剛毛藻除磷的最佳藻量及效果分析

胡帥龍，孫力平，王晨晨，黃盼盼，鐘 遠(yuǎn)，楊 帥

（天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384）

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)藻種采自以大沽河為水源的天津市西青郊野公園，顯微鏡鏡檢表明，藻體以寡枝剛毛藻（cladophora oligoclona）為優(yōu)勢藻，同時(shí)存在其他藻類.將寡枝剛毛藻藻絲分離出來后，用蒸餾水反復(fù)清洗藻體，去除附著藻體表面的雜質(zhì)和其他藻類，置于稀釋4 倍的BG11 培養(yǎng)基（模擬藻體原生長水質(zhì)環(huán)境）中，待培養(yǎng)出足夠數(shù)量新生藻絲后，再轉(zhuǎn)移至蒸餾水中“饑餓”培養(yǎng)3 d，目的是消耗藻體內(nèi)磷，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn).

1.1 剛毛藻最佳藻量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將剛毛藻置于1 L 燒杯，分別加入800 mL 稀釋4倍的BG11 培養(yǎng)基（含磷量約為1.8～1.9 mg/L）和大沽河水（含磷量約為1.4～1.5 mg/L），并用紗布包扎好瓶口，防止灰塵或其他雜質(zhì)落入，整個(gè)過程在潔凈工作臺(tái)上進(jìn)行，最后放入已用紫外燈消毒的光照培養(yǎng)箱中，光照為 2 800 lx，光暗比為 16 ∶8，溫度為 24 ℃.藻量（濕重）梯度為 0，1，2，3，4 g/L，其中 0 g/L 為空白組，其他組為實(shí)驗(yàn)組，每組分別設(shè)置3 個(gè)平行樣.監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)設(shè)為第 1 天、第 3 天、第 5 天、第 7 天、第 9 天、第11 天.稀釋4 倍的BG11 培養(yǎng)基的檢測指標(biāo)為PO4-P，大沽河水的檢測指標(biāo)為PO4-P、TP、溫度.

1.2 剛毛藻凈化景觀水原水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)條件為室內(nèi)模擬環(huán)境，光照為8 000～12 000 lx，溫度為20～25 ℃，投加藻量（濕重）為2 g/L，每種處理水設(shè)置3 個(gè)平行樣.實(shí)驗(yàn)用水為大沽河水和某污水處理廠二級(jí)出水，置于1 L 的燒杯中培養(yǎng).監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)設(shè)為第 1 天、第 3 天、第 5 天、第 7 天、第 9 天、第 11 天.檢測項(xiàng)目有TP、PO4-P、Chl-a、剛毛藻生物量和微藻細(xì)胞數(shù)量.

1.3 實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)的測定及數(shù)據(jù)處理

總磷和磷酸鹽等參數(shù)測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[11]；剛毛藻濕重的測定方法為濾紙吸取水分后稱重[12]；采用分光光度法來測定Chl-a 濃度的大??；浮游藻類的識(shí)別可按照胡鴻鈞等[13]規(guī)定的方法進(jìn)行識(shí)別；浮游藻類的計(jì)數(shù)方法采用血球計(jì)數(shù)板法.

剛毛藻生物量的計(jì)量方法：

（1）實(shí)驗(yàn)開始及結(jié)束階段，將剛毛藻取出，先使用真空抽濾，再用濾紙進(jìn)一步吸水，放入電子天平中稱量，記錄藻重.

（2）將電子天平上的剛毛藻取下，重復(fù)步驟（1），直至相鄰兩次稱量的差值不超過2 mg，記錄最后一次的藻重為最終的數(shù)值.

老賈一搖手：“山不在高，有仙則靈。我老家那里的和尚很有名，據(jù)說都是反右時(shí)逃難躲進(jìn)破廟里的，后來也不想還俗了，干脆當(dāng)起了真和尚。村里有什么疑難雜癥，反倒去找他的治好了?！?/p>

（3）以上步驟重復(fù)3 次，取平均值作為藻體的濕重.

抑藻率計(jì)算公式：抑藻率=（空白組藻數(shù)量-實(shí)驗(yàn)組藻數(shù)量）/空白組藻數(shù)量

使用 Microsoft office Excel 2016 和 Origin 2017 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 剛毛藻最佳藻量

2.1.1 培養(yǎng)基剛毛藻最佳藻量

圖1 為培養(yǎng)基不同時(shí)間PO4-P 質(zhì)量濃度變化，可以看出實(shí)驗(yàn)組前3 天PO4-P 質(zhì)量濃度下降明顯，到第3 天時(shí)，實(shí)驗(yàn)組中PO4-P 的平均質(zhì)量濃度為0.47 mg/L，各實(shí)驗(yàn)組平均去除率達(dá)到了74.65%. 林秋奇等[14]指出，水網(wǎng)藻能快速吸收氮磷，水網(wǎng)藻在前3 天幾乎完成了對各種營養(yǎng)鹽的吸收.張新龍等[15]指出，PO4-P 在第3 天達(dá)到很高的去除率，和本實(shí)驗(yàn)中剛毛藻在前3天對磷的去除率較高的現(xiàn)象一致.

在3～7 d PO4-P 質(zhì)量濃度下降較緩，分析為第3天以后剛毛藻主要利用藻體內(nèi)儲(chǔ)存的磷，到第7 天時(shí)實(shí)驗(yàn)組中PO4-P 的平均質(zhì)量濃度為0.40 mg/L，PO4-P平均去除率為78.12%，相對第3 天僅僅升高了3.47%.在7～9 d PO4-P 質(zhì)量濃度下降較快，分析為第7 天以后藻體內(nèi)的磷不足以維持其生長代謝，剛毛藻需要再次吸收周圍環(huán)境中的磷，最終平均去除率為98.56%.在前7 天的過程中，1 g/L 組去除率明顯低于其他組別，可見，1 g/L 組較其他三組吸收磷處理效果差.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，2 g/L 組同 3 g/L 組、4 g/L 組有近似的處理效果，并且最終的PO4-P 也均趨于零. 可見，如果在2 g/L 的基礎(chǔ)上增加投藻量并不會(huì)明顯的提升PO4-P 去除速度和去除率.

表1 為在不同投藻量下培養(yǎng)基中生物量（濕重）變化情況，可以看出2 g/L 組具有最大的生物量增量，增加百分比為156.00%，均大于3 g/L 組和4 g/L 組；2 g/L組最終藻量 5.12 g/L，雖然小于 3 g/L 組、4 g/L 組的 5.97 g/L 和 6.49 g /L 值，但 3 g/L 組、4 g/L 組對PO4-P 的去除效果與2 g/L 組相同，因?yàn)樵宓纳L會(huì)受光照和自身競爭等原因的限制，藻量過多，藻密度過大，會(huì)抑制藻的代謝.

綜上所述，在培養(yǎng)基PO4-P 初始質(zhì)量濃度≤2 mg/L的理想條件下，剛毛藻在培養(yǎng)基中的最佳投藻量（濕重）為2 g/L.

表1 培養(yǎng)基中各組生物量（濕重）變化

2.1.2 大沽河水剛毛藻最佳藻量

圖2 為在不同投藻量下，大沽河水PO4-P 質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化情況. 在4 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中，大沽河水中PO4-P 質(zhì)量濃度在前3 天下降較快，第3 天時(shí)各組PO4-P 質(zhì)量濃度均值為0.12 mg/L，平均去除率為92.06%，可見，在實(shí)際水體培養(yǎng)條件下，剛毛藻同樣存在過度吸收磷并儲(chǔ)存現(xiàn)象.PO4-P 質(zhì)量濃度在第11 天達(dá)到最低值且趨于零，平均去除率達(dá)到99.44%. 空白組在0～9 d 降幅較大，第9 天時(shí)的PO4-P 質(zhì)量濃度為0.44 mg/L，去除率為67.98%，這與培養(yǎng)基條件下空白組幾乎無變化存在明顯差別，這可能是因?yàn)楹铀泻写罅靠衫昧椎奈⑸锊⑵鸬搅私档土诐舛鹊淖饔盟?

圖3 為在不同投藻量下，大沽河水TP 質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化情況.TP 質(zhì)量濃度在第7 天達(dá)到最低，實(shí)驗(yàn)組中TP 質(zhì)量濃度均值為0.12 mg/L，平均去除率為93.66%；在第7 天至第11 天期間，TP 質(zhì)量濃度小幅升高，第11 天TP 均值上升為0.22 mg/L，這可能是藻體釋放或部分剛毛藻死亡分解所致，表明投藻時(shí)間7 d 為佳.

圖2 大沽河水不同時(shí)間PO4-P 質(zhì)量濃度變化

圖3 大沽河水不同時(shí)間TP 質(zhì)量濃度變化

對比圖 1 和圖 2 可知，第 3 天、第 5 天、第 7 天各實(shí)驗(yàn)組河水中PO4-P 平均去除率分別為91.98%，94.75%，96.59%，均高于培養(yǎng)基中的PO4-P 平均去除率74.65%，76.39%，78.13%. 這是因?yàn)閯偯灞砻娴募?xì)菌可增強(qiáng)藻類對不易吸收的形態(tài)磷的轉(zhuǎn)化并供藻類利用[16]，表明大沽河水中形成菌藻共生系統(tǒng)，其對磷的處理效率優(yōu)于純種剛毛藻，在利用藻類處理污水的技術(shù)中，菌藻共生系統(tǒng)具有較強(qiáng)的凈化優(yōu)勢[17]. 藻類通過光合作用產(chǎn)生氧氣，作為好氧細(xì)菌呼吸降解污染物的電子受體去除污染物，同時(shí)細(xì)菌呼吸產(chǎn)生的二氧化碳也能供藻類進(jìn)行光合作用[18].

表2 為不同投藻量下，大沽河水生物量（濕重）變化，可見，2 g/L 組生物量增量為4.06 g/L，均大于其他3 組生物量增量，這同在培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí)的現(xiàn)象及規(guī)律相同.

綜合考慮，從河水中PO4-P、TP 質(zhì)量濃度的變化和不同藻組生物量的變化，可以確定，在現(xiàn)實(shí)條件下，溫度為20～25 ℃時(shí)，大沽排污河水中剛毛藻的最佳投藻量（濕重）為2 g/L，最佳投藻時(shí)間為7 d.

表2 大沽河水各組生物量（濕重）變化

2.2 剛毛藻對景觀水原水除磷效果及生物量變化

圖4 和圖5 分別為不同原水中PO4-P 質(zhì)量濃度變化和不同原水中TP 質(zhì)量濃度變化.

圖4 不同原水中PO4-P 質(zhì)量濃度變化

圖5 不同原水中TP質(zhì)量濃度變化

由圖4 和圖5 可知，PO4-P 和TP 質(zhì)量濃度在前3天降幅較大.第3 天時(shí)，河水和某水廠二級(jí)出水的TP質(zhì)量濃度分別為0.10 mg/L 和0.11 mg/L，去除率分別為95.70%和95.36%；PO4-P 質(zhì)量濃度分別為0.03 mg/L和0.03mg/L，去除率分別為98.69%和98.25%.第3 天后趨于平穩(wěn)，河水和某水廠二級(jí)出水的TP 最終質(zhì)量濃度分別為0.07 mg/L 和0.13 mg/L，去除率分別為96.88%和94.46%，分別符合地表水Ⅱ類和地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；PO4-P 最終質(zhì)量濃度分別為0.01 mg/L和0.002 mg/L，最終去除率分別為99.74%和99.93%，這說明剛毛藻對景觀水體有很好的除磷效果.況琪軍[19]利用剛毛藻處理富營養(yǎng)化湖泊水時(shí)發(fā)現(xiàn)，剛毛藻對PO4-P 和TP 的去除率分別為79.67%和77.66%，均低于本實(shí)驗(yàn)中去除率.這可能與光照條件不同有關(guān)[20]，況琪軍實(shí)驗(yàn)的光照條件為光暗比14 ∶10，而本實(shí)驗(yàn)的光照條件為光暗比16 ∶8，可能此光照條件對剛毛藻的除磷更有利.另外由湯會(huì)軍等[21]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，并影響藻對氮磷的去除效果.

表3 為不同實(shí)驗(yàn)組生物量（濕重）變化，河水中生物量增加百分比為43.13%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二級(jí)出水中生物量增加百分比115.13%，其原因可能是因?yàn)楹铀唇?jīng)任何處理，成分復(fù)雜，其中某些有毒有害物質(zhì)可能抑制了剛毛藻的生長；也可能是污水處理廠尾水中，氮磷營養(yǎng)物質(zhì)比較豐富，有除磷脫氮工藝的水廠尾水中富含相應(yīng)的除磷脫氮菌，營造了相對于河水更好的“菌藻共生”體系所致.?elekli 等[22]的研究也說明了多種環(huán)境因素對于藻類生長都有影響.

表3 不同實(shí)驗(yàn)組生物量（濕重）變化

2.3 剛毛藻對景觀水浮游藻類的抑制

Chl-a 的多少直接反映藻類光合作用的強(qiáng)弱及生長狀態(tài)的好壞[23]. 表4 為不同實(shí)驗(yàn)組Chl-a 的變化，對比空白組和實(shí)驗(yàn)組的Chl-a 質(zhì)量濃度，空白組中二者的Chl-a 質(zhì)量濃度變化量分別為-18.740 μg/L 和7.340 μg/L，而投加剛毛藻后（實(shí)驗(yàn)組）其Chl-a 質(zhì)量濃度均表現(xiàn)出抑制，Chl-a 質(zhì)量濃度變化量分別為-54.530 μg/L 和4.680 μg/L，說明剛毛藻對微藻的生長具有抑制作用，且河水中的剛毛藻對于微藻的抑制作用顯著，河水中Chl-a 質(zhì)量濃度出現(xiàn)了負(fù)增長，但幅度小于實(shí)驗(yàn)組，某水廠二級(jí)出水中Chl-a 質(zhì)量濃度的增量也要低于空白組. 陳衛(wèi)民[24]指出，水生植物可以釋放某種化感物質(zhì)抑制浮游藻類的光合作用，從而抑制了浮游藻類的生長并致其死亡. 雷國元[6]指出和水生植物一樣，剛毛藻與微藻之間存在化感現(xiàn)象，剛毛藻會(huì)分泌抑制微藻生長的化感物質(zhì).從Chl-a 的質(zhì)量濃度變化說明剛毛藻對微藻的生長有很好的抑制作用.

表4 不同實(shí)驗(yàn)組Chl-a 變化 μg/L

表5 為不同實(shí)驗(yàn)組微藻細(xì)胞數(shù)量的變化，對比空白組和實(shí)驗(yàn)組的微藻細(xì)胞數(shù)量，實(shí)驗(yàn)組中河水和某水廠二級(jí)出水的藻細(xì)胞數(shù)量增量分別為-1.8×105個(gè)/mL和 2.0×104個(gè)/mL；均小于空白組中二者的藻細(xì)胞數(shù)量的增量（-6×104個(gè)/mL 和 3.1×104個(gè)/mL），也進(jìn)一步說明了剛毛藻對微藻生長具有抑制作用，根據(jù)抑藻率公式計(jì)算可得，大沽排污河河水的抑藻率為50%，某污水處理廠二級(jí)出水的抑藻率為35.48%.

表5 不同實(shí)驗(yàn)組微藻細(xì)胞數(shù)量變化 個(gè)/mL

從Chl-a 質(zhì)量濃度和微藻細(xì)胞數(shù)量的變化量可以看出，剛毛藻對微藻的生長產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用.這可能是剛毛藻對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和浮游藻類形成了競爭關(guān)系，且剛毛藻競爭力強(qiáng)；也可能是剛毛藻分泌的化感物質(zhì)抑制了浮游藻類的生長.

3 結(jié) 論

（1）在原水初始TP 質(zhì)量濃度低于2 mg/L 時(shí)，剛毛藻的最佳藻量（濕重）為2 g/L，最佳投藻時(shí)間為7 d，TP去除率為93.66%，PO4-P 去除率為99.44%.增加投藻量并不會(huì)明顯地提升TP 去除速度和去除率，且延長投藻時(shí)間會(huì)因藻類死亡引起TP 值的上升.

（2）相比單一剛毛藻，菌藻共生系統(tǒng)對原水除磷效果更好，剛毛藻用于河道水和城市污水二級(jí)處理出水除磷效果良好，河水和某水廠二級(jí)出水的TP 最終去除率分別為96.88%和94.46%，質(zhì)量濃度分別為0.07 mg/L和0.13mg/L，PO4-P 最終去除率分別為99.74%和99.93%，最終質(zhì)量濃度分別為0.01 mg/L 和0.002 mg/L.

（3）剛毛藻不僅可有效吸收水體中磷，而且對可能形成水華的微藻有很好的抑制作用，其中大沽河水的抑藻率為50%，某污水處理廠二級(jí)出水的抑藻率為35.48%，說明可以利用其易附著特性來凈化城市景觀水體原水.