目前,城市河道的富营养化问题依然严重,其原因为:所接纳的城市污水处理厂尾水中含氮磷等营养物质的数量仍然较高、种类依然较多;水体底泥中赋存着大量的不同形态磷,且随着水环境理化特性条件的改变,底泥中的磷会释放于上覆水体中,从而成为水华爆发的重要诱因。 鉴于城市河道水体体量大、形状不规则、采用投药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类与蓝藻等水华藻进行有效竞争,形成“以藻控藻”的生物调控技术方法,旨在寻求一种更加彻底有效、经济环保的控制水体富营养化的方法。
磷是淡水藻类生长主要限制因子,但不同藻类对不同形态磷利用能力存在很大区别。 研究表明,微囊藻能够有效地利用水中的有机和无机磷源,而包括刚毛藻在内的着生藻( attached algae)对不同形态磷的去除研究不多。 着生藻是一种附着在浸没于水体基质表面生长的大型丝状藻类,具有较好的人工可控性,可循环吸收营养盐。 一些大型着生藻对磷等营养盐具有较强竞争能力,能有效抑制微囊藻爆发。 在城市河道水质保持过程中,着生藻技术作为生物法的一种,具有经济环保、藻体易于回收和可控性强等优点。 本研究通过采集天然水体中的刚毛藻,驯化培养后进行培养基和实际水体中不同形态磷去除的实验研究,以期为城市河道水体修复、污水磷深度处理提供理论支持和技术参考。
1 材料与方法
1. 1 材料
藻种 2014 年 9 月 10 日采自以大沽河为水源的天津市西青郊野公园景观湖。 镜检表明,寡枝刚毛藻(Cladophora oligoclona Kütz)为优势藻。 将寡枝刚毛藻分离后反复清洗,置于恒温光照培养箱以 BG11 培养基进行驯化培养,待繁殖出足够数量藻体后取出用去离子水冲洗,并用无磷培养基饥饿培养 48 h 作为实验材料。
磷源选择研究中常用的代表性磷源:无机磷选用磷酸氢二钾(K2HPO4 ) ,颗粒磷选用聚合磷酸盐焦磷酸钠(Na4 P2O7 ) ,小分子有机磷选用甘油磷酸钠(NaGly) ,大分子有机磷选用卵磷脂( LEC)。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 刚毛藻对培养基中不同形态磷去除实验
实验容器为1 L 的烧杯,4 种形态磷设置3 组平行,并以无藻组为空白进行对照。 依据前期实验结果,设置刚毛藻投放量(湿重)为 2 g·L - 1。 称取经饥饿培养 48 h 新鲜藻体 2 g,置于不同形态磷的培养基中,放入光照培养箱,设置光照强度为 3 500 lx,温度为 25 ℃,光暗周期比为 12 h ∶ 12 h。 为了保证不同形态磷初始浓度处于相同水平进行比较,实验中 4 种不同形态磷浓度的设置是以与 BG11 培养基中的磷物质的量浓度(0. 007 3 mol·L - 1)相等为标准。 因此,4 种形态磷以换算后相同物质的量浓度进行培养基配制,而实验中以实际测出磷浓度为准。
1. 2. 2 刚毛藻对不同实际水中磷去除实验
本实验主要目的是探究刚毛藻对天然水体和污水厂出水等实际水中磷的去除效果,以期应用于工程实践之中。 因此,本研究对象选用大沽河水、砂过滤出水和某污水厂二级出水。 实际水中不同形态磷指标见表 1 ~ 表 3。
表 1 大沽河水 9—12 月份不同形态磷平均含量及占总磷比例
表 2 砂过滤进出水 9—12 月份不同形态磷平均含量及占总磷比例
表 3 某污水厂进水与二级出水 9—12 月份不同形态磷平均含量及占总磷比例
实验条件为室内模拟自然环境,自然光强范围为 8 000 ~ 12 000 lx,光照时间约 10 h,温度为 20 ~25 ℃,藻量(湿重)为 2 g·L - 1,每种实际水设置 3 个平行样,每样 800 mL,经 0. 45 μm 滤膜过滤。 具体操作:称取经饥饿培养 48 h 新鲜刚毛藻 2 g,加入过滤后的实际水样中。 置于自然阳光环境下培养 11 d,每隔 48 h 取一次样。 由于刚毛藻对实际水的处理是为了应用于除磷工程实践,因此本实验以 TP 和 PO3 -4 作为测定指标。 实验中以无藻组为空白进行对照。
1. 3 磷的测定
不同形态磷的测定参考《水和废水检测分析方法(第 4 版) 》采用钼锑抗分光光度法进行测定,溶解性总磷 DTP 是用 0. 45 μm 滤膜过滤后消解测定总磷;溶解性无机磷 DIP 是通过 0. 45 μm 滤膜过滤后直接测定磷酸盐;溶解性有机磷(DOP)和颗粒磷( PP)分别由 DOP = DTP - DIP 和 PP = TP - DTP 计算。
1. 4 实验仪器
T6-紫外分光光度计、PGX-450B 恒温光照培养箱、LDZ5-2A 离心机、YXQ-LS-18SI 手提式压力蒸汽灭菌筒。
1. 5 数据处理
选用 Microsoft office Excel 2007 和 Origin 8. 5 软件进行数据分析与绘图。
2 结果与分析
2. 1 刚毛藻对培养基中不同形态磷去除实验
图 1 表明,扣除空白组值后刚毛藻对 4 种形态磷去除效果,其中聚合磷酸盐 7 d 时去除率达到最高为 70. 86% ,无机磷和小分子有机磷 8 d 时去除率达到最高,分别为 66. 36% 和 62. 72% ,大分子有机磷14 d 达到最高去除率 48. 87% 。
对比图 1 和图 2 发现,增加空白组值后,4 种形态磷的去除率有 14. 8% ~ 36. 29% 的增幅。 其中大分子有机磷去除率增幅最大。 这表明实验用水中存在微生物,其对磷具有分解作用;因此实验结果说明微生物与藻的协同作用,能够增强藻对营养盐的吸收利用。 这与孟艳艳等对微囊藻水华附生菌的代谢特征及对微囊藻生长的影响研究结论一致。 因此,刚毛藻体系中附生微生物的协同作用不可忽视,其有利于增强刚毛藻对磷尤其是对大分子有机磷的去除。 相关研究表明,水体中缺乏无机磷时,藻类和细菌体内会诱导产生大量磷酸酶,在这种条件下,促进藻类对可酶解磷( PHP)的吸收和利用。 并且碱性磷酸酶活性能够影响微生物的分解作用,同时活性有机磷与碱性磷酸酶活性具有极大相关性,相关系数达到 0. 7。 因此,磷的去除尤其是有机磷的去除也与微生物作用以及碱性磷酸酶活性等相关。
进一步分析刚毛藻对不同形态磷去除速率发现,去除速率各不相同且随时间不断变化。 分析原因,这主要与刚毛藻对不同形态磷去除的途径和方式以及微生物协同作用有关。 刚毛藻能够有效地直接利用无机磷,并且能够通过藻体表面吸附由无机磷形成的大量聚合态络合物去除聚合磷酸盐。 与此同时微生物分解作用也能够去除聚合磷酸盐。 因此,前1 ~ 3 d 无机磷和聚合磷酸盐去除速率始终大于有机磷,并且聚合磷酸盐去除率不断增加。 而有机磷为磷源时,刚毛藻也能够间接地利用有机磷,其利用的途径有 2 方面:一是刚毛藻通过利用由附生微生物作用将有机磷分解为无机磷作为磷源;二是藻体通过分泌胞外磷酸酶,将部分有机磷有效地转化为无机磷再进行利用。 并且小分子有机磷较大分子有机磷更易转化分解。 由于有机磷是先降解再去除,因此无机磷和聚合磷酸盐去除速率始终大于有机磷去除速率,并且小分子有机磷的去除速率大于大分子有机磷(图2) 。 对比图1 和图2 可知,前1 ~ 3 d 时附生微生物存在的情况下,有机磷去除速率要明显大于单独藻对有机磷的去除速率,因此可以推断,在前 1 ~ 3 d 时微生物对有机磷的分解作用较大,此时刚毛藻优先利用微生物分解出的无机磷,其次利用自身胞外磷酸酶转化的无机磷。 并且在整个过程中,刚毛藻与好养微生物互相提供各自需要的溶解氧、无机磷。 两者形成一种互利共生的关系。
2. 2 刚毛藻对不同实际水中磷去除实验
由表 1 ~ 表 3 可知,总磷浓度中大沽河水 > 二级出水 > 砂过滤出水。 其中无机磷和颗粒磷是大沽河水中主要的磷形态,其占总磷比例分别为 53. 10%和 37. 15% 。 砂过滤出水中以无机磷和有机磷为主。 某污水厂二级出水中无机磷与有机磷所占比例较大。 而对比进出水不同形态磷所占比例发现,生化工艺和物化工艺对有机磷处理效果均具有不彻底性。 因此,在接纳污水厂排水的城市河道等天然水体中,磷是以无机磷为主多种形态磷共同存在的。
由图 3 和图 4 可知,扣除空白组值后,刚毛藻对磷 1 ~ 3 d 去除速率大小顺序为:大沽河水 > 砂过滤出水 > 二级出水;并且 3 d 时 PO3 -4 达到较高去除率分别为 79. 79% 、72. 60%和 74. 39% ,TP 去除率 5 d 时才达到最大。 结合前期实验结果可知,这主要是与刚毛藻对磷吸收的选择性和微生物分解作用有关。
图 5 和图 6 表明了刚毛藻与附着微生物共同存在时对磷的去除效果。 3 d 时 PO3 -4 和 TP 去除率同时达到最高并趋于稳定,此时大沽河水、砂过滤出水和二级出水中 PO3 -4 去除率分别为 98. 69% 、99. 65% 和98. 25% ,对 TP 去除率分别为 95. 70% 、95. 45%和 95. 36% 。 而扣除空白组值后 TP 有效去除周期为 5 d,可见微生物与藻类协同作用效果更佳。 本实验对磷的去除效果高于凌晓欢与田忠峰研究结果(刚毛藻对 TP 去除率分别为 73. 9%和 82. 99% ) 。 由汤会军等研究可知,由于实验环境、实验条件和实验操作等因素影响,会导致各实验中藻初始密度和饥饿程度不同,并影响藻对氮磷的去除效果。
对比有机磷源培养基实验结果可知,刚毛藻对实际水中磷去除效率更高,周期更短。 分析原因,主要是由于实际水体中存在更多种类和数量的微生物,比如大沽河水中天然的微生物群落、二级出水中以聚磷菌等为主的微生物。 大量微生物的协同作用有利于不同形态磷之间的转化,因此,在微生物协同作用下水中磷尤其是有机磷和颗粒磷易于被藻类去除。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
1)不同磷源纯培养条件下,刚毛藻对 4 种形态磷源能有效去除,刚毛藻能直接利用无机磷;聚合磷酸盐被吸附于藻体表面;有机磷的转化吸收需要胞外磷酸酶和附生微生物协同作用。 刚毛藻在微生物协同作用下除磷效果更佳显著,尤其是对有机磷的去除率增加到近 70% ,此结果较单纯微生物或者刚毛藻体系都高得多。 微生物与藻的协同作用机制值得进一步深入研究。
2)刚毛藻对实际水样和不同处理工艺出水中包括有机磷在内的多种形态磷处理效果均较好。 微生物与刚毛藻协同作用效果下,3 d 时总磷基本去除完全,此时大沽河水、砂过滤出水和二级出水中总磷去除率均达到 90%以上。
3)藻类与附生微生物存在协同作用关系,以此为基础的藻类整治技术可以弥补现有水处理工艺除磷的不彻底性,并且可以利用其对天然水体进行修复。
