目前,城市河道的富營(yíng)養化問(wèn)題依然嚴重,其原因為:所接納的城市污水處理廠(chǎng)尾水中含氮磷等營(yíng)養物質(zhì)的數量仍然較高、種類(lèi)依然較多;水體底泥中賦存著(zhù)大量的不同形態(tài)磷,且隨著(zhù)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(lèi)與藍藻等水華藻進(jìn)行有效競爭,形成“以藻控藻”的生物調控技術(shù)方法,旨在尋求一種更加徹底有效、經(jīng)濟環(huán)保的控制水體富營(yíng)養化的方法。
磷是淡水藻類(lèi)生長(cháng)主要限制因子,但不同藻類(lèi)對不同形態(tài)磷利用能力存在很大區別。 研究表明,微囊藻能夠有效地利用水中的有機和無(wú)機磷源,而包括剛毛藻在內的著(zhù)生藻( attached algae)對不同形態(tài)磷的去除研究不多。 著(zhù)生藻是一種附著(zhù)在浸沒(méi)于水體基質(zhì)表面生長(cháng)的大型絲狀藻類(lèi),具有較好的人工可控性,可循環(huán)吸收營(yíng)養鹽。 一些大型著(zhù)生藻對磷等營(yíng)養鹽具有較強競爭能力,能有效抑制微囊藻爆發(fā)。 在城市河道水質(zhì)保持過(guò)程中,著(zhù)生藻技術(shù)作為生物法的一種,具有經(jīng)濟環(huán)保、藻體易于回收和可控性強等優(yōu)點(diǎn)。 本研究通過(guò)采集天然水體中的剛毛藻,馴化培養后進(jìn)行培養基和實(shí)際水體中不同形態(tài)磷去除的實(shí)驗研究,以期為城市河道水體修復、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(guān)湖。 鏡檢表明,寡枝剛毛藻(Cladophora oligoclona Kütz)為優(yōu)勢藻。 將寡枝剛毛藻分離后反復清洗,置于恒溫光照培養箱以 BG11 培養基進(jìn)行馴化培養,待繁殖出足夠數量藻體后取出用去離子水沖洗,并用無(wú)磷培養基饑餓培養 48 h 作為實(shí)驗材料。
磷源選擇研究中常用的代表性磷源:無(wú)機磷選用磷酸氫二鉀(K2HPO4 ) ,顆粒磷選用聚合磷酸鹽焦磷酸鈉(Na4 P2O7 ) ,小分子有機磷選用甘油磷酸鈉(NaGly) ,大分子有機磷選用卵磷脂( LEC)。
1. 2 實(shí)驗方法
1. 2. 1 剛毛藻對培養基中不同形態(tài)磷去除實(shí)驗
實(shí)驗容器為1 L 的燒杯,4 種形態(tài)磷設置3 組平行,并以無(wú)藻組為空白進(jìn)行對照。 依據前期實(shí)驗結果,設置剛毛藻投放量(濕重)為 2 g·L - 1。 稱(chēng)取經(jīng)饑餓培養 48 h 新鮮藻體 2 g,置于不同形態(tài)磷的培養基中,放入光照培養箱,設置光照強度為 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)驗中 4 種不同形態(tài)磷濃度的設置是以與 BG11 培養基中的磷物質(zhì)的量濃度(0. 007 3 mol·L - 1)相等為標準。 因此,4 種形態(tài)磷以換算后相同物質(zhì)的量濃度進(jìn)行培養基配制,而實(shí)驗中以實(shí)際測出磷濃度為準。
1. 2. 2 剛毛藻對不同實(shí)際水中磷去除實(shí)驗
本實(shí)驗主要目的是探究剛毛藻對天然水體和污水廠(chǎng)出水等實(shí)際水中磷的去除效果,以期應用于工程實(shí)踐之中。 因此,本研究對象選用大沽河水、砂過(guò)濾出水和某污水廠(chǎng)二級出水。 實(shí)際水中不同形態(tài)磷指標見(jiàn)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(guò)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(chǎng)進(jìn)水與二級出水 9—12 月份不同形態(tài)磷平均含量及占總磷比例
實(shí)驗條件為室內模擬自然環(huán)境,自然光強范圍為 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)際水設置 3 個(gè)平行樣,每樣 800 mL,經(jīng) 0. 45 μm 濾膜過(guò)濾。 具體操作:稱(chēng)取經(jīng)饑餓培養 48 h 新鮮剛毛藻 2 g,加入過(guò)濾后的實(shí)際水樣中。 置于自然陽(yáng)光環(huán)境下培養 11 d,每隔 48 h 取一次樣。 由于剛毛藻對實(shí)際水的處理是為了應用于除磷工程實(shí)踐,因此本實(shí)驗以 TP 和 PO3 -4 作為測定指標。 實(shí)驗中以無(wú)藻組為空白進(jìn)行對照。
1. 3 磷的測定
不同形態(tài)磷的測定參考《水和廢水檢測分析方法(第 4 版) 》采用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測定,溶解性總磷 DTP 是用 0. 45 μm 濾膜過(guò)濾后消解測定總磷;溶解性無(wú)機磷 DIP 是通過(guò) 0. 45 μm 濾膜過(guò)濾后直接測定磷酸鹽;溶解性有機磷(DOP)和顆粒磷( PP)分別由 DOP = DTP - DIP 和 PP = TP - DTP 計算。
1. 4 實(shí)驗儀器
T6-紫外分光光度計、PGX-450B 恒溫光照培養箱、LDZ5-2A 離心機、YXQ-LS-18SI 手提式壓力蒸汽滅菌筒。
1. 5 數據處理
選用 Microsoft office Excel 2007 和 Origin 8. 5 軟件進(jìn)行數據分析與繪圖。
2 結果與分析
2. 1 剛毛藻對培養基中不同形態(tài)磷去除實(shí)驗
圖 1 表明,扣除空白組值后剛毛藻對 4 種形態(tài)磷去除效果,其中聚合磷酸鹽 7 d 時(shí)去除率達到最高為 70. 86% ,無(wú)機磷和小分子有機磷 8 d 時(shí)去除率達到最高,分別為 66. 36% 和 62. 72% ,大分子有機磷14 d 達到最高去除率 48. 87% 。
對比圖 1 和圖 2 發(fā)現,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。 其中大分子有機磷去除率增幅最大。 這表明實(shí)驗用水中存在微生物,其對磷具有分解作用;因此實(shí)驗結果說(shuō)明微生物與藻的協(xié)同作用,能夠增強藻對營(yíng)養鹽的吸收利用。 這與孟艷艷等對微囊藻水華附生菌的代謝特征及對微囊藻生長(cháng)的影響研究結論一致。 因此,剛毛藻體系中附生微生物的協(xié)同作用不可忽視,其有利于增強剛毛藻對磷尤其是對大分子有機磷的去除。 相關(guān)研究表明,水體中缺乏無(wú)機磷時(shí),藻類(lèi)和細菌體內會(huì )誘導產(chǎn)生大量磷酸酶,在這種條件下,促進(jìn)藻類(lèi)對可酶解磷( 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)活性有機磷與堿性磷酸酶活性具有極大相關(guān)性,相關(guān)系數達到 0. 7。 因此,磷的去除尤其是有機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)一步分析剛毛藻對不同形態(tài)磷去除速率發(fā)現,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)機磷,并且能夠通過(guò)藻體表面吸附由無(wú)機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)機磷和聚合磷酸鹽去除速率始終大于有機磷,并且聚合磷酸鹽去除率不斷增加。 而有機磷為磷源時(shí),剛毛藻也能夠間接地利用有機磷,其利用的途徑有 2 方面:一是剛毛藻通過(guò)利用由附生微生物作用將有機磷分解為無(wú)機磷作為磷源;二是藻體通過(guò)分泌胞外磷酸酶,將部分有機磷有效地轉化為無(wú)機磷再進(jìn)行利用。 并且小分子有機磷較大分子有機磷更易轉化分解。 由于有機磷是先降解再去除,因此無(wú)機磷和聚合磷酸鹽去除速率始終大于有機磷去除速率,并且小分子有機磷的去除速率大于大分子有機磷(圖2) 。 對比圖1 和圖2 可知,前1 ~ 3 d 時(shí)附生微生物存在的情況下,有機磷去除速率要明顯大于單獨藻對有機磷的去除速率,因此可以推斷,在前 1 ~ 3 d 時(shí)微生物對有機磷的分解作用較大,此時(shí)剛毛藻優(yōu)先利用微生物分解出的無(wú)機磷,其次利用自身胞外磷酸酶轉化的無(wú)機磷。 并且在整個(gè)過(guò)程中,剛毛藻與好養微生物互相提供各自需要的溶解氧、無(wú)機磷。 兩者形成一種互利共生的關(guān)系。
2. 2 剛毛藻對不同實(shí)際水中磷去除實(shí)驗
由表 1 ~ 表 3 可知,總磷濃度中大沽河水 > 二級出水 > 砂過(guò)濾出水。 其中無(wú)機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(guò)濾出水中以無(wú)機磷和有機磷為主。 某污水廠(chǎng)二級出水中無(wú)機磷與有機磷所占比例較大。 而對比進(jìn)出水不同形態(tài)磷所占比例發(fā)現,生化工藝和物化工藝對有機磷處理效果均具有不徹底性。 因此,在接納污水廠(chǎng)排水的城市河道等天然水體中,磷是以無(wú)機磷為主多種形態(tài)磷共同存在的。
由圖 3 和圖 4 可知,扣除空白組值后,剛毛藻對磷 1 ~ 3 d 去除速率大小順序為:大沽河水 > 砂過(guò)濾出水 > 二級出水;并且 3 d 時(shí) PO3 -4 達到較高去除率分別為 79. 79% 、72. 60%和 74. 39% ,TP 去除率 5 d 時(shí)才達到最大。 結合前期實(shí)驗結果可知,這主要是與剛毛藻對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(zhù)微生物共同存在時(shí)對磷的去除效果。 3 d 時(shí) PO3 -4 和 TP 去除率同時(shí)達到最高并趨于穩定,此時(shí)大沽河水、砂過(guò)濾出水和二級出水中 PO3 -4 去除率分別為 98. 69% 、99. 65% 和98. 25% ,對 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(jiàn)微生物與藻類(lèi)協(xié)同作用效果更佳。 本實(shí)驗對磷的去除效果高于凌曉歡與田忠峰研究結果(剛毛藻對 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)驗環(huán)境、實(shí)驗條件和實(shí)驗操作等因素影響,會(huì )導致各實(shí)驗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。
對比有機磷源培養基實(shí)驗結果可知,剛毛藻對實(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(lèi)和數量的微生物,比如大沽河水中天然的微生物群落、二級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)磷之間的轉化,因此,在微生物協(xié)同作用下水中磷尤其是有機磷和顆粒磷易于被藻類(lèi)去除。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
1)不同磷源純培養條件下,剛毛藻對 4 種形態(tài)磷源能有效去除,剛毛藻能直接利用無(wú)機磷;聚合磷酸鹽被吸附于藻體表面;有機磷的轉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(zhù),尤其是對有機磷的去除率增加到近 70% ,此結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)同作用機制值得進(jìn)一步深入研究。
2)剛毛藻對實(shí)際水樣和不同處理工藝出水中包括有機磷在內的多種形態(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(guò)濾出水和二級出水中總磷去除率均達到 90%以上。
3)藻類(lèi)與附生微生物存在協(xié)同作用關(guān)系,以此為基礎的藻類(lèi)整治技術(shù)可以彌補現有水處理工藝除磷的不徹底性,并且可以利用其對天然水體進(jìn)行修復。
