UAS藻盒对20 L水体氮磷去除效果的对比试验

1 综述

1.1 UAS与ATS

UAS（Upflow Algae Scrubber）藻盒采用内置藻屏作为附着体，将藻类固定在盒体内部，使其在相对稳定的光照和水环境中生长。与传统ATS（Algal Turf Scrubber）系统不同，UAS藻盒中的藻体基本处于“浸没”状态，水体在藻屏周围循环，因此水分蒸发较小、藻类各个方向都能接收到光照，光照利用更均匀。ATS藻盒则主要依赖水流从上方流过藻体，藻类通常附着在流动介质表面，光照条件依赖于表面暴露程度，易出现光照不均和生长层差异。UAS藻盒还通常配备红光与白光LED组合，通过内置光源直接照射藻屏，而ATS则多依赖外部光源或上方灯光。因此，UAS藻盒在光利用、蒸发控制和藻体稳定性方面具有一定优势。

1.2 红光对藻类影响

红光是藻类光合作用的重要光谱区域，尤其对含叶绿素 a 和类胡萝卜素的绿藻具有较高吸收效率。红光波长长、穿透力强，能够在较深水层保持较好的光强，使藻类即使在较厚水层中也能获得有效光能。对于许多微藻，红光能够促进光合作用速度、提高生物量累积，并促进色素合成，使细胞含量中叶绿素和类胡萝卜素比例提高。此外，红光还常被认为有利于藻类的光合碳固定和干物质积累，从而增强N、P吸收效率。总体而言，红光在藻类培养中具有较好的增殖和能量转化效果，尤其适合需要高光效和深层照明的UAS藻盒系统。

1.3 实验目的及意义

本实验旨在通过对比装有 UAS 藻盒的实验组与无藻盒的对照组，系统评估 UAS 藻盒在 20 L 水体中对 NO₃⁻ 和 PO₄³⁻ 的去除效果，验证其在实际水环境中对 N、P 富营养的治理能力。意义在于：一方面补充当前 UAS 藻盒产品性能的实测数据，揭示其内置藻屏、红光照明与循环水流设计对藻类吸收效率的贡献；另一方面为水族养殖、生态修复等应用场景提供参考，帮助判断该装置是否能在减少水体蒸发、提高藻类光利用率的同时，实现稳定的氮磷去除与长效运行。

2 材料与方法

2.1 实验材料与仪器设备

UAS藻盒装置一套、30×30×30 cm 鱼缸、硝酸钾（KNO₃）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、纯水、NO₃⁻ 与 PO₄³⁻ 水质测试试剂盒、哈希水质分析仪、照度仪

2.2 实验方法

使用照度仪测试UAS藻盒光谱图。设置两个 30×30×30 cm 鱼缸，分别作为实验组和对照组。使用KNO₃和KH₂PO₄配制营养溶液，使初始浓度达到 NO₃⁻ 10.8 mg/L 和 PO₄³⁻ 0.63 mg/L。实验组安装已生长充分的 UAS 藻盒，并在实验前使用配制的实验条件水对藻盒进行浸洗；水泵实测流量为 265.6 L/h。对照组不安装藻盒。两组各加入 20 L 配制好的实验水，每日检测 NO₃⁻ 与 PO₄³⁻ 浓度变化，并比较其吸收效果。

3 实验结果

3.1光谱测试

图1.UAS藻盒相对光谱图

3.2 水质检测

表 1 一周监测期间实验组与对照组的 NO₃⁻、PO₄³⁻浓度

图 2.实验组与对照组硝酸盐浓度随时间的变化

图 3.实验组与对照组磷酸盐浓度随时间的变化

4 讨论

本研究在 20 L 小规模水体中评估了配备内置藻屏的 UAS 藻盒对 NO₃⁻ 和 PO₄³⁻ 的短期去除效果。结果表明（见 Table 1、Figure 2 与 Figure 3），处理组 NO₃⁻ 从 10.8 mg·L⁻¹ 降至 5.8 mg·L⁻¹，去除率约 46%，而对照组在同一时期内未表现出类似下降趋势，说明藻盒中藻体通过光合作用同化氮素是主要去除途径。PO₄³⁻ 在处理组表现为快速下降（实验早期最低至 0.06–0.09 mg·L⁻¹），随后出现小幅回升，这一现象可能由藻屏过密时藻体碎屑或表面沉积物分解释放磷所致。

UAS 设计的若干特点有助于提高去除效率：内置藻屏为附着生长提供稳定微环境，红光与循环水流提高了光能利用率与养分传输效率，而较小的蒸发损失可维持体积与浓度稳定；同时，本实验所用水泵流量（265.6 L/h）有利于减小营养物质边界层、促进藻体与水体之间的物质交换。因此观测到的 NO₃⁻ 明显下降与 PO₄³⁻ 的短期吸收能力，与 UAS 的光水耦合与附着生长模式相一致。

基于上述发现，本研究建议在实际应用中应建立定期收割或间歇清理策略，以防止藻屏过密和藻体碎屑堆积导致的营养再释放。试验显示 UAS 藻盒在短期内对水体 N、P 具有显著的去除潜力，但要实现长期稳定运行需配套藻体管理和更完善的监测体系，以避免二次营养释放并保证持续的治理效果。