鎖磷劑-硅藻土聯(lián)合除磷控藻模擬實驗研究

鄭婉寧 ，蘇玉萍，2*，劉鍵熙，2，劉雨詩，陳小燕

(1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)，福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點實驗室，福建 福州 350007)

水體富營養(yǎng)化(Eutrophication)引起有害藻類大量繁殖，不僅導(dǎo)致全球湖泊水質(zhì)嚴(yán)重下降，而且威脅湖泊生態(tài)安全[1]。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)70年代末到80年代，我國富營養(yǎng)化湖泊個數(shù)從41%上升到61%，90年代后期高達(dá)77%，湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[2]。在眾多影響藻類生長的必要元素中，磷是藻類生長繁殖的主要營養(yǎng)元素之一[3]。因此，降低湖泊中磷含量成為減少富營養(yǎng)化的主要措施。湖泊中的磷來源主要分為內(nèi)源磷與外源磷，而當(dāng)外源磷得到控制時，內(nèi)源磷對富營養(yǎng)化的發(fā)生起到至關(guān)重要的作用[4]。

鎖磷劑投加量的不同對降低富營養(yǎng)化水體中磷含量產(chǎn)生不同效果，鎖磷劑投加量的理論值是基于上覆水體、沉積物間隙水中生物可利用性磷濃度，根據(jù)磷質(zhì)量濃度∶鎖磷劑=1∶100計算得到[16]。然而研究表明，鎖磷劑的理論投加量并不能使鎖磷劑的結(jié)合能力達(dá)到理論值。 Reitzel等發(fā)現(xiàn)100∶1的投加量對沉積物中釋放出來的磷只能達(dá)到一半的理論效果[17]。Dithmer等采用鎖磷劑理論投加量應(yīng)用于Store S?gaard湖泊中，水體中SRP濃度降低不明顯[12]。

為確定最佳鎖磷劑投加量并以最低成本獲得持久的磷含量降低效果。本研究通過觀察不同投加量鎖磷劑和硅藻土對磷的去除效果，以及鎖磷劑和硅藻土的聯(lián)合使用對水體中浮游植物的群落組成和豐度的影響，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。最終得到鎖磷劑與硅藻土較適宜的投加量，為富營養(yǎng)化水體治理與制定合理的水資源管理目標(biāo)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗樣品

實驗水體取自南方某高校景觀湖泊，該湖泊水體流動性差，水樣渾濁且自凈能力差。

該實驗水體TP含量為1.01 mg/L，SRP含量為0.49 mg/L，占TP的46.74%。 實驗水體中浮游植物豐度為6.48×108cells/L，主要以藍(lán)藻門的微囊藻為主，占浮游植物生物總量的76.92%；其次為硅藻，占浮游植物生物總量的12.78%(圖1)。根據(jù)湖泊富營養(yǎng)化分級評價標(biāo)準(zhǔn)[18]，該景觀水體的TP、SRP含量以及浮游植物的豐度達(dá)到了劣Ⅴ類水體的標(biāo)準(zhǔn)，其營養(yǎng)類型為極度富營養(yǎng)化。

1.2 實驗方法

鎖磷劑投加量的設(shè)定基于水體和沉積物中生物可溶性磷濃度，根據(jù)鎖磷劑∶磷質(zhì)量濃度=100∶1計算得到(即100 g鎖磷劑固定1 g的磷)。因水體中SRP濃度為0.49 mg/L，故鎖磷劑的理論投加量為49 mg/L。研究表明，野外水樣的水體環(huán)境復(fù)雜，存在多種干擾物質(zhì)會影響La與SRP結(jié)合，故鎖磷劑投加量選擇大于1倍理論投加量[17]。本文分別選擇1.0、1.2、1.5倍理論投加量進(jìn)行實驗。硅藻土投加量分別選擇40 mg/L、80 mg/L[19]。具體投加量見表1。

表1 試驗不同組的投加量Tab.1 Experiment dosing mode design

實驗將1 L的水樣加入1 L燒杯中，根據(jù)設(shè)計好的投加量(見表1)將鎖磷劑與硅藻土配制成泥液，用噴灑的方式投加于燒杯內(nèi)，每組設(shè)置3個平行樣。將燒杯置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30 d(溫度：25℃；光暗比為12h∶12h；光照：2 500 lx)。于第2、5、10、20、30天測定水體的總磷(Total phosphorus，TP)、可溶性活性磷(Soluble reactive phosphorus，SRP)；于第2、5、10、30天測定浮游植物豐度和群落結(jié)構(gòu)。

1.3 分析方法

1)總磷(TP)的測定：過硫酸鉀—鉬酸銨分光光度法[20]。

2)活性磷(SRP)的測定：鉬銻抗分光光度法[21]。

3)藻生物量與群落結(jié)構(gòu)：顯微鏡直接記數(shù)法。

4)數(shù)據(jù)分析：SPSS Statistics 19差異性分析。

2 結(jié)果

2.1 鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用對TP濃度影響

不同投加量的鎖磷劑和硅藻土對水體總磷濃度的變化如圖2所示。對照組的TP濃度先上升后下降，于第二天達(dá)到最高值為1.17 mg/L。各實驗組在實驗周期內(nèi)TP濃度都呈下降趨勢，實驗周期結(jié)束后，各組總磷的去除率大小為1.2Phl+80DM>1.5Phl+80DM>1.5Phl+40DM>1.2Phl+40DM>1.0Phl+40DM>1.0Phl+80DM。其中，1.2Phl+80DM組去除率最高，達(dá)到65.9%；1.5Phl+80DM次之，為55.0%；1.0Phl+80DM最低，為47.3%。最高組的去除率與最低組相差18.6%。當(dāng)硅藻土投加量為80 mg/L時，1.0Phl、1.2Phl、1.5Phl三組TP去除率差異顯著(P<0.05)。

2.2 鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用對SRP濃度影響

不同投加量鎖磷劑與硅藻土對水體SRP濃度的變化如圖3所示。實驗第2天，除對照組外，各實驗組SRP的濃度十分接近，在(0.32±0.01)mg/L內(nèi)。隨著時間的推移，除對照組外，各實驗組SRP濃度均呈下降趨勢。在實驗的前10天內(nèi)，各實驗組SRP濃度下降顯著；在第10天到30天之間，各實驗組的SRP濃度仍在下降但不明顯；實驗周期末，各實驗組濃度達(dá)到最低值且未出現(xiàn)返溶現(xiàn)象。

鎖磷劑與硅藻土不同投加量對水體中SRP的去除率變化如圖4所示。相對于對照組，各實驗組的去除率不斷升高，第2天各實驗組SRP去除率相近。第5天時，各實驗組SRP的去除率開始出現(xiàn)明顯的差異，其中1.5Phl+40DM與1.5Phl+80 DM兩組的去除率最高，均在50%左右。在第5～10天內(nèi)，其去除率升至70%左右，之后呈緩慢上升趨勢。

當(dāng)硅藻土投加量一定時，SRP的去除率隨鎖磷劑投加量的增加而升高。當(dāng)硅藻土投加量為40 mg/L時，實驗初期1.0Phl+40DM、1.2Phl+40DM和1.5Phl+40DM三組TP去除率差異明顯(P<0.05)，實驗周期末(第30天)，三組的去除率分別達(dá)為71.4%、82.7%和84.3%。同樣，在硅藻土投加量為80 mg/L的情況下，各組去除率都呈現(xiàn)遞增的趨勢，在第30天，1.0Phl+80DM、1.2Phl +80DM和1.5Phl+80DM的SRP去除率依次為72.0%、86.2%、87.3%。故在硅藻土投加量一定時，SRP去除率隨鎖磷劑投加量的增加而增大，但1.2Phl 、1.5Phl兩組去除率相近(P>0.05)。

綜上所述，隨著鎖磷劑和硅藻土投加量的增加，SRP的去除率也隨之升高。實驗周期結(jié)束后，對比各實驗組SRP的去除率，1.5Phl+80DM組的去除效果最佳為87.3%，其次是1.2Phl+80DM組為86.2%。結(jié)合TP的去除效果，1.2Phl+80DM組的磷去除率最高，達(dá)到65.9%。因此，1.2Phl+80DM組用于減少水體的磷濃度較適宜。

2.3 不同投加量鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用對水體浮游植物影響

鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用對水體中浮游植物的影響如圖5所示。為探究不同投加量鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用對水體浮游植物的影響，模擬實驗分別在第2、5、10、30天觀察水體中的浮游植物豐度及門類的變化。

第2天時，對照組與各實驗組的生物量未出現(xiàn)明顯差異。第5天時，與對照組相比，各實驗組的生物量均有不同程度降低且差異明顯(P<0.05)，其中1.5Phl+40DM組的抑藻率最高，達(dá)到81.8%。第10天時，實驗組與對照組生物量急劇下降，主要以藍(lán)藻、綠藻為主。實驗周期末(30天)各組的生物量與第10天相近，各組浮游植物豐度大小為1.5Phl+40DM<1.2Phl+80DM<1.5Phl+80DM <1.2Phl+40DM ≈ 1.0Phl+80DM<1.0Phl+40DM，其中1.5Phl+40DM和1.2Phl+80DM的抑藻率分別為81.8%和74.1%。與初始水體中藍(lán)藻占76.92%相比，第30天水體中藍(lán)藻占據(jù)絕對優(yōu)勢，占99%以上。

綜上所述，1.5Phl+40DM和1.2Phl+80DM兩組除磷控藻的效果無明顯差異(P>0.05)，但是1.2Phl+80DM組成本較低，在實際的運用中更具有可行性。根據(jù)各實驗組的抑藻率、磷控制率與經(jīng)濟(jì)成本結(jié)合分析比較，針對實際水體鎖磷控藻，58.8 mg/L 鎖磷劑+80 mg/L硅藻土(1.2Phl+80DM)聯(lián)用較適合。

3 討論

鎖磷劑降低水體中磷含量主要以化學(xué)沉淀為主，具有較高去除通量，理論上試劑投加后各實驗組磷含量應(yīng)驟然下降，而各組除磷效率至第10天才達(dá)到較高的抑制率。這是因為鎖磷劑對磷的去除能力會受外界環(huán)境的影響。實驗初期(第2天)磷去除效率低，TP、SRP去除率僅達(dá)到20%左右，這可能是由藻在沉降時釋放出藻體中的磷，釋放出來的磷高于或者等于水體中藻對于磷固定的通量，從而增加了水體中磷的濃度[24]。同樣，對照組TP濃度先上升后下降與水體中藻生物量的降低有關(guān)，藻的死亡裂解，會向水體中釋放出藻體中的磷，使水體中膠質(zhì)態(tài)磷與顆粒態(tài)磷等有機(jī)質(zhì)含量增加[24]。因此，受藻類的影響，水體中的磷含量未驟然下降。

當(dāng)硅藻土的投加量不變時，總磷的去除率隨鎖磷劑的投加量的增加而降低，這可能是由于鎖磷劑與顆粒磷發(fā)生混凝作用，但鎖磷劑的投加過量時使混凝生成的沉淀顆粒重新帶電，使顆粒之間靜電斥力增加，懸浮物又重新處于穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致去除率降低[25]。因此，增加鎖磷劑的投加量，不一定會提高TP的去除效果。

藻類的大量生長給湖泊水生態(tài)安全帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是藍(lán)藻[26]。鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用有效地降低了磷含量，硅藻土較大的比表面積與吸附性，促進(jìn)了藻類大量沉淀，浮游植物豐度顯著降低。實驗周期末(第30天)，水體中藍(lán)藻99%以上。實驗周期末藍(lán)藻占優(yōu)勢可能的原因為：1)藍(lán)藻在水體溫度為25～35℃時最適合生長，它的高溫耐受性高于硅藻和綠藻；此外，藍(lán)藻對強(qiáng)光比其他藻類有較大的忍受性，長時間的強(qiáng)光照射會造成其他藻類的死亡，該實驗水體是在溫度較高時采集，藍(lán)藻的初始生物量明顯高于其他藻[27]。2)藍(lán)藻含有β-胡蘿卜素、葉綠素a，以及多種捕光色素，對不同光照適應(yīng)能力強(qiáng)[28]。3)部分藍(lán)藻可以在水體中磷含量較高時，將環(huán)境中的磷大量儲存藻體中，當(dāng)環(huán)境中磷含量低時仍可以維持自身的增殖與生長[27]。因此，投加Phoslock?與硅藻土后，優(yōu)勢種變成藍(lán)藻與環(huán)境條件和藍(lán)藻本身的生理生態(tài)特性密不可分。

4 結(jié)論

1)鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用對TP去除效果：1.2Phl+80DM的去除率最高，達(dá)到65.9%，其次為1.5Phl+80DM，達(dá)到55.0%；對SRP去除效果：1.5Phl+80DM的去除率最高，達(dá)到87.3%，其次為1.2Phl+80DM，達(dá)到86.2%，兩個實驗組去除率的差別較小，考慮其經(jīng)濟(jì)成本問題，選擇1.2Phl+80DM較適宜。

2)鎖磷劑與硅藻土聯(lián)用可有效降低浮游植物豐度，各組的浮游植物豐度均隨時間的變化呈遞減趨勢，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，實驗周期末(第30天)藍(lán)藻占99%以上。1.2Phl+80DM組與1.5Phl+40DM組均有較高的抑藻率，其中1.2Phl+80DM組經(jīng)濟(jì)成本較低。