剛毛藻氮磷去除效果與培養(yǎng)方式試驗研究

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

當(dāng)前，城市景觀水體、城市周邊水域及各類湖泊都面臨著不同程度的污染，水體的富營養(yǎng)化已成為備受關(guān)注的全球性問題[1]。2017年，全國24.5萬km河長中劣Ⅴ類水體占總長的8.3%，117個湖泊中富營養(yǎng)湖泊占總數(shù)的76.9%，與2016年相比，水環(huán)境質(zhì)量狀況總體有所改善，但情況仍不容樂觀。眾所周知，富營養(yǎng)化不僅造成了水體生態(tài)系統(tǒng)的惡性循環(huán)，還直接關(guān)系到人類健康與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其影響已備受關(guān)注。

目前，對河湖富營養(yǎng)化的控制及修復(fù)技術(shù)的研究已成為熱點問題，且修復(fù)的措施較多，但真正意義實現(xiàn)水體生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)是十分困難的。在實施水利部“948”項目有關(guān)東湖水體富營養(yǎng)化治理的研究中，隨著水體水質(zhì)的逐步恢復(fù)，實現(xiàn)了該區(qū)域本土植物剛毛藻的自我恢復(fù)。而目前，大型絲狀藻類在水體富營養(yǎng)化的治理上也已略見成效[2]，其既可以幫助降低水體富營養(yǎng)化減排CO2，還可以作為新型燃料，形成循環(huán)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，不僅降低湖泊的富營養(yǎng)化，又增加了二次利用的價值，具有很高的經(jīng)濟效益。目前對剛毛藻的研究大部分仍停留在試驗階段，真正意義上的天然水體中的試驗研究較少。本文對剛毛藻的生態(tài)適應(yīng)性及其氮磷的去除效果進行了研究，分析預(yù)測剛毛藻的生長過程，對研究剛毛藻水體富營養(yǎng)化控制具有重要的理論與實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料

剛毛藻是自然界中較為常見的綠藻之一，分布廣泛，藻體色澤亮麗，具有較好的觀賞價值，呈附著生長利用控制而且形態(tài)大容易從水體中分離出去。剛毛藻在生長中可以吸收水體中的氮磷作為營養(yǎng)物質(zhì)，并通過光合作用釋放出氧氣，提高水體溶解氧，因此，可以利用剛毛藻的生長來治理富營養(yǎng)化水體。目前，國內(nèi)外的很多學(xué)者已對藻類污水處理技術(shù)有了一定的研究。田忠峰等[3]采用剛毛藻膜系統(tǒng)處理富營養(yǎng)化水體，發(fā)現(xiàn)對TN、TP、TC和TOC的去除率達到了較好的效果。凌曉歡等[4]對剛毛藻的氮磷去除效果進行了研究，表明該藻類可以有降低水體中的氮磷等營養(yǎng)濃度。

本試驗剛毛藻來源于水利部“948”東湖碳纖維水處理示范工程試驗場，見圖1，試驗場平均水深1.5m，面積800m2，共設(shè)置4個采樣點，藻類密集區(qū)和藻類稀少區(qū)分別設(shè)置2個采樣點。

圖1 剛毛藻的生長

1.2 采樣及測試方法

采樣從10月初開始，到第二年3月底結(jié)束，每月采樣2～3次，試驗期間對剛毛藻的生物量、水溫、pH值、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)等指標(biāo)進行測定，水溫、pH值、DO為現(xiàn)場測定，檢測儀器為美國YSI，水樣采集后24h內(nèi)測定TN、TP，TN的分析方法為過硫酸鉀氧化法，TP的分析方法是鉬酸銨分光光度法，生物量收取后，稱取干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗中pH值、DO、TN、TP、生物量采樣點的平均值，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel及SPSS軟件進行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 剛毛藻生物量與環(huán)境要素的關(guān)系

剛毛藻以其分布廣泛、極易生長、容易撈取等優(yōu)勢，在水體污染治理中發(fā)揮著重要的作用。剛毛藻的生長與水體中多種環(huán)境因子或是生態(tài)因子有關(guān)，例如氮、磷、光照強度、水溫、pH值和溶解氧等，剛毛藻生物量的多少也是這些因子共同作用的結(jié)果，每種因子產(chǎn)生的作用程度有所不同，相關(guān)性也有所不同[5]。實驗室條件下剛毛藻的生長，與實際大型水體中剛毛藻的生長有很大的不同，實驗室環(huán)境條件下，有充足的氮源、磷源、光照、氣溫等，而實際水體情況受外界環(huán)境的影響較大，如陰天情況下，剛毛藻不能進行正常的光合作用，就會出現(xiàn)一定的死亡。

2.1.1 pH值對生物量的影響

pH值在水體中主要受CO2含量的影響，藻類的光合作用是把水中的CO2轉(zhuǎn)化為有機物，主要關(guān)系式如下[6]：

(1)

(2)

圖2 試驗周期內(nèi)藻類生物量與pH值的相關(guān)性

2.1.2 DO對生物量的影響

DO的變化可以在一定程度上反映剛毛藻生物量的多少。隨著剛毛藻數(shù)量的增長，光合作用產(chǎn)生的O2必然增多，水體中的DO含量也增多，因此剛毛藻生物量與DO的變化過程是一致的。由于DO還受水體中的COD、BOD、微生物等多種因素的影響，所以DO的趨勢線與剛毛藻生長的趨勢線有一定的差異。水體中DO的含量受多種因素影響，常見的有水溫、微生物等，在含有藻類的水體中，DO的含量受藻類生物量的影響。因此，當(dāng)水體中剛毛藻的生物量達到一定數(shù)量級時，其生物量的多少、生命活動的旺盛程度將對水體中DO含量的變化有較大的影響[7]，同時DO在一定程度上可以反映剛毛藻數(shù)量的多少。

對東湖示范工程試驗場實驗周期內(nèi)DO與生物量數(shù)據(jù)進行分析(見圖3)，發(fā)現(xiàn)DO與生物量的相關(guān)系數(shù)為0.83，表明 DO與剛毛藻生物量的相關(guān)性較為顯著，且呈線性相關(guān)，這是因為示范區(qū)剛毛藻光合作用較強，產(chǎn)生大量的O2，從而使得DO上升。因此，DO與生物量有共同的消長趨勢，兩者相關(guān)性顯著。

圖3 試驗周期內(nèi)藻類生物量與DO的相關(guān)性

2.1.3 pH值、DO與生物量的二元線性相關(guān)關(guān)系

藻類在光合作用時利用CO2合成有機物，并且產(chǎn)生O2，引起水體中pH值以及DO的變化，為研究生物量、pH值、DO三者之間關(guān)系，采取多元相關(guān)關(guān)系進行分析，并設(shè)置置信度0.99進行顯著性檢驗，結(jié)果證明pH值、DO均通過檢驗，建立的多元回歸方程如下：

y=1.071x1+7.42x2-61.728

(3)

式中：y為生物量；x1為DO；x2為pH值。

相關(guān)系數(shù)R=0.909，相關(guān)系數(shù)較高，證明計算結(jié)果較為合理。因此，可以根據(jù)pH值和DO的變化來預(yù)測生物量的變化，且能達到較高精度。

2.2 剛毛藻對水中氮磷的去除效果

在光合作用下，剛毛藻藻類細(xì)胞能吸收利用水體中的無機氮和有機氮化合物作為氮源，利用CO2和碳酸鹽作為碳源，進行光自養(yǎng)生長代謝，被吸收的硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽合成藻細(xì)胞氨基酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。水體中的磷酸鹽在有氧的條件下，能直接被藻細(xì)胞所吸收，并通過多種磷酸化途徑轉(zhuǎn)化成ATP、磷脂等有機物，在無氧的條件下，形成磷酸鹽，并且剛毛藻在光合作用下吸收二氧化碳的同時釋放出氧氣，提高水體中的溶解氧，促使碳纖維生物膜上的微生物降解有機物；溶解氧升高也可以促進原生動物或微型后生動物的生長，原生動物或微型后生動物對水中有毒藻類生物有捕食作用，通過食物鏈來控制水中有毒藻的生長。以微生物為食的小魚小蝦等其他小生物會聚集在藻場的周圍，碳纖維-藻場成為魚類及其他高級水生動物的優(yōu)良卵床與養(yǎng)育空間，逐步建立起以微生物、藻類、小蝦、魚類為基礎(chǔ)的水生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)多樣性得到恢復(fù)。

2.2.1 剛毛藻對磷的去除

圖4 示范區(qū)TP隨時間的變化關(guān)系

對剛毛藻生長周期內(nèi)對磷的去除規(guī)律進行研究，TP隨時間的變化規(guī)律見圖4。 11月、12月剛毛藻大量生長，TP濃度由0.09mg/L迅速降低到0.05mg/L和0.03 mg/L，去除率分別達到44.4%、40.0%；1月、2月隨著溫度降低且陰雨天氣較多，導(dǎo)致剛毛藻的生長受到一定的抑制，相應(yīng)的剛毛藻數(shù)量減少， TP濃度由0.03mg/L降低到0.02 mg/L，去除率為33.3%，去除率較11月、12月低。磷在合成細(xì)胞的過程中，主要是以H2PO4-、HPO4-的形式被吸收。剛毛藻為著生藻類，其生長主要集中在水體的上層，在光合作用下，不斷消耗水體中的CO2，從而導(dǎo)致pH值的增大，誘導(dǎo)鈣磷的沉積。此外，剛毛藻的生長還將同化部分磷。因此剛毛藻的生長可以降低水體中的可溶性磷含量。

試驗場剛毛藻經(jīng)歷了從生長到死亡的過程，由試驗中可知，定期取出水體中的部分剛毛藻藻體，可以實現(xiàn)水中磷的去除。

2.2.2 剛毛藻對氮的去除

圖5 示范區(qū)TN隨時間的變化關(guān)系

3 結(jié) 論

實現(xiàn)良性的生態(tài)環(huán)境、資源循環(huán)利用、能量平衡是維持可持續(xù)發(fā)展的重要議題。在這條鏈上，藻類生物充當(dāng)了主角。廢水一方面是污染源，另一方面又是可利用資源。將廢水用來培育高產(chǎn)油高蛋白藻類生物，同時治理廢水、減排二氧化碳，實現(xiàn)廢水資源循環(huán)利用是可持續(xù)發(fā)展的必然途徑。本文在水利部“948”項目有關(guān)東湖水體富營養(yǎng)化治理的研究中，重點探討了培育剛毛藻的環(huán)境與生物量關(guān)系，用DO、pH值兩個指標(biāo)來分析它們與藻類生物量的相關(guān)性，并對天然條件下剛毛藻對富營養(yǎng)化湖泊水中的氮和磷的凈化效果進行研究。主要結(jié)論如下：

a. pH值、DO與剛毛藻的生物量有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.89、0.83，采用多元線性相關(guān)關(guān)系進行分析，pH值、DO、剛毛藻生物量三者之間有更好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.909，因此可以根據(jù)多元回歸方程確定剛毛藻生長的預(yù)報參數(shù)；剛毛藻對氮磷有快速高效的凈化效果，去除率分別為76.7%和77.8%。剛毛藻從生長到死亡的過程可能會引起水體中TN、TP的波動，因此要定期取出水體中的部分剛毛藻藻體，以實現(xiàn)水中氮磷的去除。

b.隨著石油資源的日益減少及實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的迫切需要，藻類能源已成為世界各國重點研究與發(fā)展的戰(zhàn)略方向。剛毛藻具有分布廣、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高等特點，細(xì)胞內(nèi)脂類含量豐富，可達到自身干質(zhì)量的10%～70%，有的甚至可以達到80%，具有巨大的制油潛能。國外對高產(chǎn)油藻類的研究已經(jīng)如火如荼地進行，我國近幾年才開始進行初步的研究，未來剛毛藻將以其優(yōu)異的性能成為研究的熱門領(lǐng)域，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。