目前,城市河道的富營(yíng)養(yǎng)化問題依然嚴(yán)重,其原因?yàn)?所接納的城市污水處理廠尾水中含氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量仍然較高、種類依然較多;水體底泥中賦存著大量的不同形態(tài)磷,且隨著水環(huán)境理化特性條件的改變,底泥中的磷會(huì)釋放于上覆水體中,從而成為水華爆發(fā)的重要誘因。 鑒于城市河道水體體量大、形狀不規(guī)則、采用投藥物化法除磷的可操作性差,成本高,探索利用人工可收割或可控制的水生植物或藻類與藍(lán)藻等水華藻進(jìn)行有效競(jìng)爭(zhēng),形成“以藻控藻”的生物調(diào)控技術(shù)方法,旨在尋求一種更加徹底有效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的方法。

　　磷是淡水藻類生長(zhǎng)主要限制因子,但不同藻類對(duì)不同形態(tài)磷利用能力存在很大區(qū)別。 研究表明,微囊藻能夠有效地利用水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)磷源,而包括剛毛藻在內(nèi)的著生藻( attached algae)對(duì)不同形態(tài)磷的去除研究不多。 著生藻是一種附著在浸沒于水體基質(zhì)表面生長(zhǎng)的大型絲狀藻類,具有較好的人工可控性,可循環(huán)吸收營(yíng)養(yǎng)鹽。 一些大型著生藻對(duì)磷等營(yíng)養(yǎng)鹽具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力,能有效抑制微囊藻爆發(fā)。 在城市河道水質(zhì)保持過程中,著生藻技術(shù)作為生物法的一種,具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、藻體易于回收和可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 本研究通過采集天然水體中的剛毛藻,馴化培養(yǎng)后進(jìn)行培養(yǎng)基和實(shí)際水體中不同形態(tài)磷去除的實(shí)驗(yàn)研究,以期為城市河道水體修復(fù)、污水磷深度處理提供理論支持和技術(shù)參考。

　　1　 材料與方法

　　1. 1　 材料

　　藻種 2014 年 9 月 10 日采自以大沽河為水源的天津市西青郊野公園景觀湖。 鏡檢表明,寡枝剛毛藻(Cladophora oligoclona Kütz)為優(yōu)勢(shì)藻。 將寡枝剛毛藻分離后反復(fù)清洗,置于恒溫光照培養(yǎng)箱以 BG11 培養(yǎng)基進(jìn)行馴化培養(yǎng),待繁殖出足夠數(shù)量藻體后取出用去離子水沖洗,并用無(wú)磷培養(yǎng)基饑餓培養(yǎng) 48 h 作為實(shí)驗(yàn)材料。

　　磷源選擇研究中常用的代表性磷源:無(wú)機(jī)磷選用磷酸氫二鉀(K2HPO4 ) ,顆粒磷選用聚合磷酸鹽焦磷酸鈉(Na4 P2O7 ) ,小分子有機(jī)磷選用甘油磷酸鈉(NaGly) ,大分子有機(jī)磷選用卵磷脂( LEC)。

　　1. 2　 實(shí)驗(yàn)方法

　　1. 2. 1　 剛毛藻對(duì)培養(yǎng)基中不同形態(tài)磷去除實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)容器為1 L 的燒杯,4 種形態(tài)磷設(shè)置3 組平行,并以無(wú)藻組為空白進(jìn)行對(duì)照。 依據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置剛毛藻投放量(濕重)為 2 g·L - 1。 稱取經(jīng)饑餓培養(yǎng) 48 h 新鮮藻體 2 g,置于不同形態(tài)磷的培養(yǎng)基中,放入光照培養(yǎng)箱,設(shè)置光照強(qiáng)度為 3 500 lx,溫度為 25 ℃,光暗周期比為 12 h ∶ 12 h。 為了保證不同形態(tài)磷初始濃度處于相同水平進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)中 4 種不同形態(tài)磷濃度的設(shè)置是以與 BG11 培養(yǎng)基中的磷物質(zhì)的量濃度(0. 007 3 mol·L - 1)相等為標(biāo)準(zhǔn)。 因此,4 種形態(tài)磷以換算后相同物質(zhì)的量濃度進(jìn)行培養(yǎng)基配制,而實(shí)驗(yàn)中以實(shí)際測(cè)出磷濃度為準(zhǔn)。

　　1. 2. 2　 剛毛藻對(duì)不同實(shí)際水中磷去除實(shí)驗(yàn)

　　本實(shí)驗(yàn)主要目的是探究剛毛藻對(duì)天然水體和污水廠出水等實(shí)際水中磷的去除效果,以期應(yīng)用于工程實(shí)踐之中。 因此,本研究對(duì)象選用大沽河水、砂過濾出水和某污水廠二級(jí)出水。 實(shí)際水中不同形態(tài)磷指標(biāo)見表 1 ~ 表 3。

表 1　 大沽河水 9—12 月份不同形態(tài)磷平均含量及占總磷比例

表 2　 砂過濾進(jìn)出水 9—12 月份不同形態(tài)磷平均含量及占總磷比例

表 3　 某污水廠進(jìn)水與二級(jí)出水 9—12 月份不同形態(tài)磷平均含量及占總磷比例

　　實(shí)驗(yàn)條件為室內(nèi)模擬自然環(huán)境,自然光強(qiáng)范圍為 8 000 ~ 12 000 lx,光照時(shí)間約 10 h,溫度為 20 ~25 ℃,藻量(濕重)為 2 g·L - 1,每種實(shí)際水設(shè)置 3 個(gè)平行樣,每樣 800 mL,經(jīng) 0. 45 μm 濾膜過濾。 具體操作:稱取經(jīng)饑餓培養(yǎng) 48 h 新鮮剛毛藻 2 g,加入過濾后的實(shí)際水樣中。 置于自然陽(yáng)光環(huán)境下培養(yǎng) 11 d,每隔 48 h 取一次樣。 由于剛毛藻對(duì)實(shí)際水的處理是為了應(yīng)用于除磷工程實(shí)踐,因此本實(shí)驗(yàn)以 TP 和 PO3 -4 作為測(cè)定指標(biāo)。 實(shí)驗(yàn)中以無(wú)藻組為空白進(jìn)行對(duì)照。

　　1. 3　 磷的測(cè)定

　　不同形態(tài)磷的測(cè)定參考《水和廢水檢測(cè)分析方法(第 4 版) 》采用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測(cè)定,溶解性總磷 DTP 是用 0. 45 μm 濾膜過濾后消解測(cè)定總磷;溶解性無(wú)機(jī)磷 DIP 是通過 0. 45 μm 濾膜過濾后直接測(cè)定磷酸鹽;溶解性有機(jī)磷(DOP)和顆粒磷( PP)分別由 DOP = DTP - DIP 和 PP = TP - DTP 計(jì)算。

　　1. 4　 實(shí)驗(yàn)儀器

　　T6-紫外分光光度計(jì)、PGX-450B 恒溫光照培養(yǎng)箱、LDZ5-2A 離心機(jī)、YXQ-LS-18SI 手提式壓力蒸汽滅菌筒。

　　1. 5　 數(shù)據(jù)處理

　　選用 Microsoft office Excel 2007 和 Origin 8. 5 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖。

　　2　 結(jié)果與分析

　　2. 1 剛毛藻對(duì)培養(yǎng)基中不同形態(tài)磷去除實(shí)驗(yàn)

　　圖 1 表明,扣除空白組值后剛毛藻對(duì) 4 種形態(tài)磷去除效果,其中聚合磷酸鹽 7 d 時(shí)去除率達(dá)到最高為 70. 86% ,無(wú)機(jī)磷和小分子有機(jī)磷 8 d 時(shí)去除率達(dá)到最高,分別為 66. 36% 和 62. 72% ,大分子有機(jī)磷14 d 達(dá)到最高去除率 48. 87% 。

　　對(duì)比圖 1 和圖 2 發(fā)現(xiàn),增加空白組值后,4 種形態(tài)磷的去除率有 14. 8% ~ 36. 29% 的增幅。 其中大分子有機(jī)磷去除率增幅最大。 這表明實(shí)驗(yàn)用水中存在微生物,其對(duì)磷具有分解作用;因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明微生物與藻的協(xié)同作用,能夠增強(qiáng)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收利用。 這與孟艷艷等對(duì)微囊藻水華附生菌的代謝特征及對(duì)微囊藻生長(zhǎng)的影響研究結(jié)論一致。 因此,剛毛藻體系中附生微生物的協(xié)同作用不可忽視,其有利于增強(qiáng)剛毛藻對(duì)磷尤其是對(duì)大分子有機(jī)磷的去除。 相關(guān)研究表明,水體中缺乏無(wú)機(jī)磷時(shí),藻類和細(xì)菌體內(nèi)會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生大量磷酸酶,在這種條件下,促進(jìn)藻類對(duì)可酶解磷( PHP)的吸收和利用。 并且堿性磷酸酶活性能夠影響微生物的分解作用,同時(shí)活性有機(jī)磷與堿性磷酸酶活性具有極大相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0. 7。 因此,磷的去除尤其是有機(jī)磷的去除也與微生物作用以及堿性磷酸酶活性等相關(guān)。

　　進(jìn)一步分析剛毛藻對(duì)不同形態(tài)磷去除速率發(fā)現(xiàn),去除速率各不相同且隨時(shí)間不斷變化。 分析原因,這主要與剛毛藻對(duì)不同形態(tài)磷去除的途徑和方式以及微生物協(xié)同作用有關(guān)。 剛毛藻能夠有效地直接利用無(wú)機(jī)磷,并且能夠通過藻體表面吸附由無(wú)機(jī)磷形成的大量聚合態(tài)絡(luò)合物去除聚合磷酸鹽。 與此同時(shí)微生物分解作用也能夠去除聚合磷酸鹽。 因此,前1 ~ 3 d 無(wú)機(jī)磷和聚合磷酸鹽去除速率始終大于有機(jī)磷,并且聚合磷酸鹽去除率不斷增加。 而有機(jī)磷為磷源時(shí),剛毛藻也能夠間接地利用有機(jī)磷,其利用的途徑有 2 方面:一是剛毛藻通過利用由附生微生物作用將有機(jī)磷分解為無(wú)機(jī)磷作為磷源;二是藻體通過分泌胞外磷酸酶,將部分有機(jī)磷有效地轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷再進(jìn)行利用。 并且小分子有機(jī)磷較大分子有機(jī)磷更易轉(zhuǎn)化分解。 由于有機(jī)磷是先降解再去除,因此無(wú)機(jī)磷和聚合磷酸鹽去除速率始終大于有機(jī)磷去除速率,并且小分子有機(jī)磷的去除速率大于大分子有機(jī)磷(圖2) 。 對(duì)比圖1 和圖2 可知,前1 ~ 3 d 時(shí)附生微生物存在的情況下,有機(jī)磷去除速率要明顯大于單獨(dú)藻對(duì)有機(jī)磷的去除速率,因此可以推斷,在前 1 ~ 3 d 時(shí)微生物對(duì)有機(jī)磷的分解作用較大,此時(shí)剛毛藻優(yōu)先利用微生物分解出的無(wú)機(jī)磷,其次利用自身胞外磷酸酶轉(zhuǎn)化的無(wú)機(jī)磷。 并且在整個(gè)過程中,剛毛藻與好養(yǎng)微生物互相提供各自需要的溶解氧、無(wú)機(jī)磷。 兩者形成一種互利共生的關(guān)系。

　　2. 2　 剛毛藻對(duì)不同實(shí)際水中磷去除實(shí)驗(yàn)

　　由表 1 ~ 表 3 可知,總磷濃度中大沽河水 > 二級(jí)出水 > 砂過濾出水。 其中無(wú)機(jī)磷和顆粒磷是大沽河水中主要的磷形態(tài),其占總磷比例分別為 53. 10%和 37. 15% 。 砂過濾出水中以無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷為主。 某污水廠二級(jí)出水中無(wú)機(jī)磷與有機(jī)磷所占比例較大。 而對(duì)比進(jìn)出水不同形態(tài)磷所占比例發(fā)現(xiàn),生化工藝和物化工藝對(duì)有機(jī)磷處理效果均具有不徹底性。 因此,在接納污水廠排水的城市河道等天然水體中,磷是以無(wú)機(jī)磷為主多種形態(tài)磷共同存在的。

　　由圖 3 和圖 4 可知,扣除空白組值后,剛毛藻對(duì)磷 1 ~ 3 d 去除速率大小順序?yàn)?大沽河水 > 砂過濾出水 > 二級(jí)出水;并且 3 d 時(shí) PO3 -4 達(dá)到較高去除率分別為 79. 79% 、72. 60%和 74. 39% ,TP 去除率 5 d 時(shí)才達(dá)到最大。 結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,這主要是與剛毛藻對(duì)磷吸收的選擇性和微生物分解作用有關(guān)。

　　圖 5 和圖 6 表明了剛毛藻與附著微生物共同存在時(shí)對(duì)磷的去除效果。 3 d 時(shí) PO3 -4 和 TP 去除率同時(shí)達(dá)到最高并趨于穩(wěn)定,此時(shí)大沽河水、砂過濾出水和二級(jí)出水中 PO3 -4 去除率分別為 98. 69% 、99. 65% 和98. 25% ,對(duì) TP 去除率分別為 95. 70% 、95. 45%和 95. 36% 。 而扣除空白組值后 TP 有效去除周期為 5 d,可見微生物與藻類協(xié)同作用效果更佳。 本實(shí)驗(yàn)對(duì)磷的去除效果高于凌曉歡與田忠峰研究結(jié)果(剛毛藻對(duì) TP 去除率分別為 73. 9%和 82. 99% ) 。 由湯會(huì)軍等研究可知,由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作等因素影響,會(huì)導(dǎo)致各實(shí)驗(yàn)中藻初始密度和饑餓程度不同,并影響藻對(duì)氮磷的去除效果。

　　對(duì)比有機(jī)磷源培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,剛毛藻對(duì)實(shí)際水中磷去除效率更高,周期更短。 分析原因,主要是由于實(shí)際水體中存在更多種類和數(shù)量的微生物,比如大沽河水中天然的微生物群落、二級(jí)出水中以聚磷菌等為主的微生物。 大量微生物的協(xié)同作用有利于不同形態(tài)磷之間的轉(zhuǎn)化,因此,在微生物協(xié)同作用下水中磷尤其是有機(jī)磷和顆粒磷易于被藻類去除。具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3　 結(jié)論

　　1)不同磷源純培養(yǎng)條件下,剛毛藻對(duì) 4 種形態(tài)磷源能有效去除,剛毛藻能直接利用無(wú)機(jī)磷;聚合磷酸鹽被吸附于藻體表面;有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化吸收需要胞外磷酸酶和附生微生物協(xié)同作用。 剛毛藻在微生物協(xié)同作用下除磷效果更佳顯著,尤其是對(duì)有機(jī)磷的去除率增加到近 70% ,此結(jié)果較單純微生物或者剛毛藻體系都高得多。 微生物與藻的協(xié)同作用機(jī)制值得進(jìn)一步深入研究。

　　2)剛毛藻對(duì)實(shí)際水樣和不同處理工藝出水中包括有機(jī)磷在內(nèi)的多種形態(tài)磷處理效果均較好。 微生物與剛毛藻協(xié)同作用效果下,3 d 時(shí)總磷基本去除完全,此時(shí)大沽河水、砂過濾出水和二級(jí)出水中總磷去除率均達(dá)到 90%以上。

　　3)藻類與附生微生物存在協(xié)同作用關(guān)系,以此為基礎(chǔ)的藻類整治技術(shù)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有水處理工藝除磷的不徹底性,并且可以利用其對(duì)天然水體進(jìn)行修復(fù)。