兩種微藻與水溞的兩種組合對污水的凈化效果研究

聶呈榮，曾 琪，肖 燕，鄧冬梅，管依依，黃 鈺，鄧日烈，溫玉輝，董 珊

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院園藝系，廣東佛山528231）

水污染現(xiàn)象隨著工業(yè)進(jìn)步和社會發(fā)展越來越嚴(yán)重。目前，廢水二級處理后出水的氮磷含量較高，氮磷的過量排放是造成水體富營養(yǎng)化的原因。傳統(tǒng)的生化二級處理除磷工藝是大量的磷從污水轉(zhuǎn)到污泥中，不能從根本上處理污水氮磷含量高的問題。利用微藻與水溞組合來凈化污水簡單，且價格低，值得進(jìn)行研究。

（1）小球藻（Chlorella）及斜生柵藻（Scenedesm us obliquus）是綠藻門無毒微藻，是水體中的初級生產(chǎn)者，易于培養(yǎng)，可吸附污水中氮磷[1]，使水中的氮磷等污染物質(zhì)沿食物鏈傳遞而起到凈化作用，并能吸收部分重金屬[2]。

（2）微藻是一個潛在的可再生能源，可利用廢水作為藻類生長營養(yǎng)[3]。小球藻和斜生柵藻還可作為魚蝦等水生動物的餌料。

（3）水溞（Daphnia magna）分布廣泛，繁殖能力強(qiáng)，以藻類、細(xì)菌等為食，一只水溞一晝夜可攝食藻類2～7萬個藻細(xì)胞[4]，控制藻類的生長速度，種群密度將直接影響到水體中的初級生產(chǎn)者（藻類、細(xì)菌）和次級消費(fèi)者（魚類）的生活及生態(tài)平衡。

鄧祥元、丁婉婉等[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小球藻和斜生柵藻都有去除水體氮磷的能力，但在水體凈化實(shí)施中，當(dāng)藻類大量繁殖時可能對水體造成二次污染，目前有采用藻類固定化的凈化培養(yǎng)方式。浮游動物雖然降低了藻類的現(xiàn)存量，但它們提高了營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的速率，因而當(dāng)營養(yǎng)水平限制時，會刺激存活藻類的生長速率。

本試驗(yàn)基于初級生產(chǎn)者的營養(yǎng)生長及初級消費(fèi)者的食物鏈，在藻類和水溞都相對適宜的氮磷濃度下，研究水溞與兩種藻類單個因素或聯(lián)合因素對污水水體的影響，比較實(shí)驗(yàn)組之間的差異性，從而找到污水凈化的更低成本的優(yōu)化處理方案，為城市污水的進(jìn)一步凈化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 小球藻與斜生柵藻

小球藻和斜生柵藻購買自安徽省無為縣泉塘鎮(zhèn)農(nóng)大水產(chǎn)技術(shù)服務(wù)部，培養(yǎng)密度達(dá)到2×106時，用BG11培養(yǎng)基擴(kuò)繁，生化培養(yǎng)箱恒溫26℃、恒光1 200 lx培養(yǎng)。每天定時人工攪拌3次，每次1 min。

1.1.2 大型水溞

水溞從廣東佛山市獅山鎮(zhèn)興賢村取回，經(jīng)電鏡拍照分析為大型水溞，試驗(yàn)水溞屬于同一母體同一體系，早上8:00以定量小球藻喂食，晚上20:00以定量斜生柵藻喂食，達(dá)到食物馴化效果，實(shí)驗(yàn)前饑餓培養(yǎng)24 h，生化培養(yǎng)箱恒溫26℃、恒光1 200 lx培養(yǎng)。

1.1.3 試驗(yàn)水體

為防止實(shí)際污水中的某些物質(zhì)干擾實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)采用人工培植的培養(yǎng)液為實(shí)驗(yàn)對象，按實(shí)驗(yàn)要求在BG11培養(yǎng)液的基礎(chǔ)上調(diào)整氮磷含量，即以分析純KNO3和KH2PO4配制成氮磷比為約為7∶1（氮濃度為39.65 mg/L、磷濃度為5.64 mg/L）的擬污水溶液。因磷是藻生生長的關(guān)鍵限制因子，故在藻液和水溞適合的氮磷比15∶1上增加一倍磷。

1.1.4 試驗(yàn)儀器

該儀器包括DBR200消解器、DR200小型可見分光光度計、生化培養(yǎng)箱、BOD測定電極、溶解氧測定電極以及pH玻璃電極。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)處理

根據(jù)水溞的攝食量，取密度相等其值均為1.2×107cfu/mL小球藻與斜生柵藻，按表1配置實(shí)驗(yàn)組，加入到250 mL等量試驗(yàn)水體中，試驗(yàn)組的藻類密度初始均為2×106cfu/mL，每個處理組設(shè)3個重復(fù)，置于溫度26℃、光照1 200 lx生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中每隔12 h取樣測量，測量數(shù)據(jù)通過SPSS進(jìn)行分析。

表1 兩種藻類及水溞的不同處理

1.2.2 水體指標(biāo)測量

水體各指標(biāo)的測量方法分別如下所述。

（1）總氮?？偟捎脡A性過硫酸鉀消解分光光度法（GB11894—89），取上清液測量。

（2）總磷?？偭撞捎勉f銻抗分光光度法（GB11893—89），取上清液測量。

（3）化學(xué)需氧量 COD（Chemical Oxygen Demand）?；瘜W(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法（GB11914—89），取上清液測量。

（4）生化需氧量BOD（Biochemical Oxygen Demand）。BOD代表了水中有機(jī)物的含量，水中有機(jī)物越多，消耗的溶解氧越多，造成水生生物死亡。生化需氧量采用BOD測定儀測量。

（5）pH值。pH值采用pH玻璃電極測量。

（6）溶解氧。OD值用便攜式溶解氧測定電極測量，測量溫度25℃。

（7）藻的生物量。藻液的密度采用光密度測量法，用V-1000型可見分光光度計在適合藻的波長680 nm處測量[6]。在顯微鏡下用血球計數(shù)板計數(shù)得到斜生柵藻原藻液初始密度值為15.8×106cfu/mL，小球藻原液初始密度值為11.6×106cfu/mL，吸光度以試驗(yàn)水體調(diào)零，測量1、2、10、15、20稀釋倍數(shù)藻液的吸光度，繪制吸光度-藻細(xì)胞密度曲線。

斜生柵藻細(xì)胞密度（D1）與吸光度（OD680）間的標(biāo)準(zhǔn)曲線為

球藻細(xì)胞密度（D2）與吸光度（OD680）間的標(biāo)準(zhǔn)曲線為

1.2.3 指標(biāo)計算

各指標(biāo)的計算公式分別為

2 結(jié)果與分析

2.1 氮去除率

4種處理對總氮的影響如圖1所示。

圖1 4種處理對總氮影響

根據(jù)圖1a可知，4種處理水體氮含量變化規(guī)律大致相同，24 h內(nèi)緩慢降低，24～36 h快速升高，48 h后B、D組呈緩慢下降的趨勢，A、C組呈先緩升后緩降的趨勢。氮在24～36 h突然升高的可能是因?yàn)樵雀叩着囵B(yǎng)的藻類細(xì)胞死亡后經(jīng)分解轉(zhuǎn)變成無機(jī)氮化物，且藻的生長繁殖排出部分氮化合物到體外，使水質(zhì)中的氮含量突然增高。

（1）A、C組對比。A組有水溞的處理在24 h內(nèi)氮的下降速度比C組快，到后期氮濃度變化與C組無顯著差異。

（2）B、D組對比。B組有水溞的處理24 h內(nèi)氮的下降速度比D組慢，36 h后，B組氮含量升高與D組無顯著差異。

（3）C、D組對比。C組試驗(yàn)前后氮濃度降低比D組大，得出小球藻升高量比斜生柵藻的低。

根據(jù)圖1b可知，以D組斜生柵藻的氮升高最慢，C組小球藻的氮升高快。B、D組斜生柵藻氮的升高比A、C顯著高（p＜0.05），說明在氮濃度為40 mg/L時，斜生柵藻的延緩期的氮升高變化比小球藻小。且在氮濃度為40 mg/L時，水溞對小球藻氮去除能力有提高促進(jìn)作用（p＜0.05），水溞對斜生柵藻去除氮的能力影響不顯著（p>0.05）。

由此可知，對高氮污水來說，斜生柵藻和水溞的處理組去除氮的效果最好。

2.2 磷去除率

4種處理對總磷的影響如圖2所示。

圖2 4種處理對總磷影響

根據(jù)圖2a可知各組對比的情況。

（1）A、C組對比。A組有水溞的處理在36 h內(nèi)的磷呈下降趨勢，36 h后上升，C組磷含量始終下降，說明小球藻中生活的水溞生長繁殖活動會提高水體磷濃度。

（2）B、D組對比。12 h內(nèi)B組有水溞的處理磷升高而D組降低，可能是水溞的活動影響了水體磷濃度，屬于水體磷變化遲緩期，24 h后B組磷一直呈下降趨勢，且比D組下降顯著（p<0.05）。說明水溞可以顯著提高斜生柵藻降低水體磷磷含量的能力。

（3）C、D組對比。小球藻的去除磷的能力顯著比斜生柵藻高（p<0.05），得出磷濃度為5.5 mg/L時，短期內(nèi)小球藻的磷去除能力比斜生柵藻高。

根據(jù)圖2b可知，在磷濃度為5.5 mg/L時，96 h內(nèi)以C組小球藻的處理磷去除能力最高，最低是A組小球藻和水溞的處理。對比A、C和B、D組，發(fā)現(xiàn)水溞對小球藻去磷能力為負(fù)影響，對斜生柵藻去磷能力為正影響。

由此可知，對高磷污水來說，斜生柵藻和水溞的處理組去除氮的效果最好。

2.3 對水體COD的影響

4種處理對COD值的影響如圖3所示。

圖3 4種處理對COD值影響

根據(jù)圖3a可知，4個處理組水體COD在96 h內(nèi)都呈下降趨勢。

（1）A、C組對比。A組有水溞的處理COD比C組的含量稍高，到后期兩組COD含量都接近0，說明水溞對小球藻COD去除能力影響不大。

（2）B、D組對比。B組有水溞的處理COD值始終比D組低，且B組的COD去除速率也始終比D組高，說明水溞對斜生柵藻COD去除能力有顯著提高.

（3）C、D組對比。得出小球藻水體的COD總體值較低，斜生柵藻水體的COD總體值偏高，可能是因?yàn)樾∏蛟宓某两党潭缺刃鄙鷸旁甯?，?dǎo)致測得的COD值相差比較大。

根據(jù)圖3b可知各組對比的情況。

（1）C、D組對比。小球藻的COD去除能力比斜生柵藻高。

（2）A、C組對比。C組去除率顯著高（p<0.05），可能是因?yàn)樗疁写罅繑z食藻類，使藻類的COD去除能力降低了，但去除效率相差不遠(yuǎn)。

（3）B、D組對比。B組COD去除率比D組極顯著高（p<0.05），說明水溞的繁殖生長對斜生柵藻去除COD的能力有很大的提升效果。

（4）A、B組對比。A、B組去除率差異不顯著，但小球藻的COD值比斜生柵藻低。由此可知，以A組小球藻和水溞的處理組COD去除效果最好。

2.4 對水體BOD的影響

4種處理對BOD的影響如圖4所示。

根據(jù)圖4a可知各組對比的情況。

（1）A、C組對比。A組有水溞的處理BOD始終下降趨勢，而C組呈平緩上升趨勢。

（2）B、D組對比。B組有水溞的處理BOD值始終比D組呈下降趨勢。

（3）C、D組對比。得出小球藻的降低BOD值的能力比斜生柵藻高。

根據(jù)圖4b可知，A組BOD去除率最高，D組BOD去除率最低；A組去除率比C組顯著高（p<0.05），B組比D組顯著高（p<0.05）。說明水溞對兩種藻類BOD的去除能力有顯著提高；A組比B組去除率顯著高（p<0.05），得出水溞和小球藻的組合比水溞和斜生柵藻組合的BOD去除能力高；而對比C、D組得出藻類的處理組的BOD呈上升趨勢，斜生柵藻的上升程度比小球藻大。

由此可知，小球藻和水溞的處理組合能使污水中的BOD的降低效果最好。

2.5 對水體溶解氧的影響

4種處理對溶解氧的影響如圖5所示。

根據(jù)圖5a可知，A、B組的溶解氧呈緩慢下降趨勢，其中A組降低的快；C、D組的溶解氧呈上升趨勢，其中D組上升的快。說明水溞會使水體的溶解氧降低，斜生柵藻光合產(chǎn)生的氧氣比小球藻多，可以顯著增加水體溶解氧。這是因?yàn)樗疁性谒w中呼吸，消耗了溶解氧，使水體溶解氧降低，但從數(shù)據(jù)可以看出A、B組的水體溶解氧約為6.5，仍處于較好的溶解氧值范圍內(nèi)[8]，72 h內(nèi)水溞處理組和藻類處理組的溶解氧相差最大約為4 mg/L，不構(gòu)成對水體其他生物的影響。

圖5 4種處理對溶解氧影響

根據(jù)圖5b可知，對比A、B組，水溞與小球藻處理組的溶解氧降低得比水溞和斜生柵藻的顯著低（p<0.05）；對比C、D組，斜生柵藻光合作用釋放的氧氣比小球藻的顯著多（p<0.05）。

由此可知，斜生柵藻的增氧效果最好，斜生柵藻和水溞的處理耗氧量比小球藻低，更適合污水治理。

2.6 對水體pH值的影響

4種處理對pH值的影響如圖6所示。

圖6 4種處理對pH值影響

根據(jù)圖6a可知，水溞與兩種藻類的處理組A、B組pH值在24 h內(nèi)緩慢上升，24 h之后緩慢下降至接近中性；C、D組pH值逐漸上升趨勢，其中斜生柵藻pH值上升比小球藻快。兩種藻的處理組C、D的pH值上升，是因?yàn)樵寮?xì)胞光合作用消耗水中溶解CO2，使水中CO2平衡，而

向左進(jìn)行，使水中的OH-增加，pH值升高[7]。而A、B組水溞的處理組可能因?yàn)樗疁械男玛惔x物使水中的pH值趨于中性。本實(shí)驗(yàn)以pH值的變化量越小越好，說明該處理對水體的pH值影響較小。

根據(jù)圖6b可知，對比A、B組，A組處理對水體pH值顯著降低，說明水溞和斜生柵藻的處理對水體pH值的影響較?。粚Ρ菴、D組，D組顯著升高的快，說明斜生柵藻的繁殖比小球藻更能使水體pH值升高。

由此可知，水溞和藻類的處理具有平衡水中酸堿性的作用，其中尤以水溞和斜生柵藻的處理更為穩(wěn)定。

2.7 對水體藻密度的影響

4種處理對藻密度的影響如圖7所示。

根據(jù)圖7a可知，C、D組的生長曲線明顯高于A、B組藻類的生長曲線。說明水溞的存在對于藻類數(shù)量的控制是顯著的，其中36 h前水溞對斜生柵藻的攝食量比小球藻的大，36 h后兩種藻的密度趨近。

圖7 4種處理對藻密度的影響

根據(jù)圖7b可知，A、B組的藻類在96 h內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)增長狀態(tài)，而C、D組的藻類增長的很快，A、B組間差異不顯著（p>0.05）。C、D組間差異不顯著（p>0.05），而A組顯著低于C組（p<0.05），B組顯著低于D組（p<0.05）。說明水溞對藻類的攝食行為可以有效地控制藻的密度。

2.8 水體水溞數(shù)量變化

水體水溞數(shù)量變化如下所述。

（1）A組水溞+小球藻。0 h時55只，96 h時增長至504只。

（2）B組水溞+斜生柵藻。0 h時55只，96 h時增長至490只。

（3）A、B組的水溞變化。A、B組的水溞變化對比差異不大，以B組稍有優(yōu)勢，說明水溞在兩種藻類中都可以較好地生長繁殖。另外以水溞的增長速度可以得出當(dāng)?shù)獫舛葹?9.65 mg/L、磷濃度為5.64 mg/L時，水溞對水體的適應(yīng)程度較高，可以為水溞的污水治理或培養(yǎng)提供參考。

2.9 對水體綜合凈化的影響

4種處理對水體的凈化效果如表2所示。

表2 4種處理對水體的凈化效果

由表2綜合各種指標(biāo)來看，B、D組的氮去除率較好，之間差異不顯著；C組的磷去除率和COD去除率最好；A組的BOD去除率最好；D組的溶解氧增加率最高；A組的pH值變化量最??；A、B組的藻密度增加的較慢，之間差異不顯著。

而比較A、B兩組，B組的氮去除率、磷去除率和溶解氧增加率都優(yōu)于A組；A組的BOD去除率和pH值變化量優(yōu)于B組；COD去除率和藻密度的變化率則二者差異不顯著。

由此可知，B組的處理優(yōu)于A組的處理，即斜生柵藻和水溞的組合更適于污水的凈化。

3 小結(jié)

當(dāng)水體污染的氮濃度為39.65 mg/L、磷濃度為5.64 mg/L時，對于小球藻和斜生柵藻兩者分別和水溞的凈化處理，以斜生柵藻對水溞的綜合凈化效果為較顯著。

短期內(nèi)水溞對于藻類去除氮的能力的影響不顯著；短期內(nèi)水溞能提高斜生柵藻對磷的去除能力，而對小球藻去除磷的能力影響不顯著；短期內(nèi)水溞對于藻類數(shù)量的控制，水體BOD、COD及pH值有促進(jìn)降低的效果。

“恢復(fù)生態(tài)學(xué)”專欄征稿

人類在利用和改造自然的過程中，伴生著對自然環(huán)境的負(fù)面影響。長期的工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染、大規(guī)模的森林采伐以及將大范圍的自然環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)和工業(yè)景觀，產(chǎn)生了以生物多樣性降低、生態(tài)服務(wù)功能喪失為特征的各式各樣的退化生態(tài)系統(tǒng)。面對環(huán)境污染、植被破壞、水土流失和生物多樣性喪失的嚴(yán)峻形勢，如何使退化生態(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù)和重建，受到國際社會的廣泛關(guān)注。為拓展對退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的研究，本刊自2010年開辟“恢復(fù)生態(tài)學(xué)”專欄以來，堅持發(fā)表相關(guān)生態(tài)恢復(fù)專題的論文，收到了很好的效果，2018年繼續(xù)開辟該欄目，歡迎國內(nèi)外相關(guān)研究的專家學(xué)者賜稿。聶呈榮教授為本欄目特邀主持人；任小平老師為本欄目責(zé)任編輯，投稿郵箱：renxp90@163.com。

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）