基于正交試驗(yàn)的溞-藻組合凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體研究

曾 琪，聶呈榮 ，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）

微藻可高效利用水體中的氮、磷等物質(zhì)進(jìn)行光合作用，具有吸收水體中有毒物質(zhì)或降解有機(jī)污染物的能力[1-2]，迄今已篩選出了許多可高效凈化水質(zhì)的藻種[3-6]，以綠藻居多。Singh等比較了多種藻類(lèi)，認(rèn)為小球藻是去除污水中氮、磷等物質(zhì)效率最高的藻類(lèi)之一。小球藻（Chlorella）為綠藻門(mén)小球藻屬普生性單細(xì)胞綠藻，生態(tài)分布廣泛，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。小球藻作為水體中的初級(jí)生產(chǎn)者，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,可作為魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物的餌料，在污染物沿食物鏈傳遞的過(guò)程中起著重要作用。如呂福榮等[7]對(duì)小球藻凈化污水中氮、磷能力進(jìn)行了研究，證明了小球藻有較好的凈化能力。

但藻類(lèi)的過(guò)量生長(zhǎng)會(huì)引起藻類(lèi)密度過(guò)大而影響生態(tài)系統(tǒng)中其他生物的生長(zhǎng)，從而破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外研究中，對(duì)于藻類(lèi)控制的最有效且最生態(tài)的方法就是利用生物操縱原理來(lái)控制藻類(lèi)生長(zhǎng)，即主要通過(guò)去除攝食浮游生物或者降低浮游生物食性魚(yú)的數(shù)量，增加浮游動(dòng)物的生物量，促進(jìn)濾食效率高的植食性大型浮游動(dòng)物的生長(zhǎng)，從而提高浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的攝食效率，最終降低浮游植物的生物量[8]。大型溞作為湖泊、水庫(kù)常見(jiàn)的一種大型浮游動(dòng)物，生長(zhǎng)、繁殖速度快,優(yōu)勢(shì)種時(shí)間長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的攝食潛力，可望按照生物操縱原理，達(dá)到控制富營(yíng)養(yǎng)化水體浮游植物過(guò)量增長(zhǎng)的目的。目前在國(guó)內(nèi)外研究中利用枝角類(lèi)浮游動(dòng)物控制藻類(lèi)凈化富營(yíng)養(yǎng)化水已有許多成功案例，張喜勤[9]等人曾研究過(guò)水溞對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化作用，試驗(yàn)表明水溞能夠有效凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體，使其氮、磷濃度有效降低，提高水體透明度。

但是關(guān)于水溞與藻類(lèi)聯(lián)合修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究并不多，本實(shí)驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，采用四要素三水平正交試驗(yàn)方法，探究在相同環(huán)境條件下小球藻量、水溞數(shù)量、富營(yíng)養(yǎng)化水體及凈化時(shí)間這4個(gè)因素對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果的影響，通過(guò)極差分析和實(shí)驗(yàn)組之間的差異性分析，探尋凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體最優(yōu)方案，期望為富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

（1）小球藻。小球藻藻種由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)研究所提供，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)采用BG11培養(yǎng)液培養(yǎng)[10]。

（2）大型溞。大型溞取自廣東省佛山市獅山鎮(zhèn)興賢村，試驗(yàn)水溞屬于同一母體的純種體系，于恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)。

（3）富營(yíng)養(yǎng)化水體的配制。為了避免由人工配制的富營(yíng)養(yǎng)化水體中缺乏自然水體中所含的天然成分從而對(duì)小球藻和水溞生長(zhǎng)造成影響，本試驗(yàn)在采用經(jīng)含氮磷過(guò)量的污泥浸泡過(guò)的水體經(jīng)稀釋后，配置成總氮濃度為11.2 mg/L、總磷濃度為1.3 mg/L的富營(yíng)養(yǎng)化水體。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用L9（34）正交試驗(yàn)方法，以水溞量A、小球藻量B、試驗(yàn)富營(yíng)養(yǎng)化凈化水體體積C以及凈化時(shí)間D為探究因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，采用L9（34）正交表，共9個(gè)處理組，如表1所示。于實(shí)驗(yàn)第1、3、5、7、9 天測(cè)定每個(gè)處理組的總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）、化學(xué)需氧量（Chemicl Oxygen Demand，COD）、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、濁度、溶解氧（DO）以及pH值這7個(gè)水體理化指標(biāo)。探究在相同環(huán)境條件下小球藻量、水溞數(shù)量、富營(yíng)養(yǎng)化水體及凈化時(shí)間這4個(gè)因素對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果的影響，通過(guò)極差分析和實(shí)驗(yàn)組之間的差異性分析，并探尋凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體最優(yōu)方案。

表1 L9（34）因素水平

1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料的培養(yǎng)

（1）藻的培養(yǎng)。將小球藻藻種分別接種在10個(gè)250 mL裝有150 mL的BG11培養(yǎng)液無(wú)菌錐形瓶中（BG11培養(yǎng)液經(jīng)過(guò)高溫滅菌處理），放置于恒溫25℃、光強(qiáng)2 500 lx的培養(yǎng)箱中進(jìn)行通氣培養(yǎng)，光暗時(shí)間比為16 h∶8 h。每天搖晃5次培養(yǎng)瓶1 min，防止藻體沉降。當(dāng)藻液濃度達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即1×106個(gè)/mL時(shí)用BG11培養(yǎng)液擴(kuò)繁代用（5 d達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，接種10 d后擴(kuò)繁）。

（2）大型溞的培養(yǎng)。用無(wú)菌吸管分別吸取出6個(gè)帶卵的母體溞于6個(gè)裝有經(jīng)過(guò)無(wú)菌培養(yǎng)的150 mL藻液的250 mL錐形瓶中，以獲得同一母體的純種體系。并將其放置于恒溫25℃、光強(qiáng)為1 200 lx的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，光暗時(shí)間比為14 h∶10 h。實(shí)驗(yàn)前15 d，選取獲得純種體系大型溞最多的燒杯中的成年溞和幼體溞分離培養(yǎng)于3個(gè)裝有150 mL藻液的250 mL無(wú)菌錐形瓶中，每天早晨8：00喂食蛋白核小球藻藻液，48 h更換藻液一次，保證食物充足。實(shí)驗(yàn)時(shí)，從3個(gè)預(yù)培養(yǎng)體系中用橡皮吸管吸取大小一致的水溞作為試驗(yàn)水溞（放入水溞前在蒸餾水中空腹24 h）。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.3.1 藻細(xì)胞密度

小球藻密度用分光光度法測(cè)得。取一定量的藻種在顯微鏡下計(jì)數(shù)，并按一定的稀釋倍數(shù)逐級(jí)進(jìn)行稀釋?zhuān)玫较鄳?yīng)的藻細(xì)胞密度，再將所得到的系列藻液用分光光度計(jì)在680 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，得到吸光度-密度標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。將每天測(cè)定藻液的吸光度代入標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)即可得出藻細(xì)胞密度[11]。

1.3.2 各理化指標(biāo)的測(cè)定

（1）TN的測(cè)定。TN采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法（GB11894—89）測(cè)定。

（2）TP的測(cè)定。TP采用過(guò)硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法（GB11893—89）測(cè)定。

（3）BOD的測(cè)定。BOD采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋法測(cè)定。

（4）COD的測(cè)定。COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定[12]。

（5）pH值和DO的測(cè)定。pH值和DO分別用便攜式pH計(jì)和便攜式溶氧儀測(cè)定。

水體中的TN、TP、COD以及BOD以其去除率來(lái)表示其凈化效果，其計(jì)算公式分別為

將所得數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行直觀(guān)分析和SPSS軟件進(jìn)行多重比較分析，并用LSD多重比較方法檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)各處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理組對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果

各組處理對(duì)TN、TP、COD、BOD以及濁度的去除率、DO和pH值的變化量，結(jié)果如表2所示。

表2 各處理組對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果

（1）這9個(gè)處理組對(duì)水體中的TN、TP、COD、BOD及濁度均達(dá)到了不同程度的去除效果，對(duì)TP和濁度的去除效果尤為顯著，最高可達(dá)84.58%和503.88%。第6組處理對(duì)TN、TP、COD的去除率最高，分析其原因可能是該組合中小球藻數(shù)量最大，而水溞數(shù)量適中，使小球藻數(shù)量沒(méi)有達(dá)到該環(huán)境中的最大容納量并使其能夠快速生長(zhǎng)，從而使水中的TN、TP能夠達(dá)到快速去除。

逆模型補(bǔ)償器需要建立補(bǔ)償對(duì)象的逆模型，逆模型的建立一般采用軟件實(shí)現(xiàn)，常用的方法有查表法、多項(xiàng)式逼近法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能建模等方法。因?yàn)閺较蚧瘮?shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有能以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)的特性，而在各種系統(tǒng)建模中得到廣泛應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般由輸入層節(jié)點(diǎn)、隱含層神經(jīng)元、輸出層神經(jīng)元及輸出權(quán)值矩陣組成[7]。

（2）9個(gè)處理組對(duì)TN的去除效果都沒(méi)有達(dá)到顯著水平。說(shuō)明水溞量、小球藻數(shù)量、富營(yíng)養(yǎng)化水體積及處理時(shí)間的水平設(shè)置不夠合理，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行單因素重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行探究這4因素對(duì)TN的去除效果。第3組處理對(duì)水體中溶解氧含量增加最大且與其他組處理差異顯著（p＜0.05）。第8組處理對(duì)濁度的凈化效果最佳且與其他組處理組間差異顯著（p＜0.05）。第9組處理對(duì)BOD、pH值的凈化效果最佳且與其他處理組處理間存在差異顯著（p＜0.05）。同一處理組對(duì)水體中不同指標(biāo)的凈化效果不一樣，這可能是各測(cè)量指標(biāo)的主要影響因素不同所致。

2.1.1 各試驗(yàn)因素對(duì)水體中TN去除效果的影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體中TN去除效果的影響如表3所示。

由表3可以看出，1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水溞數(shù)量水平對(duì)TN的去除效果有一定的峰值，水溞數(shù)量在30個(gè)時(shí)最佳。2）小球藻對(duì)TN的凈化效果不成規(guī)律變化，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)設(shè)置的水平不佳，需進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)。3）被凈化的富營(yíng)養(yǎng)化水體積越小，凈化效果越明顯。4）隨著凈化時(shí)間的延長(zhǎng)，TN去除率在前3 d隨著時(shí)間的增加而增加，但是3 d后TN去除率下降。

表3 各試驗(yàn)因素對(duì)TN去除效果的極差分析表

通過(guò)極差分析可知，影響TN去除率因素的主次順序依次為D、C、B及A，這4因素中對(duì)TN去除率最高的水平分別是A2、B3、C1、D2。因此，這4因素對(duì)TN去除效果最佳的最優(yōu)組合為A2B3C1D2。

2.1.2 各試驗(yàn)因素對(duì)水體中TP去除效果的影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體中TP去除效果的影響如表4所示。

表4 各試驗(yàn)因素對(duì)TP去除效果的極差分析

通過(guò)極差分析可知，影響TP去除效果因素的主次順序依次為D、B、C、A，這4因素中對(duì)TP去除率最高的水平分別是A2、B3、C1、D2。因此，這4個(gè)因素對(duì)TP去除效果最佳最優(yōu)組合為A2B3C1D2。

2.1.3 各試驗(yàn)因素對(duì)水體中COD去除效果的影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體中COD去除效果的影響如表5所示。

表5 各試驗(yàn)因素對(duì)COD去除效果的極差分析

由表5可知，1）水溞數(shù)量、小球藻數(shù)量對(duì)水體中COD的去除效果呈正相關(guān)，其數(shù)量越大，去除效果越明顯。2）富營(yíng)養(yǎng)化水體積的越小，COD的去除率越高。3）凈化時(shí)間在前3 d隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，去除效果明顯，3 d后去除效果有所降低。

通過(guò)極差分析可知，影響COD去除效果因素的主次順序依次為D、B、A、C，這4個(gè)因素中對(duì)COD去除率最高的水平分別是A3、B3、C1、D2。因此，這4個(gè)因素對(duì)COD去除效果最佳的最優(yōu)組合為。

2.1.4 各試驗(yàn)因素對(duì)水體中BOD去除效果的影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體中BOD去除效果的影響如表6所示。

表6 各試驗(yàn)因素對(duì)BOD去除效果的極差分析

由表6可知，1）水溞數(shù)量越大對(duì)BOD的的去除效果越大。2）小球藻數(shù)量、凈化時(shí)間對(duì)BOD的去除效果呈負(fù)相關(guān)，小球藻數(shù)量越大，凈化時(shí)間越長(zhǎng)，去除效果越低。

通過(guò)極差分析可知，影響B(tài)OD去除效果因素的主次順序依次為A、D、C、B。這4個(gè)因素對(duì)BOD去除率最高的水平分別是A3、B1、C2、D1。因此，這4個(gè)因素對(duì)BOD去除效果最佳的最優(yōu)組合為A3B1C2D1。

2.1.5 各試驗(yàn)因素對(duì)水體中濁度的凈化效果影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體中濁度的凈化效果影響如表7所示。

表7 各試驗(yàn)因素對(duì)濁度去除效果的極差分析

由表7可知，1）水溞量、小球藻量及凈化時(shí)間這3因素對(duì)水體中濁度的凈化效果呈正相關(guān)，其數(shù)量越多，凈化時(shí)間越長(zhǎng)，凈化效果越明顯。2）富營(yíng)養(yǎng)化水體積對(duì)濁度的凈化效果在100～200 mL時(shí)，隨著體積的增大，凈化效果降低；在200～300 mL時(shí)，隨著體積的增大，凈化效果增大。

通過(guò)極差分析可知，影響濁度去除效果因素的主次順序依次是D、C、A、B，這4個(gè)因素中對(duì)濁度去除率最高的水平分別是A3、B2、C1、D3。因此，這4個(gè)因素對(duì)濁度去除效果最佳的最優(yōu)組合為A3B3C1D3。

2.1.6 各試驗(yàn)因素對(duì)水體中DO含量變化的影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體中DO含量變化的影響如表8所示。

表8 各試驗(yàn)因素對(duì)DO含量變化影響的極差分析

由表8可以看出，1）水溞數(shù)量越多，DO降低的幅度越大。2）凈化時(shí)間越長(zhǎng)，DO增加的幅度越大。3）當(dāng)小球藻數(shù)量小于6×109時(shí)，DO含量隨著其數(shù)量增加而增加，但當(dāng)小球藻數(shù)量大于6×109，又隨著其含量的增加而降低。4）富營(yíng)養(yǎng)化水體積在第3水平時(shí)達(dá)到最佳。

通過(guò)極差分析可知，這4個(gè)因素對(duì)水體中DO含量變化影響的主次順序依次為D、A、C、B，4個(gè)因素中對(duì)DO含量增加最高的水平分別是A1、B2、C3、D3。因此，這4個(gè)因素對(duì)水體中DO去除效果最佳的最優(yōu)組合為A1B2C3D3。

2.1.7 各試驗(yàn)因素對(duì)水體pH值變化量的影響

各試驗(yàn)因素對(duì)水體pH值變化量的影響如表9所示。

表9 各試驗(yàn)因素對(duì)pH值變化量影響的極差分析

由表9可知，1）水溞數(shù)量越大，pH值變化越小，小球藻數(shù)量越大，pH值變化越大。2）富營(yíng)養(yǎng)氧化水體積對(duì)pH值變化影響差異不大。3）凈化時(shí)間在1～3 d時(shí)，pH值變化量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；在3～5 d時(shí)，pH值隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變小。

通過(guò)極差分析可知，影響水體中pH值變化量的主次因素依次為D、A、B、C。4因素中對(duì)pH值影響最低的水平分別是A1、B1、C2、D1。因此，這4因素對(duì)pH值凈化效果最佳的最優(yōu)水平為A1B1C2D1。

2.2 各試驗(yàn)因素水平對(duì)水體凈化效果的最優(yōu)組合

綜合以上的水平選優(yōu)分析4個(gè)因素對(duì)水體中重要指標(biāo)的影響因素的主次順序進(jìn)行篩選，選出4個(gè)因素對(duì)水體的凈化效果最佳的最優(yōu)組合。根據(jù)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因分析，可判斷影響水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的水體指標(biāo)主次順序依次為T(mén)N、TP、DO、COD、BOD、濁度及pH值。

于是，4個(gè)因素影響富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果的主次因素匯總?cè)绫?0所示。

表10 4個(gè)因素影響富營(yíng)養(yǎng)化水體各指標(biāo)凈化效果的主次因素匯總

由表10可知，1）對(duì)于凈化時(shí)間D因素而言，D是影響7個(gè)指標(biāo)中的主要因素，而且TN、TP及COD這3個(gè)主要指標(biāo)的最優(yōu)水平都是D2，即處理的凈化時(shí)間為3 d。因此，該實(shí)驗(yàn)的最佳凈化時(shí)間為3 d。2）對(duì)于水溞A因素而言，A1、A2均出現(xiàn)了兩次，A3出現(xiàn)了3次，但是A2出現(xiàn)在主要指標(biāo)上，故選擇A2水平為最優(yōu)水平。3）對(duì)于C因素而言，TN、TP、COD、BOD及濁度這5個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)水平都是C1，故C1為最優(yōu)水平。4）對(duì)于B因素而言，B3出現(xiàn)的次數(shù)最多且在主要指標(biāo)上出現(xiàn)，故B3為最優(yōu)水平。

由以上結(jié)論可得出最優(yōu)水平為A2B3C1D3，即當(dāng)水溞數(shù)量為30個(gè)、小球藻數(shù)量為10×109個(gè)、富營(yíng)養(yǎng)化水體體積為100 mL以及凈化時(shí)間為3 d時(shí)達(dá)到最佳。

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

（1）在水溞與小球藻的組合作用下，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN、TP、COD、BOD、濁度、DO及pH值均有不同程度的凈化效果，對(duì)TP和濁度的凈化效果尤為顯著，最高去除率可達(dá)84.58%和503.88%。

（2）影響TN去除率因素主次順序依次為D、C、B、A；影響TP去除效果因素的主次順序依次為D、B、C、A；影響COD去除效果因素的主次順序依次為D、B、A、C；影響B(tài)OD去除效果因素的主次順序依次為A、D、C、B；影響濁度去除效果因素的主次順序依次為D、C、A、B；影響水體中DO含量變化的主次順序依次為D、A、C、B；影響水體中pH變化量的主次因素依次為D、A、B、C。

（3）通過(guò)對(duì)7個(gè)水體理化指標(biāo)的最優(yōu)水平分析，可得出凈化水體的最優(yōu)水平為A2B3C1D3，即當(dāng)水溞數(shù)量為30個(gè)、小球藻數(shù)量為10×109個(gè)、富營(yíng)養(yǎng)化水體體積為100 mL以及凈化時(shí)間為3 d時(shí)，其凈化效果達(dá)到最佳。

3.2 討論

（1）張喜勤等人實(shí)驗(yàn)表明水溞能通過(guò)攝食水中藻類(lèi)來(lái)凈化水體[9]，但是沒(méi)有對(duì)兩者的數(shù)量關(guān)系與凈化效果進(jìn)行進(jìn)一步的探究。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)水溞數(shù)量為30個(gè)、小球藻數(shù)量為10×109個(gè)、富營(yíng)養(yǎng)化水體體積為100 mL以及凈化時(shí)間為3 d時(shí)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果最佳，這為以后利用水溞治理富營(yíng)養(yǎng)化水體中的藻類(lèi)數(shù)量提供了參考。

（2）在本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)同一處理組對(duì)水體中不同指標(biāo)的凈化效果不一樣，這可能是各測(cè)量指標(biāo)的主要影響因素不同所致，應(yīng)進(jìn)一步探究每個(gè)指標(biāo)的主要影響因素，方便以后針對(duì)不同水體設(shè)計(jì)不同的凈化方案。