随着我国科技的迅速发展和人民生活水平的不断提高，对畜禽产品的需求不断增加，这也促进了我国水产养殖业的高质量发展。高密度水产养殖尾水中含有大量的NH4+-N和NO3--N等污染物，具有COD浓度相对较低、N和P浓度较高的特点，处理时存在碳源不足的问题，难以满足传统活性污泥法对碳源的需求，影响了脱氮效果，同时水华季节性暴发频率高，难以保证水环境质量与生态环境安全。对于低C/N水体，微藻工艺是现在推广的廉价、处理效果好的技术之一，然而悬浮态微藻易随出水流出，造成藻类泄漏，目前大多数研究集中于活性污泥（即细菌）形成的生物黏土，对于微藻负载形成的生物黏土以及在低C/N水体中的应用研究相对较少，因此开发高效脱氮的微藻生物固定材料是亟待解决的问题。
沸石具有较大的比表面积、较强的静电力与色散力，且沸石的晶格中含有K+、Na+、Ca2+等，能与溶液中其他阳离子发生交换。沸石具备的吸附与阳离子交换性能使其对NH4+-N具有优异的吸收效果。壳聚糖是天然甲壳素经过脱乙酰过程得到的天然高分子有机物，具有良好的生物相容性和无毒性。当壳聚糖溶于酸性溶液时，其分子可以形成带正电荷的阳离子型多聚电解质，能够有效吸附负电荷，然而当单独使用壳聚糖时稳定性差、易团聚等特性使其应用受到较大限制。笔者采用NaHCO3和壳聚糖对天然斜发沸石进行改性，探讨其吸附沉淀小球藻的效果，分析负载小球藻后改性沸石对NH4+-N和NO3--N的去除效果，旨在为低C/N水产养殖尾水的同步脱氮沉降微藻提供新材料。
1、材料与方法
1.1 原材料
本试验所用的藻种为蛋白核小球藻（Chlorellapyrenoidosa）；壳聚糖的脱乙酰度≥95.0%，黏度为100~200mPa∙s，购于上海麦克林生化科技股份有限公司；冰醋酸含量为99.5%，购于上海麦克林生化科技股份有限公司；BG-11培养基购于青岛高科技工业园海博生物技术有限公司；沸石原料为天然斜发沸石；NaHCO3、HCl、NaOH等试剂均为分析纯。
1.2 试验方法
1.2.1 Na-Zeo@CS的制备
使用去离子水冲洗沸石原料并干燥，按照沸石质量与NaHCO3溶液体积之比为25g∶1L将沸石加入至0.8mol/L的NaHCO3溶液中，搅拌12h后放入马福炉中高温加热，在400℃下加热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壳聚糖浓度为7g/L、冰醋酸含量为4%的混合溶液中，振荡搅拌24h后用去离子水洗涤至滤液为中性，烘干后得到复合改性材料Na-Zeo@CS，使用60目过滤筛网筛选以后得到粒径均匀化的Na-Zeo@CS颗粒。
1.2.2 吸光度标准曲线的绘制
取20mL蛋白核小球藻培养液高速离心后烘干，计算小球藻密度。将小球藻培养液按一定的密度梯度进行稀释后，测定波长680nm处的吸光度，同时扣除高速离心后小球藻培养液上清液的OD680，以避免小球藻培养液对吸光度的测定造成干扰。使用Origin软件对小球藻密度与OD680进行线性拟合。
1.2.3 Na-Zeo@CS吸附沉降小球藻性能测试
通过对比Na-Zeo@CS投加量、吸附时间、水体pH和藻初始密度对小球藻沉降效果的影响，分析Na-Zeo@CS的沉降性能。
投加量及吸附时间影响试验：分别取250mL小球藻藻液置于6个烧杯中，分别投加2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0g/L的Na-Zeo@CS，以120r/min快速搅拌5min后静置，在投加时间分别为0.5和6h时于液面下2cm处取水样测定小球藻沉降率；单独沉降试验中天然沸石投加量与Na-Zeo@CS相同，壳聚糖投加量分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6g/L。
水体pH影响试验：分别取250mL小球藻藻液置于5个烧杯中，调节水样pH分别为5、6、7、8、9，采用前述操作中Na-Zeo@CS的最佳投加量，沉降6h，后续操作同上。
藻初始密度影响试验：分别取250mL小球藻藻液置于8个烧杯中，稀释小球藻密度分别为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的最佳投加量与pH，沉降6h，后续操作同上。
小球藻沉降率按式（1）计算。
式中：R为小球藻沉降率，%；OD680s为初始时波长680nm处的吸光度值；OD680f为取样时波长680nm处的吸光度值。
1.2.4 Na-Zeo@CS脱氮性能测试
配制NH4+-N浓度为25mg/L或NO3--N浓度为30mg/L的水样，分别取500mL置于4个烧杯中，分别加入天然沸石、Na-Zeo@CS、悬浮态小球藻和负载小球藻后的Na-Zeo@CS，在振荡培养箱中以25℃、120r/min培养，于0、1、2、4、6、10、14、24、48、72h检测水中NH4+-N与NO3--N浓度。保持NH4+-N与NO3--N初始浓度不变，调节pH分别为3、5、7、9、11，分别加入天然沸石、Na-Zeo@CS、悬浮态小球藻和负载小球藻后的Na-Zeo@CS，经过72h后检测水中NH4+-N与NO3--N浓度。
1.2.5 Na-Zeo@CS对鱼塘养殖尾水的处理效果
取最佳投加量的Na-Zeo@CS经负载小球藻后置于500mL实际鱼塘养殖尾水中进行试验，在振荡培养箱中以25℃、120r/min培养，分别于0、12、24、36、48、60、72h取样，测定COD、NH4+-N、NO3--N和TN浓度。
2、结果与分析
2.1 小球藻密度与吸光度的标准曲线
采用紫外分光光度计测定波长680nm下不同小球藻密度培养液的吸光度，得到小球藻密度与吸光度标准曲线，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 投加量与吸附时间的影响
吸附材料的投加量越高，形成的絮体越多，更易快速絮凝沉淀。单独投加壳聚糖、天然沸石和Na-Zeo@CS复合材料时不同投加量和吸附时间对小球藻吸附效果的影响如图1所示。由图1（a）可知，当吸附时间为6h时，随着壳聚糖投加量的增加，其对小球藻的沉降率呈现先升后降的趋势，投加量由0.1g/L增至0.5g/L时，由于水中H+与壳聚糖发生质子化作用，壳聚糖表面具有正电荷，与带负电荷的小球藻发生电中和引发絮凝，经6h沉降后小球藻沉降率从71.4%显著提升至92.5%；当投加量由0.5g/L增加至0.6g/L时，小球藻沉降率从92.5%下降至88.6%，这是由于壳聚糖吸附过量小球藻，使其架桥结构的形成受到阻碍，网捕架桥的作用减弱，絮凝沉降效果变差。由图1（b）可知，天然沸石投加量对小球藻的沉降效果并无显著影响，故认为沸石无法直接吸附小球藻。Na-Zeo@CS的投加量增加导致吸附位点增多，在投加量由2.5g/L增至4.0g/L并经过6h沉降后，小球藻沉降率从56.1%显著提升至75.4%，见图1（c）；当投加量由4.0g/L增加至5.0g/L时，小球藻沉降率从75.4%提升至76.5%，提升效果不明显，考虑经济成本，确定Na-Zeo@CS的最佳投加量为4.0g/L。
对比投加壳聚糖与Na-Zeo@CS复合材料后小球藻经0.5和6h的沉降率发现，由于复合材料加入了沉降性能较好的沸石颗粒，故小球藻经其表面负载的壳聚糖吸附后得以迅速沉降，Na-Zeo@CS对小球藻的吸附沉降速率加快，相较于0.5h的沉降效果，经6h吸附后沉降率仅提升2.3%~8.6%，而单独投加壳聚糖组的沉降率经增加5.5h后可继续提升4.8%~16.8%。
2.2.2 pH的影响
当pH为5、6、7、8、9时，Na-Zeo@CS对小球藻的沉降率分别为81.6%、76.9%、75.2%、63.7%和33.4%，小球藻沉降率随pH的升高而下降。分析原因，溶液pH会影响壳聚糖表面电荷的形成，进而影响对小球藻的吸附沉降效果。当pH较低时，溶液中存在大量H+，Na-Zeo@CS表面壳聚糖中部分—NH2通过质子化作用形成带有正电荷的—NH3+，由于材料表面的正电荷增多，使小球藻快速脱稳；当pH较高时，溶液中H+减少、OH增加，使Na-Zeo@CS表面的壳聚糖基团质子化作用减弱，影响与小球藻的碰撞凝聚，同时OH与小球藻对吸附位点的竞争进一步限制了小球藻的沉降效果。
2.2.3 藻初始密度的影响
溶液中藻初始密度越大，悬浮态的藻细胞越多，可使壳聚糖更轻易地网捕絮凝微藻。图2为小球藻初始密度对其吸附沉降效果的影响。
由图2可知，小球藻的沉降率随藻初始密度的增加呈现先缓慢升高后降低的趋势，当藻初始密度从0.2g/L增至0.4g/L时，沉降率仅增加了3.6%；当藻初始密度继续增加至3.0g/L时，小球藻的沉降率从92.3%降至14.9%，但是在Na-Zeo@CS投加量恒定时，小球藻沉降密度随初始密度的增加持续升高后趋于平缓，分析认为，Na-Zeo@CS对小球藻的吸附量已经达到饱和，藻密度过高时对小球藻的沉降效果并不显著。
2.3 Na-Zeo@CS负载小球藻的脱氮效果
2.3.1 反应时间对NH4+-N和NO3--N去除的影响
天然沸石、Na-Zeo@CS、悬浮态小球藻和负载小球藻后的Na-Zeo@CS对NH4+-N和NO3--N的去除效果如图3所示。
由图3可以看出，负载小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N和NO3--N的去除效果都比较好。经过NaHCO3和壳聚糖负载改性后，天然沸石内部引入大量Na+，通过提高内部Na+含量来提高沸石分子筛与NH4+-N的传质效率和离子交换性能。负载的壳聚糖改变了沸石表面的电荷属性，壳聚糖中活泼的—NH2和—OH基团经过质子化作用使沸石表面呈现正电荷，Na-Zeo@CS通过氢键与静电吸引作用共同去除NO3--N。相较于天然沸石，Na-Zeo@CS对NH4+-N和NO3--N的吸附速率显著提升，4h后去除率分别达到30.49%和15.93%，然而Na-Zeo@CS从4~72h对NH4+-N和NO3--N的去除率变化不大，这是由于天然沸石的离子交换容量和吸附位点达到饱和，限制了对NH4+-N和NO3--N的去除。
负载小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N的去除率最高可达83.81%，相较于不负载小球藻34.73%的去除率与悬浮态小球藻42.96%的去除率之和高6.1个百分点，但是对NO3--N的去除率最高为45.02%，相较于悬浮态小球藻对NO3--N的去除率仅提升3.61%。分析认为，壳聚糖的静电中和以及网捕架桥作用使小球藻被吸附至沸石表面，其对沸石分子筛吸附的NH4+-N直接进行吸收利用，促使沸石形成新的吸附位点，Na-Zeo@CS对NH4+-N的富集作用也加快了小球藻对NH4+-N的去除。由于小球藻占据了壳聚糖表面大多数的阴离子吸附位点，使复合沸石对NO3--N的吸附性能下降。
2.3.2 pH对NH4+-N和NO3--N去除的影响
pH对NH4+-N和NO3--N去除的影响如图4所示。可知，随着pH升高，负载小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N和NO3--N的去除率先升高后下降，当pH为7时去除率均最高，分别为90.27%和40.13%。水体的pH能够显著影响Na-Zeo@CS去除NH4+-N和NO3--N的性能，同时对小球藻的生理活性与代谢生长造成影响。在pH由7降至3的过程中，天然沸石、Na-Zeo@CS、悬浮态小球藻和负载小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N的去除率分别降低10.02%、17.77%、27.88%、55.19%，对NO3--N的去除率分别增加0.26%、4.31%、-28.37%、-27.70%，这是由于pH较低时，水中的H+与NH4+竞争吸附位点，导致了对NH4+-N的去除率下降；Na-Zeo@CS中部分—NH2发生质子化，使其表面正电荷增多，强化了对NO3--N的吸附；此外过低的pH环境还会抑制小球藻的生理活性。而当pH较高时，NH4+与水中OH形成NH3·H2O，电荷减少不利于沸石的吸附去除，同时由于游离氨为不带电荷的脂溶性分子，可通过膜扩散作用进入藻细胞内部，进而直接抑制藻细胞的生长繁殖；随着pH升高，OH与NO3-竞争吸附位点，同时壳聚糖表面—NH2难以发生质子化，吸附位点减少，对NO3--N的吸附能力下降。在pH由7升高至11的过程中，天然沸石、Na-Zeo@CS、悬浮态小球藻和负载小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N的去除率分别降低7.22%、6.87%、21.66%和41.94%，对NO3--N的去除率分别降低1.61%、10.42%、21.01%和16.20%。
2.3.3 Na-Zeo@CS对NH4+-N的生物再生
吸附剂在进行生物再生时，吸附质可以从其上解吸，并不断地被微生物代谢，因此已经达到吸附饱和的吸附剂可以通过微生物的代谢作用使吸附性能得以恢复。负载小球藻的Na-Zeo@CS经干燥后与不负载小球藻的Na-Zeo@CS对不同浓度NH4+-N的吸附效果如图5所示。可以看出，与不负载小球藻的Na-Zeo@CS相比，经小球藻再生后的Na-Zeo@CS对NH4+-N的吸附容量有所降低，当NH4+-N浓度为15mg/L时，再生后的Na-Zeo@CS吸附容量仅为1.424mg/g，减少了0.642mg/g。随着NH4+-N浓度升高，再生后的Na-Zeo@CS吸附容量亦升高，当NH4+-N浓度为45mg/L时，其吸附容量相比不负载小球藻的Na-Zeo@CS仅减少0.324mg/g，最高可达到再生前吸附容量的86.45%，与NH4+-N浓度为15mg/L时相比增加0.643mg/g，这是由于浓度差较大时，NH4+-N从液相转移至固相的驱动力增强，沸石的吸附容量增大。
2.4 Na-Zeo@CS对低C/N养殖尾水的处理效果
鱼塘养殖尾水COD为31.545mg/L、NH4+-N为6.562mg/L、NO3--N为11.294mg/L、TN为22.846mg/L，负载小球藻的Na-Zeo@CS对COD、NH4+-N、NO3--N和TN的去除效果图6所示。
由图6可知，负载小球藻的Na-Zeo@CS经过72h后对COD、NH4+-N、NO3--N、TN的去除率分别为26.43%、96.88%、65.80%和77.84%。COD去除速率相对较慢，这是由于小球藻优先利用水中HCO3-作为碳源进行光合自养。NH4+-N在12h的去除率已达到96.45%，此时溶液中NH4+-N浓度过低，转移至沸石的驱动力较小，不易富集NH4+-N，因此12~72h时去除率波动较小。NO3--N在前24h的去除率较低，仅为8.91%，随着水体中NH4+-N的减少，小球藻对NO3--N的吸收作用逐渐增强，36h时对NO3--N的去除率达到32.10%。对TN的去除率较高，12h时即可达到37.72%。
2.5 Na-Zeo@CS的特性表征
采用扫描电镜对天然沸石、Na-Zeo@CS复合材料和Na-Zeo@CS吸附固定小球藻后形成的藻絮体进行扫描电子显微镜（SEM）表征，借助沸石与藻絮体的形貌分析壳聚糖改性沸石Na-Zeo@CS吸附固定小球藻的机理，SEM结果如图7所示。
由图7（a）、（b）可以看出，Na-Zeo@CS出现了大量孔隙，表面粗糙蓬松，这是由于NaHCO3在高温加热过程中分解，使沸石孔径增大。Na-Zeo@CS孔隙增加后可提供更多的吸附位点，提升了复合材料对NH4+-N和小球藻的吸附量与吸附速率。从图7（c）可以看出，负载小球藻的Na-Zeo@CS表面有大量藻细胞，说明在Na-Zeo@CS吸附沉降小球藻的过程中，其可利用高分子化合物壳聚糖的网捕架桥作用，以沸石为凝聚核心在表面吸附藻细胞。
3、结论
①Na-Zeo@CS的最佳投加量为4.0g/L，经过6h吸附后小球藻沉降率达到75.4%。水体pH与藻初始密度对Na-Zeo@CS沉降小球藻的效果具有显著影响，Na-Zeo@CS在pH为5~7、藻初始密度为0.2~0.6g/L时具有较好的吸附沉降效果。
②在低C/N水体中，吸附小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N和NO3--N具有显著的去除效果。经过72h后，吸附小球藻的Na-Zeo@CS对NH4+-N的去除率为83.81%，对NO3--N的去除率为45.02%，证明Na-Zeo@CS与小球藻可以快速有效地协同去除水中含氮污染物，达到净化水体的目的。
③小球藻附着在Na-Zeo@CS表面后，可以使NH4+-N从其表面解吸完成生物再生，经生物再生后的Na-Zeo@CS最高可达到再生前吸附容量的86.45%。（来源：华南理工大学环境与能源学院，广东顺控自华科技有限公司）
