f為取樣時波長680nm處的吸光度值。
1.2.4 Na-Zeo@CS脫氮性能測試
配制NH4+-N濃度為25mg/L或NO3--N濃度為30mg/L的水樣，分別取500mL置于4個燒杯中，分別加入天然沸石、Na-Zeo@CS、懸浮態小球藻和負載小球藻后的Na-Zeo@CS，在振蕩培養箱中以25℃、120r/min培養，于0、1、2、4、6、10、14、24、48、72h檢測水中NH4+-N與NO3--N濃度。保持NH4+-N與NO3--N初始濃度不變，調節pH分別為3、5、7、9、11，分別加入天然沸石、Na-Zeo@CS、懸浮態小球藻和負載小球藻后的Na-Zeo@CS，經過72h后檢測水中NH4+-N與NO3--N濃度。
1.2.5 Na-Zeo@CS對魚塘養殖尾水的處理效果
取最佳投加量的Na-Zeo@CS經負載小球藻后置于500mL實際魚塘養殖尾水中進行試驗，在振蕩培養箱中以25℃、120r/min培養，分別于0、12、24、36、48、60、72h取樣，測定COD、NH4+-N、NO3--N和TN濃度。
2、結果與分析
2.1 小球藻密度與吸光度的標準曲線
采用紫外分光光度計測定波長680nm下不同小球藻密度培養液的吸光度，得到小球藻密度與吸光度標準曲線，y=4.49156x+0.00154（R2=0.99888，x表示OD680值，y表示小球藻密度）。
2.2 Na-Zeo@CS吸附固定小球藻的性能
2.2.1 投加量與吸附時間的影響
吸附材料的投加量越高，形成的絮體越多，更易快速絮凝沉淀。單獨投加殼聚糖、天然沸石和Na-Zeo@CS復合材料時不同投加量和吸附時間對小球藻吸附效果的影響如圖1所示。由圖1（a）可知，當吸附時間為6h時，隨著殼聚糖投加量的增加，其對小球藻的沉降率呈現先升后降的趨勢，投加量由0.1g/L增至0.5g/L時，由于水中H+與殼聚糖發生質子化作用，殼聚糖表面具有正電荷，與帶負電荷的小球藻發生電中和引發絮凝，經6h沉降后小球藻沉降率從71.4%顯著提升至92.5%；當投加量由0.5g/L增加至0.6g/L時，小球藻沉降率從92.5%下降至88.6%，這是由于殼聚糖吸附過量小球藻，使其架橋結構的形成受到阻礙，網捕架橋的作用減弱，絮凝沉降效果變差。由圖1（b）可知，天然沸石投加量對小球藻的沉降效果并無顯著影響，故認為沸石無法直接吸附小球藻。Na-Zeo@CS的投加量增加導致吸附位點增多，在投加量由2.5g/L增至4.0g/L并經過6h沉降后，小球藻沉降率從56.1%顯著提升至75.4%，見圖1（c）；當投加量由4.0g/L增加至5.0g/L時，小球藻沉降率從75.4%提升至76.5%，提升效果不明顯，考慮經濟成本，確定Na-Zeo@CS的最佳投加量為4.0g/L。
對比投加殼聚糖與Na-Zeo@CS復合材料后小球藻經0.5和6h的沉降率發現，由于復合材料加入了沉降性能較好的沸石顆粒，故小球藻經其表面負載的殼聚糖吸附后得以迅速沉降，Na-Zeo@CS對小球藻的吸附沉降速率加快，相較于0.5h的沉降效果，經6h吸附后沉降率僅提升2.3%~8.6%，而單獨投加殼聚糖組的沉降率經增加5.5h后可繼續提升4.8%~16.8%。
2.2.2 pH的影響
當pH為5、6、7、8、9時，Na-Zeo@CS對小球藻的沉降率分別為81.6%、76.9%、75.2%、63.7%和33.4%，小球藻沉降率隨pH的升高而下降。分析原因，溶液pH會影響殼聚糖表面電荷的形成，進而影響對小球藻的吸附沉降效果。當pH較低時，溶液中存在大量H+，Na-Zeo@CS表面殼聚糖中部分—NH2通過質子化作用形成帶有正電荷的—NH3+，由于材料表面的正電荷增多，使小球藻快速脫穩；當pH較高時，溶液中H+減少、OH增加，使Na-Zeo@CS表面的殼聚糖基團質子化作用減弱，影響與小球藻的碰撞凝聚，同時OH與小球藻對吸附位點的競爭進一步限制了小球藻的沉降效果。
2.2.3 藻初始密度的影響
溶液中藻初始密度越大，懸浮態的藻細胞越多，可使殼聚糖更輕易地網捕絮凝微藻。圖2為小球藻初始密度對其吸附沉降效果的影響。
由圖2可知，小球藻的沉降率隨藻初始密度的增加呈現先緩慢升高后降低的趨勢，當藻初始密度從0.2g/L增至0.4g/L時，沉降率僅增加了3.6%；當藻初始密度繼續增加至3.0g/L時，小球藻的沉降率從92.3%降至14.9%，但是在Na-Zeo@CS投加量恒定時，小球藻沉降密度隨初始密度的增加持續升高后趨于平緩，分析認為，Na-Zeo@CS對小球藻的吸附量已經達到飽和，藻密度過高時對小球藻的沉降效果并不顯著。
2.3 Na-Zeo@CS負載小球藻的脫氮效果
2.3.1 反應時間對NH4+-N和NO3--N去除的影響
天然沸石、Na-Zeo@CS、懸浮態小球藻和負載小球藻后的Na-Zeo@CS對NH4+-N和NO3--N的去除效果如圖3所示。
由圖3可以看出，負載小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N和NO3--N的去除效果都比較好。經過NaHCO3和殼聚糖負載改性后，天然沸石內部引入大量Na+，通過提高內部Na+含量來提高沸石分子篩與NH4+-N的傳質效率和離子交換性能。負載的殼聚糖改變了沸石表面的電荷屬性，殼聚糖中活潑的—NH2和—OH基團經過質子化作用使沸石表面呈現正電荷，Na-Zeo@CS通過氫鍵與靜電吸引作用共同去除NO3--N。相較于天然沸石，Na-Zeo@CS對NH4+-N和NO3--N的吸附速率顯著提升，4h后去除率分別達到30.49%和15.93%，然而Na-Zeo@CS從4~72h對NH4+-N和NO3--N的去除率變化不大，這是由于天然沸石的離子交換容量和吸附位點達到飽和，限制了對NH4+-N和NO3--N的去除。
負載小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N的去除率最高可達83.81%，相較于不負載小球藻34.73%的去除率與懸浮態小球藻42.96%的去除率之和高6.1個百分點，但是對NO3--N的去除率最高為45.02%，相較于懸浮態小球藻對NO3--N的去除率僅提升3.61%。分析認為，殼聚糖的靜電中和以及網捕架橋作用使小球藻被吸附至沸石表面，其對沸石分子篩吸附的NH4+-N直接進行吸收利用，促使沸石形成新的吸附位點，Na-Zeo@CS對NH4+-N的富集作用也加快了小球藻對NH4+-N的去除。由于小球藻占據了殼聚糖表面大多數的陰離子吸附位點，使復合沸石對NO3--N的吸附性能下降。
2.3.2 pH對NH4+-N和NO3--N去除的影響
pH對NH4+-N和NO3--N去除的影響如圖4所示。可知，隨著pH升高，負載小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N和NO3--N的去除率先升高后下降，當pH為7時去除率均最高，分別為90.27%和40.13%。水體的pH能夠顯著影響Na-Zeo@CS去除NH4+-N和NO3--N的性能，同時對小球藻的生理活性與代謝生長造成影響。在pH由7降至3的過程中，天然沸石、Na-Zeo@CS、懸浮態小球藻和負載小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N的去除率分別降低10.02%、17.77%、27.88%、55.19%，對NO3--N的去除率分別增加0.26%、4.31%、-28.37%、-27.70%，這是由于pH較低時，水中的H+與NH4+競爭吸附位點，導致了對NH4+-N的去除率下降；Na-Zeo@CS中部分—NH2發生質子化，使其表面正電荷增多，強化了對NO3--N的吸附；此外過低的pH環境還會抑制小球藻的生理活性。而當pH較高時，NH4+與水中OH形成NH3·H2O，電荷減少不利于沸石的吸附去除，同時由于游離氨為不帶電荷的脂溶性分子，可通過膜擴散作用進入藻細胞內部，進而直接抑制藻細胞的生長繁殖；隨著pH升高，OH與NO3-競爭吸附位點，同時殼聚糖表面—NH2難以發生質子化，吸附位點減少，對NO3--N的吸附能力下降。在pH由7升高至11的過程中，天然沸石、Na-Zeo@CS、懸浮態小球藻和負載小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N的去除率分別降低7.22%、6.87%、21.66%和41.94%，對NO3--N的去除率分別降低1.61%、10.42%、21.01%和16.20%。
2.3.3 Na-Zeo@CS對NH4+-N的生物再生
吸附劑在進行生物再生時，吸附質可以從其上解吸，并不斷地被微生物代謝，因此已經達到吸附飽和的吸附劑可以通過微生物的代謝作用使吸附性能得以恢復。負載小球藻的Na-Zeo@CS經干燥后與不負載小球藻的Na-Zeo@CS對不同濃度NH4+-N的吸附效果如圖5所示。可以看出，與不負載小球藻的Na-Zeo@CS相比，經小球藻再生后的Na-Zeo@CS對NH4+-N的吸附容量有所降低，當NH4+-N濃度為15mg/L時，再生后的Na-Zeo@CS吸附容量僅為1.424mg/g，減少了0.642mg/g。隨著NH4+-N濃度升高，再生后的Na-Zeo@CS吸附容量亦升高，當NH4+-N濃度為45mg/L時，其吸附容量相比不負載小球藻的Na-Zeo@CS僅減少0.324mg/g，最高可達到再生前吸附容量的86.45%，與NH4+-N濃度為15mg/L時相比增加0.643mg/g，這是由于濃度差較大時，NH4+-N從液相轉移至固相的驅動力增強，沸石的吸附容量增大。
2.4 Na-Zeo@CS對低C/N養殖尾水的處理效果
魚塘養殖尾水COD為31.545mg/L、NH4+-N為6.562mg/L、NO3--N為11.294mg/L、TN為22.846mg/L，負載小球藻的Na-Zeo@CS對COD、NH4+-N、NO3--N和TN的去除效果圖6所示。
由圖6可知，負載小球藻的Na-Zeo@CS經過72h后對COD、NH4+-N、NO3--N、TN的去除率分別為26.43%、96.88%、65.80%和77.84%。COD去除速率相對較慢，這是由于小球藻優先利用水中HCO3-作為碳源進行光合自養。NH4+-N在12h的去除率已達到96.45%，此時溶液中NH4+-N濃度過低，轉移至沸石的驅動力較小，不易富集NH4+-N，因此12~72h時去除率波動較小。NO3--N在前24h的去除率較低，僅為8.91%，隨著水體中NH4+-N的減少，小球藻對NO3--N的吸收作用逐漸增強，36h時對NO3--N的去除率達到32.10%。對TN的去除率較高，12h時即可達到37.72%。
2.5 Na-Zeo@CS的特性表征
采用掃描電鏡對天然沸石、Na-Zeo@CS復合材料和Na-Zeo@CS吸附固定小球藻后形成的藻絮體進行掃描電子顯微鏡（SEM）表征，借助沸石與藻絮體的形貌分析殼聚糖改性沸石Na-Zeo@CS吸附固定小球藻的機理，SEM結果如圖7所示。
由圖7（a）、（b）可以看出，Na-Zeo@CS出現了大量孔隙，表面粗糙蓬松，這是由于NaHCO3在高溫加熱過程中分解，使沸石孔徑增大。Na-Zeo@CS孔隙增加后可提供更多的吸附位點，提升了復合材料對NH4+-N和小球藻的吸附量與吸附速率。從圖7（c）可以看出，負載小球藻的Na-Zeo@CS表面有大量藻細胞，說明在Na-Zeo@CS吸附沉降小球藻的過程中，其可利用高分子化合物殼聚糖的網捕架橋作用，以沸石為凝聚核心在表面吸附藻細胞。
3、結論
①Na-Zeo@CS的最佳投加量為4.0g/L，經過6h吸附后小球藻沉降率達到75.4%。水體pH與藻初始密度對Na-Zeo@CS沉降小球藻的效果具有顯著影響，Na-Zeo@CS在pH為5~7、藻初始密度為0.2~0.6g/L時具有較好的吸附沉降效果。
②在低C/N水體中，吸附小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N和NO3--N具有顯著的去除效果。經過72h后，吸附小球藻的Na-Zeo@CS對NH4+-N的去除率為83.81%，對NO3--N的去除率為45.02%，證明Na-Zeo@CS與小球藻可以快速有效地協同去除水中含氮污染物，達到凈化水體的目的。
③小球藻附著在Na-Zeo@CS表面后，可以使NH4+-N從其表面解吸完成生物再生，經生物再生后的Na-Zeo@CS最高可達到再生前吸附容量的86.45%。（來源：華南理工大學環境與能源學院，廣東順控自華科技有限公司）
