低温对高浓度人尿液废水培养小球藻的影响

王忠江，郑 宇，王子越，周 正，郝诗敏，薛 宁

低温对高浓度人尿液废水培养小球藻的影响

王忠江1,2,3，郑 宇1，王子越1，周 正1，郝诗敏1，薛 宁1

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；
2. 黑龙江省寒地农业可再生资源利用技术与装备重点实验室，哈尔滨 150030；
3. 农业农村部生猪养殖设施工程重点实验室，哈尔滨 150030）

针对寒区气温低，微藻培养过程加热能耗大的问题，以蛋白核小球藻和普通小球藻为试验藻种，利用人工气候培养箱，在人尿液废水添加比例40%条件下，研究2种小球藻在15.0、17.5、20.0、22.5、25.0 ℃较低温度下的生长特性和小球藻蛋白质含量，以及培养液中营养物质的利用情况。结果表明，2种小球藻均可以在高浓度尿液废水中生长，蛋白核小球藻对各试验组培养液中总氮、氨氮、总磷和化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）的平均去除率分别达到78.02%、79.59%、79.31%、20.11%，最大生物量达到0.502 g/L；
普通小球藻对培养液中总氮、氨氮、总磷和COD的去除效果更好，平均去除率分别达到87.90%、89.55%、89.29%、68.66%，最大生物量达到1.007 g/L。2种小球藻对低温的响应均呈现随温度的升高生物量和培养液中相关指标的去除率也随之增大的趋势，但不同温度区段的变化率存在差异，温度为20.0 ℃及以上时变化较小，温度低于20.0 ℃时变化较大。并且在微藻培养各指标中，微藻的生物量和蛋白含量，以及培养液中的COD含量变化较大，而培养液中的总氮、氨氮、总磷的变化规律差别较小。普通小球藻对低温的耐受特性明显优于蛋白核小球藻，普通小球藻更适合在低温条件下用于高浓度尿液废水的处理和资源化。该研究为寒区微藻的低耗高效培养和尿液废水的资源化利用提供理论支持。

温度；
试验；
人尿液废水；
高浓度；
小球藻；
低温

中国生活废水中氮、磷是造成湖中及紧邻海域富营养化的主要因素，因此脱除生活污水中的磷和氨氮，尤其是从污水源中脱除氮、磷，不仅能有效防止富营养化现象，同时也可以实现氮磷的资源化，产生良好的经济效益[1-2]。人尿液是生活废水的重要组成部分，采用源分离系统能够回收尿液中20%的常量营养元素，并可以达到50%～80%的营养物质去除率。人尿液中养分的回收目前主要有鸟粪石沉淀、正向渗透、硝化/蒸馏、氨汽提和蒸发吸收/吸附等途径。但由于投资和运行成本、经济回报的不确定性和可持续性问题，大多数技术都不具备商业化前景[3-4]。目前仍缺乏尿液中营养物质的低耗高效利用技术。

利用微藻处理废水始于20世纪50年代，以藻类为基础的污水处理技术已成为污水深度处理和资源化利用的新趋势，微藻培养被认为是利用尿液中营养物质的最经济和有效方法之一[5-6]。利用尿液培养微藻不但能够实现尿液的无害化，而且还可以生产生物燃料和饲料等高附加值产品[7-8]。但目前利用人尿液培养微藻的研究较少，而且研究中尿液的稀释比例均在50倍以上，Chang等[9]研究了微藻在自养和混合营养条件下的生长特征，发现在将尿液稀释120倍自养培养下微藻去除了尿液中97%的氨氮、96.5%的总磷。常园园[10]将尿液分别稀释50、100、150和200倍后培养螺旋藻，结果表明稀释倍数为50和100倍条件下微藻生长更好。稀释比例大虽然可以实现微藻生长，但会影响培养过程的微藻生物量，降低微藻培养系统对尿液的无害化和资源化能力。此外，温度被认为是影响微藻细胞碳源氮源分配和细胞体积的重要因素，温度过高或过低均不利于微藻的生长[11]。相关研究表明微藻对温度的升高更为敏感，在适当的低温下可以较好地适应环境变化[12]。因此，本文针对寒区气温低，微藻培养过程加热能耗大，以及目前尿液废水培养微藻过程存在的尿液浓度低和微藻生物量小的问题，利用高浓度尿液废水，在较低温度条件下，以对养殖场废水、市政废水、工业废水等环境条件适应能力较强和后续资源化潜力更大的小球藻[13]为藻种，在前期人尿液不同稀释比例培养小球藻研究成果的基础上，研究低温对高浓度人尿液废水培养蛋白核小球藻和普通小球藻的影响，分析2种小球藻在不同培养温度下对高浓度尿液废水的适应性及其对培养液的净化效果，适合低温高浓度尿液废水培养的藻种以及低温环境对微藻培养系统的影响规律，为寒区微藻的低耗高效培养和尿液废水的资源化利用奠定理论基础。

1.1 试验材料

1.1.1 尿 液

研究所用的尿液取自东北农业大学工程训练中心男厕所，每次用经过紫外消毒的塑料桶收集，尿液和稀释后尿液配制的培养液相关特性如表1所示。

表1 人尿液特性

1.1.2 试验藻种

试验所用微藻为蛋白核小球藻（FACHB-5）和普通小球藻（FACHB-1554）均为淡水藻种，由中国科学院水生生物研究所提供。将藻种接入到BG11培养基中之后置于人工气候培养箱（OBY-Q600-SEI，常州欧邦电子有限公司）中进行预培养，培养温度为（26.0±1.0）℃，光照强度为2 500 lx，光暗比为12∶12，通气量为1.0 L/min，空气在进入培养液前经0.2m滤膜过滤，试验用水均为蒸馏水。

1.2 试验方法

为降低小球藻的培养成本，本研究中所用尿液废水均未消毒。根据文献[14]中小球藻能够耐受的氨氮和总氮等指标浓度范围，结合本研究所使用尿液中相关成分的含量，将尿液废水用蒸馏水稀释4倍。将70 mL生长至对数生长期的藻种接种到装有630 mL尿液废水培养液的锥形瓶中（锥形瓶体积为1 000 mL，有效容积为700 mL），每组试验设置3个平行，进行批式培养，培养周期为14 d。将装有微藻和培养液的锥形瓶置于人工气候培养箱（OBY-Q600-SEI，常州欧邦电子有限公司）中进行小球藻培养，光照强度为4 000 lx，通气量为1.5 L/min，空气进入培养液前经直径为0.2m（天津市领航实验设备股份有限公司）的滤膜过滤。光照周期为全天24 h光照。尿液废水与BG11培养基的体积比值为4∶5。微藻的最适培养温度为25.0～30.0 ℃，目前关于微藻的研究一般以20.0 ℃作为低温培养的界限温度，但为了保证人工培养微藻时具有相对较高的微藻生物量和污染物去除率，本研究的最低温度选择为15.0 ℃[15]，而没有选择更低的温度，此外文章为对比低温和常用温度培养微藻的特性差异，也选择了微藻生长较好且温度相对较低的25.0 ℃，所以本研究选用的微藻培养温度分别为15.0、17.5、20.0、22.5和25.0 ℃。

1.3 测试方法

1.3.1 小球藻生物量

2种小球藻的生物量由干重法测定[16]。取10 mL藻液置于已预先烘干至恒质量的10 mL离心管中，放入离心机中以8 000 r/min离心5 min，弃去上清液，将离心管敞口放入烘箱中，75.0 ℃烘至恒质量，测定干质量。每个样品做3个重复，并计算其平均值。2种小球藻的生物量计算式如下：

小球藻生物量(g/L)=(2-1)/（1）

式中1为离心管质量（g），2为离心后总质量（g）；
为所取藻液体积（L）。

1.3.2 其他指标

废水中的总氮、氨氮和总磷使用Skalar San++流动分析仪测定[17-18]，参照《水和废水监测分析方法》[19]；
pH值用pH计（HS-25）测定；
化学需氧量含量采用快速密闭消解法测定[20]，COD的标准曲线如下：

=1 126.47OD610+5.37，2=0.997 2 （2）

式中OD610是溶液在610 nm处的吸光度，为溶液COD含量（mg/L）。

小球藻蛋白质含量的测定采用福林酚试剂法[21]。小球藻蛋白质含量标准曲线为

=329.21-1.10，2=0.999 2 （3）

式中为蛋白质含量（mg/L），为溶液在OD500nm处的吸光度。

1.3.3 数据分析方法

利用Excel 2013和SAS 9.4软件进行数据处理和显著性检验（<0.05），试验数据图采用Origin 2018进行绘制。

2.1 小球藻生物量

本研究以小球藻的干质量表示2种小球藻的生长情况。图1为2种小球藻在不同培养温度下干质量的变化情况。

由图1a可知，蛋白核小球藻FACHB-5在培养温度为15.0和17.5 ℃条件下生长缓慢，且均在试验的第9天干质量达到最大值分别为0.173和0.197 g/L，之后开始呈下降趋势；
而在温度为20.0、22.5和25.0 ℃的试验组中，微藻生长速度明显加快，微藻生物量显著高于培养温度较低的15.0和17.5 ℃试验组，均在第10天达到各自最大的干质量分别为0.410、0.444和0.502 g/L，并且由图 1c可以看出20.0、22.5和25.0 ℃试验组的最大干质量与15.0和17.5 ℃试验组的最大干质量差异达到显著水平（<0.05）。由图1b可知，普通小球藻FACHB-1554在5个试验组中的生长趋势相似。在培养温度较高的试验组22.5和25.0 ℃中，小球藻生物量从第2天开始迅速增加，在第13天生长速率开始变缓，培养结束时，干质量由试验开始时的0.032 g/L分别上升到0.897、1.007 g/L。在培养温度为15.0、17.5和20.0 ℃的试验组中，试验开始的前3 d普通小球藻FACHB-1554生长均较缓慢，从第4天开始生长速率逐渐加快，培养结束时，干质量值由试验开始时的0.032 g/L分别上升到0.423、0.583和0.692 g/L，由图1c可以看出15.0、17.5和20.0 ℃试验组的小球藻最大干质量显著低于培养温度为22.5和25.0 ℃试验组的小球藻最大干质量（<0.05）。2种小球藻均在培养温度较高的22.5和25.0 ℃培养液中长势较好，且都在培养温度为25.0 ℃的培养液中达到了最大干质量值。这是因为小球藻适宜的温度范围通常在25.0～30.0℃，适宜的生长温度会使小球藻细胞的体积和细胞内碳氢含量降至最低，反之低于或高于最适温度，则会使细胞体积变大，内含物质增加[22]。由2种微藻干质量的变化可以看出，2种微藻的干质量均呈现随温度升高干质量增大的趋势，但不同温度间同种微藻的干质量变化率差异较大，当温度为20.0℃以及20.0℃以上时差异较小，温度为20.0℃以下时差异较大。此外由图1c可以看出在相同的培养温度下，普通小球藻FACHB-1554在培养液中的生长状况显著优于蛋白核小球藻FACHB-5（<0.01），培养温度由17.5 ℃升至20.0 ℃时蛋白核小球藻FACHB-5的生长情况变化更明显。

2.2 pH值

图2为2种藻种在不同培养温度下培养液的pH值变化。

注：FACHB-5为蛋白核小球藻，FACHB-1554为普通小球藻种。不同小写字母表示同种微藻不同培养温度间差异显著（P<0.05）。不同大写字母表示相同培养温度不同藻种处理间差异显著（P<0.05），下同。

a. FACHB-5b. FACHB-1554c. 最大pH值c. Maximum pH value

尿液中含有大量的尿素和脲酶，但尿液水解的最适温度为35.0 ℃，在25.0 ℃下尿液在储存2周后才开始缓慢水解[23]，所以本研究不考虑尿液水解对培养液pH值、氨氮含量的影响。从图2a可以看出蛋白核小球藻FACHB-5在15.0和17.5 ℃试验组的培养液pH值变化范围与其他试验组相比较小，这是因为较低的培养温度会使细胞体积增大和内含物增多，从而影响小球藻的正常生长。培养温度为20.0、22.5和25.0℃试验组培养液pH值在培养周期内变化明显，均在试验的前6 d明显上升，而后趋于稳定。随着培养温度的升高，在20.0、22.5和25.0 ℃培养条件下蛋白核小球藻FACHB-5培养液的pH值上升幅度明显大于15.0和17.5 ℃试验组。由图2c可以看出25.0 ℃试验组的pH值在培养周期内的第6天达到最大值8.946，与培养温度为15.0和17.5 ℃试验组差异达到显著水平（<0.05）。图2b为普通小球藻FACHB-1554在不同培养温度下培养液中pH值的变化，普通小球藻FACHB-1554在培养温度为15.0 ℃的试验组中培养液pH值上升幅度最小，由于培养温度过低无法满足小球藻的正常生长，导致小球藻生长缓慢；
而培养温度为25.0 ℃试验组的培养液pH值上升幅度最大，pH值增加的原因是小球藻的快速增长消耗了较多的H+[24]；
在微藻培养的后期由于微藻生长速率缓慢导致培养液pH值的变化幅度较小，而适宜的生长温度会使小球藻细胞的体积和细胞内碳氢含量降至最低，培养液中pH值也会大幅上升。培养温度为15.0和17.5 ℃时，普通小球藻FACHB-1554培养液中pH值上升幅度显著大于蛋白核小球藻FACHB-5，结合图1中的微藻生长速率可知普通小球藻FACHB-1554与蛋白核小球藻FACHB-5相比对低温尿液培养环境的适应性更强，生长速度更快，pH值的上升幅度更大。

2.3 氨氮和总氮含量

图3为2种微藻在不同培养温度下培养液中氨氮含量的变化情况。

a. FACHB-5b. FACHB-1554c. 氨氮去除率c. Ammonia nitrogen removal rate

氮是微藻生长必需的基本元素之一，同时也是微藻体内蛋白质、核酸、叶绿素等物质合成的基本元素。微藻对尿液中氮的去除主要是通过微藻光合作用，将无机氮转化成微藻生物体，NH4+-N 是最易被微藻利用的氮形态[25]。如图3a和图3b所示，各试验组培养液中氨氮含量在培养周期前期下降速度均较快，这与图1中的微藻生长速率相对应。随着试验的进行，小球藻生长速率逐渐减缓，减少了对培养液中氨氮的消耗，导致试验后期培养液中氨氮含量下降速度逐渐放缓。蛋白核小球藻FACHB-5各试验组的氨氮含量由84.66～86.16 mg/L降低至13.11～24.13 mg/L，普通小球藻FACHB-1554各试验组的氨氮含量由85.48～87.53 mg/L降低至3.18～16.1 mg/L。从图3c可以看出，培养温度为25.0 ℃时蛋白核小球藻FACHB-5对培养液中氨氮的去除率达到84.78%，其他4个试验组的氨氮去除率随培养温度升高由71.5%升至83.37%，平均去除率达到79.59%。普通小球藻FACHB-1554在25.0 ℃培养条件下对培养液中氨氮的去除率达到96.33%，其他4个试验组的氨氮去除率随培养温度升高由82.14%升至92.16%，平均去除率达到89.55%，2种微藻的氨氮去除率均呈现随温度升高而增大的趋势。由图3c可知普通小球藻FACHB-1554各试验组中氨氮的去除效果均明显优于蛋白核小球藻FACHB-5，差异达到显著水平（<0.05）。随着温度升高，蛋白核小球FACHB-5藻氮素增量与培养液中氨氮减少量比值从17.87%增加到59.33%，而普通小球藻FACHB-1554组则从60.21%增加到120.52%。在培养温度为15.0 ℃时，2种小球藻对培养液中氨氮去除率为71.5%和82.14%，相对较低。结合图1的微藻干质量变化情况，在温度较高条件下2种藻种均能大量利用培养液中的氨氮并显著增加微藻生物量，导致培养液中的氨氮浓度处于较低水平，进而使培养液中以挥发形式去除的氨氮量降低。

图4为2种小球藻在不同培养温度下培养液中总氮含量的变化情况。由图4a和图4b可以看出，2种小球藻在培养周期内均可以较好地去除培养液中的总氮，且培养液中总氮的下降趋势与氨氮基本相同，这是因为当氨氮和硝态氮在培养基中共存时，微藻更容易利用氨态氮，同时硝酸盐还原所需的酶在氨态氮同化过程中失活[26]。当培养温度为25.0 ℃时，2种小球藻均能较好地在培养液中生长，其对培养液中总氮含量的去除效率也最高，分别达到了95.18%（FACHB-1554）和83.66%（FACHB-5），而在培养温度为15.0 ℃的试验组中，小球藻生长则较为缓慢，对培养液中总氮利用效果不佳，去除效率分别为81.11%和69.33%。由图4c可以看出普通小球藻FACHB-1554藻种在每个培养温度条件下对培养液中总氮的去除均优于对应温度条件下的蛋白核小球藻FACHB-5，差异达到显著水平（<0.05）。2种小球藻对培养液中总氮的平均去除率分别达到87.90%（FACHB-1554）和78.02%（FACHB-5），所有试验组小球藻在培养周期末期均去除了培养液中超过69.33%的总氮。

2.4 总磷含量

磷在微藻的生长和代谢中具有重要作用，是微藻细胞中核酸、脂质和能量转移分子（三磷酸腺苷和二磷酸腺苷）的主要组成成分[27]。磷在尿液中主要以磷酸盐形式存在，以H2PO4-、HPO42-的形式被吸收，细胞内的磷被用作合成有机或无机化合物。部分PO43-与培养基中Ca2+和Mg2+形成沉淀，但沉淀产生通常在pH值为9～11环境中，而本研究中的pH值均低于9，因此培养液中形成的沉淀含量极少[28]。图5为不同温度下2种小球藻培养液的总磷变化，由图5a和图5b可知，各试验组中总磷含量变化规律基本相同，即试验初期各试验组总磷含量下降速度较慢，在培养的中后期下降速度加快，结合图1中的小球藻干质量变化趋势可知，微藻生长速度较快的试验组对总磷的去除效果更好。培养周期末期，蛋白核小球藻FACHB-5各试验组总磷浓度从初始时的33.18～33.78 mg/L降低至4.78～10.02 mg/L，普通小球藻FACHB-1554各试验组的总磷浓度从初始时的32.19～34.44 mg/L降低至1.24～5.92 mg/L。2种小球藻对培养液中的总磷平均去除率分别达到79.31%（FACHB-5）和89.29%（FACHB-1554），各试验组的总磷去除率均高于70%。由图5c可以看出相同培养温度下普通小球藻FACHB-1554在各试验组培养液中的总磷去除速率显著高于蛋白核小球藻FACHB-5，差异达到显著水平（<0.05）。随着温度升高，蛋白核小球藻FACHB-5干质量中最大磷增量从2.3 mg/L升至5.9 mg/L，与培养液中磷减少量比值从14.97%增加到21.11%，普通小球藻FACHB-1554试验组微藻干质量中最大磷增量从6.2 mg/L增加至15.4 mg/L，与培养液中磷减少量比值从24.27%增加到51.89%。随着培养温度的升高，2种藻种均能提高对磷的吸收且干质量显著增加，而培养液中形成的沉淀含量极低，培养液中部分磷以微藻细胞表层吸附形式去除[29]。

a. FACHB-5b. FACHB-1554c. 总氮去除率c. Toal nitrogen removal rate

a. FACHB-5 b. FACHB-1554c. 总磷去除率c. Total phosphorus removal rate

2.5 COD含量

图6为2种微藻在不同培养温度下对培养液中COD含量的影响情况。由图6a可知，蛋白核小球藻FACHB-5在不同温度下培养液中COD的变化规律相同：随着试验的进行，溶液中的COD先下降后上升。当培养温度为15.0和17.5 ℃时，蛋白核小球藻FACHB-5在培养液中的生长情况均较差（图1），对培养液中COD的去除率分别为4.31%和5.92%。随着培养温度的升高，培养温度为20.0、22.5和25.0 ℃试验组的COD含量从试验开始时的2 096～2 136 mg/L下降到1 313～1 579 mg/L，到培养周期结束时，又上升到了1 657～1 885 mg/L，各组培养液COD的平均去除率达到20.11%。

普通小球藻FACHB-1554不同温度下培养液的COD变化情况如图6b所示，溶液的COD值随着试验的进行不断降低。培养周期末期培养液中的COD值从初始时的2 017～2 066 mg/L降低至265～1 081 mg/L。当培养温度升高到25.0 ℃时，普通小球藻FACHB-1554对培养液的COD去除效果最好，去除率达到86.86%，而15.0 ℃的试验组微藻生长较缓慢，试验结束时去除了培养液中47.42%的COD，其余各试验组培养液的COD去除率在53.35%～85.24%之间，所有试验组培养液COD去除率达到了68.66%。蛋白核小球藻FACHB-5和普通小球藻FACHB-1554试验组的COD变化规律差别较大（图6a、图6b），结合图1中微藻生长规律可知，蛋白核小球藻FACHB-5试验组的COD呈现先下降后上升的规律是由于试验前期各试验组的微藻生物量均呈现上升趋势，微藻对培养液中氮磷等营养物质的去除率也随之增加，使溶液中的COD呈现逐渐下降的趋势。但随着试验的进行蛋白核小球藻FACHB-5的生物量达到峰值并逐渐死亡（图1a），死亡的微藻残体在培养液中逐渐降解，降解过程中释放的可溶性物质进入到培养液中，进而导致蛋白核小球藻FACHB-5试验组的培养液COD在试验后期又出现上升的现象[30]。普通小球藻FACHB-1554试验组的微藻生物量始终处于上升趋势（图1b），对培养液中的氮磷等营养物质始终处于降解利用趋势，所以普通小球藻FACHB-1554试验组的COD含量始终处于逐渐下降的趋势。小球藻FACHB-1554对培养液的COD去除效果明显优于蛋白核小球藻FACHB-5（<0.05）（图6c）。

a. FACHB-5b. FACHB-1554c. COD去除率c. COD removal rate

2.6 蛋白质含量

图7为2种小球藻在不同培养温度下藻体蛋白质含量的变化情况。

由图7a可知，蛋白核小球藻FACHB-5在培养温度较高的22.5和25.0 ℃试验组中可以较好地生长，各试验组的蛋白质含量在培养周期末期从初始时的17.14～18.05 mg/L上升至103.66～300.95 mg/L。由图7c可以看出培养温度较高的22.5和25.0 ℃试验组中小球藻蛋白质积累情况均明显优于培养温度较低的15.0和17.5 ℃试验组，差异达到显著水平（<0.01），试验后期蛋白质含量呈降低趋势是因为蛋白核小球藻FACHB-5后期进入衰亡阶段，小球藻的分解所致。普通小球藻FACHB-1554各试验组的蛋白质积累情况（图7b）均优于蛋白核小球藻FACHB-5（图7a），试验结束时普通小球藻FACHB-1554各试验组的蛋白质含量从初始时的15.58～16.21 mg/L上升至211.52～503.32 mg/L，在试验开始后前4 d未表现出明显差异，从第5天开始，培养温度较高的22.5和25.0 ℃试验组蛋白质积累含量明显高于培养温度较低的15.0和17.5 ℃试验组。2种小球藻均在培养温度较高的培养液中长势较好。由图7c可以看出蛋白核小球藻FACHB-5在温度为22.5和25.0 ℃的培养条件下，蛋白质积累量显著高于培养温度为15.0 ℃试验组（<0.01）；
普通小球藻FACHB-1554在不同培养温度下蛋白质累计速率不同，培养温度对普通小球藻FACHB-1554生长影响显著（<0.05）。结合微藻干质量曲线，虽然蛋白核小球藻单体的蛋白质含量高于普通小球藻，但由于普通小球藻FACHB-1554的生物量明显高于蛋白核小球藻FACHB-5，普通小球藻FACHB-1554各试验组的蛋白含量仍然高于蛋白核小球藻FACHB-5各对应试验组。本试验结果优于常园园[10]在不同比例稀释尿液中得到的微藻蛋白质含量。

a. FACHB-5b. FACHB-1554c. 蛋白质最大含量c. Maximum protein content

1）2种小球藻均能适应低温和高尿液添加比的培养环境，但普通小球藻的适应能力明显优于蛋白核小球藻，同样条件下微藻的生物量更大，培养液中养分的降解率更高。蛋白核小球藻对各试验组培养液中总氮、氨氮、总磷和化学需氧量的平均去除率分别达到78.02%、79.59%、79.31%、20.11%，最大生物量达到0.502 g/L；
普通小球藻对培养液中总氮、氨氮、总磷和化学需氧量的去除效果更好，平均去除率分别达到87.90%、89.55%、89.29%、68.66%，最大生物量达到1.007 g/L。

2）2种小球藻均可在较低温度条件下生长，并且对低温的响应均呈现随温度的升高生物量和培养液中相关指标的去除率也随之增大的趋势，但不同温度区段的变化率存在较大差异，温度为20.0 ℃及以上时变化较小，温度低于20.0 ℃时变化较大。并且在微藻培养各指标中，微藻的生物量和蛋白含量，以及培养液中的化学需氧量含量变化较大，而培养液中的总氮、氨氮、总磷的变化规律差别较小。研究为寒区微藻的低耗高效培养奠定理论基础。

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Effects of low temperature oncultivation in high-concentration human urine wastewater

Wang Zhongjiang1,2,3, Zheng Yu1, Wang Ziyue1, Zhou Zheng1, Hao Shimin1, Xue Ning1

(1.,,150030,;2.,150030,; 3.,,150030,)

Microalgae (microscopic algae) have been the most promising renewable energy sources in freshwater and marine systems, due to the short growth cycles, high photosynthetic efficiency, environmental adaptability, and cellular lipid content. The cultivation cost of commercial microalgae is ever increasing in recent years. Particularly, chemical reagents are generally added to supply the nutrient sources for microalgae growth. Fortunately, human urine wastewater can be expected for microalgae cultivation, due to the abundant nitrogen, phosphorus, and trace elements for microalgae growth. Microalgae biomass can also be obtained to reduce the microalgae cultivation cost after purification, in order to realize the resource-based and high-value utilization of human urine wastewater. In the case of the microalgae growth temperature above 25.0 ℃, it is very important to explore the microalgae suitable for the low-temperature culture, in order to reduce the heating energy consumption of microalgae culture in winter in the north of China. In addition, human urine is also currently sterilized for microalgae cultivation, due to the high dilution times. More wastewater can be produced from a small amount of original human urine, leading to the high pretreatment cost of microalgae cultivation. In this study, a systematic investigation was carried out to clarify the effects of different temperatures (15.0, 17.5, 20.0, 22.5, and 25.0 ℃) on microalgae cultivation using human urine diluted by low times. Theandwere selected as the microalgae species. An artificial climate incubator was used under the human urine addition ratio of 40% and light intensity of 4000 lx for 14 days. The results showed that the two types ofgrew better in the high concentration of human urine wastewater. The average removal ratios of the total nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus, and chemical oxygen demand in the culture solution ofreached 78.02%, 79.59%, 79.31%, and 20.11%, respectively, where the maximum biomass dry weight reached 0.502 g/L. Comparatively, the average removal ratios of the total nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus, and chemical oxygen demand in the culture solution of. reached 87.90%, 89.55%, 89.29%, and 68.66%, respectively, where the maximum biomass dry weight reached 1.007g/L. There was an increase in biomass production and the total nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus, and chemical oxygen demand removals ofand., as the increase of temperature (<0.05). The increasing rates were smaller under the temperature of higher than 20.0 ℃ than those lower than 20.0 ℃. Meanwhile, there was a strong influence of low temperature on the microalgae biomass,protein, and chemical oxygen demand removal ratio than that on the contents of total nitrogen, ammonium nitrogen, and total phosphorus. Better adaptability ofwas also achieved in the human urine at low temperature than that of, indicating more suitable for cultivation in the north of China. This finding can lay a theoretical foundation for the low-consumption and high-efficiency culture of microalgae in cold regions.

temperature; test; human urine wastewater; high concentration;; low temperature

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.022

Q938

A

1002-6819(2022)-20-0191-08

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2022-07-03

2022-09-30

国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目（U21A20162）；
黑龙江省重点研发项目（GA21C024）

王忠江，教授，博士，主要研究方向为农业生物环境与能源工程。Email：neauwzj@126.com

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