微藻光合参数的昼夜周期性在湖泊和海洋中有充分记录，归因于环境变量（如光和营养物）的变化以及内源性周期。Ek和Pmax在中午或接近中午达到峰值，然后在傍晚下降是许多物种的典型反应。在本研究中，虽然Ek对光场的变化作出反应，表明良好的适应能力，但Pmax没有，表明微藻在夏季对光捕获优化不佳，在最浅的HRAP中测得的影响最大。对此的一个可能解释是HRAP中的下午碳限制。随着pH从早晨到下午增加，Pmax降低，表明光合作用能力下降。Pmax与pH呈负相关，到下午晚些时候（下午4点），pH随池塘深度减少而显著增加，而Pmax和α随池塘深度减少而显著降低，200毫米深池塘的Pmax和α显著低于300和400毫米深池塘（p<<0.01）。随着白天pH升高，很可能与碳限制相关，微藻在低光下的光合作用效率逐渐降低（由α下降指示），光捕获和光合作用能力降低（由Pmax下降指示），在最浅的200毫米深HRAP中测得的影响最大。

图4 夏季在200毫米（黑点）、300毫米（空心圆）和400毫米（黑倒三角）深度运行的HRAP中，a）上午8点、b）中午12点和c）下午4点测量的光合作用与辐照度光曲线。

图5 废水中最大光合作用速率（Pmax）与pH的关系。

表3 不同深度运行HRAP中冬季和夏季的昼夜光合参数。
参数 冬季 夏季
200 mm 300 mm 400 mm 200 mm 300 mm 400 mm
Pmax 上午8点 5.2±0.4 5.7±0.3 5.6±0.8 11.9±0.9 13.6±1.6 13.5±1.9
Pmax 中午12点 6.3±0.7 6.9±1.2 6.6±0.9 6.1±0.4 7.5±0.3 9.4±0.8
Pmax 下午4点 5.2±0.7 5.6±0.5 5.5±0.4 5.3±1.0 7.1±1.3 10.4±1.4
α 上午8点 0.038±0.001 0.040±0.005 0.043±0.002 0.029±0.0005 0.039±0.01 极0.037±0.005
α 中午12点 0.029±0.002 0.037±0.002 0.034±0.001 0.012±0.0004 0.013±0.0006 0.016±0.001
α 下午4点 0.034±0.0005 0.034±0.001 0.044±0.002 0.014±0.005 0.极16±0.002 0.017±0.003
Ek 上午8点 137 143 131 404±24 384±24 364±49
Ek 中午12点 210 188 193 529±41 576±35 603±53
Ek 下午4点 156 164 126 402±63 439±77 601±57


下午中期的固定瓶孵育氧气（O2）产生测量表明，在每个池塘的所有深度，200毫米的每单位chl-a光合作用低于300和400毫米深池塘。在相同光学深度测量的O2产生在200毫米深池塘中显著低于300和400毫米深池塘（p<<0.01），对于测量的所有三个光学深度。

图6 在200毫米（黑点）、300毫米（空心三角）和400毫米（黑方块）深度运行的HRAP中，水柱中的氧气产生测量。虚线表示补偿深度以下。


表4 夏季下午在相同光学深度（由光衰减值Kd确定）的不同深度HRAP中测量的氧气产生（mg chl-a/hr/L）。

光学深度（%次表层光） 200 mm 300 mm 400 mm
80% 3.85±0.56 7.85±0.92 7.95±0.81
50% 4.48±0.6 8.16±1.3 8.49±0.61
10% 2.98±0.37 4.61±0.71 5.31±0.81


总体而言，这些结果表明，归一化光合速率在冬季和夏季早晨在深度处理之间没有差异，而从夏季中午开始深度之间出现显著差异。然而，尽管如此，最高的chl-a浓度出现在最浅的HRAP中，表明夏季全天200毫米深HRAP中的累积总光合作用与其他HRAP深度相比更大。这很可能是由于细胞通过湍流混合在水柱中循环所需的时间，以及细胞在光补偿深度以下（光合作用=呼吸作用的深度）度过的时间比例。由于距离减半，200毫米深HRAP中的细胞通过水柱循环的频率是400毫米深HRAP中的两倍，在相同时间段内，在补偿深度以下的时间占20%，而400毫米深池塘占40%。这意味着200毫米深池塘中的细胞在最佳光照水平度过的时间几乎是400毫米池塘的3倍。然而，尽管增加了最佳光照时间，但这并没有转化为相对于400毫米深HRAP的chl-a生物量的相同倍数增加，在任何季节都是如此。这表明200毫米深HRAP中的微藻生长比400毫米深HRAP受到更多限制。由于这在所有季节都发生，pH不太可能是限制200毫米深HRAP生长的唯一因素。


3.5. 在全规模系统中的应用


本实验在小规模HRAP中进行，由于HRAP周围的循环时间非常短（分钟），连续混合很容易实现，而全规模HRAP中循环时间可能为1.5小时。如上所述，连续混合很可能使200毫米深HRAP比其他深度具有优势，即使在光合潜力受到中午碳限制负面影响时，也能在夏季实现更大的累积光合作用（因此生长）。然而，在全规模桨轮混合HRAP中，维持足够的湍流混合可能更难实现，其中层流通常是一个问题。在层流下，400毫米深HRAP中的细胞可能比200毫米HRAP中的细胞具有优势，因为它们可以在水柱中保持悬浮更长时间，从而避免在完成池塘循环之前沉降到池塘底部。400毫米深池塘中较高比例的非藻有机物也可能促进较大藻菌絮体的形成，这些絮体更容易通过简单重力收获。较高的非藻有机物也可能为深池塘提供优势，通过呼吸提供更多碳，同时降低氧气浓度，这在HRAP中可能抑制藻类生长。CO2储存能力降低，加上较高的下午pH，意味着全规模200毫米深HRAP将需要更多的CO2添加池来克服碳限制，增加初始资本成本。


在相同停留时间运行时，较浅的HRAP有较少的池塘出水需要处理以收获藻类，而较深HRAP相比，但较大藻菌絮体的潜力以及更高的面积生产力可能意味着较深HRAP在重力收获方面更具商业可行性。如果污水处理是HRAP的主要优先事项，那么400毫米深池塘为相同的废水流提供显著减少的土地面积和资本成本。


4. 结论


将HRAP池塘深度加倍至400毫米导致全年面积生产力比200毫米深池塘增加134%至200%。尽管透光带深度减少且细胞在水柱中移动时经历的总体光照环境降低，但情况如此。400毫米深HRAP中的微藻在封存NH4-N方面更有效，并且在光合作用方面比200毫米深对应物更有效。先前文献表明，最高生产力在较浅池塘中实现，然而，在我们的研究中并非如此。200毫米深HRAP中较高的藻类生物质浓度导致夏季部分时间由于CO2供应不足而出现碳限制。虽然这很可能对池塘生产力产生负面影响，但这并不是较深HRAP优于较浅HRAP的唯一原因，因为冬季或春季碳不受限制。性能改善的原因，特别是关于营养物封存的，尚不清楚。HRAP污水处理的主要目标是通过同化为藻生物质来优化营养物去除，特别是如果与生物燃料生产相结合。基于我们研究的结果，400毫米深HRAP比200毫米深HRAP更好地实现这些目标，全年具有更高的藻生物质产量和每单位土地面积处理的更大废水体积。