磷是淡水藻類生長主要限制因子,但不同藻類對不同形態(tài)磷利用能力存在很大區(qū)別。 研究表明,微囊藻能夠有效地利用水中的有機和無機磷源,而包括剛毛藻在內(nèi)的著生藻對不同形態(tài)磷的去除研究不多。 著生藻是一種附著在浸沒于水體基質(zhì)表面生長的大型絲狀藻類,具有較好的人工可控性,可循環(huán)（continue)吸收營養(yǎng)鹽。 一些大型著生藻對磷等營養(yǎng)鹽具有較強競爭能力,能有效抑制微囊藻爆發(fā)。 在城市河道水質(zhì)保持過程(guò chéng)中,著生藻技術作為生物法的一種,具有經(jīng)濟環(huán)保、藻體易于回收和可控性強等優(yōu)點。 本研究通過采集天然水體中的剛毛藻,馴化培養(yǎng)后進行培養(yǎng)基和實際水體中不同形態(tài)磷去除的實驗研究,以期為城市河道水體修復、污水磷深度處理提供理論支持和技術參考。
1 材料(Material)與方法
1. 1 材料
藻種 2014 年 9 月 10 日采自以大沽河為水源的天津市西青郊野公園景觀湖。 鏡檢表明,寡枝剛毛藻為優(yōu)勢藻。 將寡枝剛毛藻分離后反復清洗,置于恒溫光照培養(yǎng)箱以 BG11 培養(yǎng)基進行馴化培養(yǎng),待繁殖出足夠數(shù)量藻體后取出用去離子水沖洗,并用無磷培養(yǎng)基饑餓培養(yǎng) 48 h 作為實驗（experiment)材料。
磷源選擇研究中常用的代表性磷源:無機磷選用磷酸氫二鉀 ,顆粒磷選用聚合磷酸鹽焦磷酸鈉 ,小分子有機磷選用甘油磷酸鈉 ,大分子有機磷選用卵磷脂。
1. 2 實驗方法
1.
2. 1 剛毛藻對培養(yǎng)基中不同形態(tài)磷去除實驗
實驗容器為1 L 的燒杯,4 種形態(tài)磷設置3 組平行,并以無藻組為空白進行對照。 依據(jù)前期實驗結(jié)果,設置剛毛藻投放量為 2 g?L - 1。 稱取經(jīng)饑餓培養(yǎng) 48 h 新鮮藻體 2 g,置于不同形態(tài)磷的培養(yǎng)基中,放入光照培養(yǎng)箱,設置光照強度為 3 500 lx,溫度為 25 ℃,光暗周期比為 12 h ∶ 12 h。 為了保證不同形態(tài)磷初始濃度處于相同水平進行比較,實驗中 4 種不同形態(tài)磷濃度的設置是以與 BG11 培養(yǎng)基中的磷物質(zhì)的量濃度相等為標準。 因此,4 種形態(tài)磷以換算后相同物質(zhì)的量濃度進行培養(yǎng)基配制,而實驗中以實際測出磷濃度為準。
1.
2. 2 剛毛藻對不同實際水中磷去除實驗
本實驗主要目的是探究剛毛藻對天然水體和污水廠出水等實際水中磷的去除效果,以期應用于工程實踐之中。 因此,本研究對象選用大沽河水、砂過濾出水和某污水廠二級出水。 實際水中不同形態(tài)（pattern)磷指標見表 1 ~ 表 3。
表 1 大沽河水 9―12 月份不同形態(tài)磷平均含量及占總磷比例
表 2 砂過濾進出水 9―12 月份不同形態(tài)（pattern)磷平均含量及占總磷比例
表 3 某污水廠進水與二級出水 9―12 月份不同形態(tài)磷平均包含比重及占總磷比例
實驗條件為室內(nèi)模擬自然環(huán)境,自然光強范圍為 8 000 ~ 12 000 lx,光照時間約 10 h,溫度為 20 ~25 ℃,藻量為 2 g?L - 1,每種實際水設置 3 個平行樣,每樣 800 mL,經(jīng) 0. 45 μm 濾膜過濾。膜生物反應器在污水處理，水資源再利用領域，MBR又稱膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術。 具體操作:稱取經(jīng)饑餓培養(yǎng) 48 h 新鮮剛毛藻 2 g,加入過濾后的實際水樣中。 置于自然陽光環(huán)境下培養(yǎng) 11 d,每隔 48 h 取一次樣。 由于剛毛藻對實際水的處理是為了應用于除磷工程實踐,因此本實驗以 TP 和 PO3 -4 作為測定指標。 實驗中以無藻組為空白進行對照。
1. 3 磷的測定
不同形態(tài)磷的測定參考《水和廢水檢測分析方法 》采用鉬(molybdenum)銻抗分光光度法進行測定,溶解性總磷 DTP 是用 0. 45 μm 濾膜過濾后消解測定總磷;溶解性無機磷 DIP 是通過 0. 45 μm 濾膜過濾后直接測定磷酸鹽;溶解性有機磷和顆粒磷分別由 DOP = DTP - DIP 和 PP = TP - DTP 計算。
1. 4 實驗儀器
T6-紫外分光光度計、PGX-450B 恒溫光照培養(yǎng)箱、LDZ5-2A 離心機、YXQ-LS-18SI 手提式壓力蒸汽滅菌筒。中空纖維膜紡絲機外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對氣體分離膜來說，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。
1. 5 數(shù)據(jù)處理
選用 Microsoft office Excel 2007 和 Origin
8. 5 軟件進行數(shù)據(jù)分析與繪圖。
2 結(jié)果與分析
2. 1 剛毛藻對培養(yǎng)基中不同形態(tài)（pattern)磷(P)去除實驗
圖 1 表明,扣除空白組值后剛毛藻對 4 種形態(tài)磷去除效果,其中聚合磷酸鹽 7 d 時去除率達到最高為 70. 86% ,無機磷和小分子有機磷 8 d 時去除率達到最高,分別為 6
6. 36% 和 6
2. 72% ,大分子有機磷(P)14 d 達到最高去除率 4
8. 87% 。
對比圖 1 和圖 2 發(fā)現(xiàn),增加空白組值后,4 種形態(tài)磷的去除率有
14. 8% ~ 3
6. 29% 的增幅。 其中大分子有機磷去除率增幅最大。 這表明實驗用水中存在微生物,其對磷具有分解作用;因此實驗結(jié)果說明微生物與藻的協(xié)同作用,能夠增強藻對營養(yǎng)鹽的吸收利用。 這與孟艷艷等對微囊藻水華附生菌的代謝特征及對微囊藻生長的影響(influence)研究（research)結(jié)論一致。 因此,剛毛藻體系中附生微生物的協(xié)同作用不可忽視,其有利于增強剛毛藻對磷尤其是對大分子有機磷的去除。 相關研究表明,水體中缺乏無機磷時,藻類和細菌體內(nèi)會誘導產(chǎn)生大量磷酸酶,在這種條件下,促進藻類對可酶解磷的吸收和利用。 并且堿性磷酸酶活性能夠影響微生物的分解作用,同時活性有機磷與堿性磷酸酶活性具有極大相關性,相關系數(shù)達到 0. 7。 因此,磷的去除尤其是有機磷的去除也與微生物作用以及堿性磷酸酶活性等相關。
進一步分析剛毛藻對不同形態(tài)磷去除速率發(fā)現(xiàn),去除速率各不相同且隨時間不斷變化。 分析原因,這主要與剛毛藻對不同形態(tài)磷去除的途徑和方式以及微生物協(xié)同作用有關。 剛毛藻能夠有效地直接利用無機磷,并且能夠通過藻體表面吸附由無機磷形成的大量聚合態(tài)絡合物去除聚合磷酸(化學式： H3PO4)鹽。 與此同時微生物分解作用也能夠去除聚合磷酸鹽。 因此,前1 ~ 3 d 無機磷和聚合磷酸鹽去除速率始終大于有機磷,并且聚合磷酸鹽去除率不斷增加。 而有機磷為磷源時,剛毛藻也能夠間接地利用有機磷,其利用的途徑有 2 方面:一是剛毛藻通過利用由附生微生物作用將有機磷分解為無機磷作為磷源;二是藻體通過分泌胞外磷酸酶,將部分有機磷有效地轉(zhuǎn)化為無機磷再進行利用。 并且小分子有機磷較大分子有機磷更易轉(zhuǎn)化分解。 由于有機磷是先降解再去除,因此無機磷和聚合磷酸鹽去除速率始終大于有機磷去除速率,并且小分子有機磷的去除速率大于大分子有機磷 。 對比圖1 和圖2 可知,前1 ~ 3 d 時附生微生物存在的情況下,有機磷去除速率要明顯大于單獨藻對有機磷的去除速率,因此可以推斷,在前 1 ~ 3 d 時微生物對有機磷的分解作用較大,此時剛毛藻優(yōu)先利用微生物分解出的無機磷,其次利用自身胞外磷酸酶轉(zhuǎn)化的無機磷。 并且在整個過程中,剛毛藻與好養(yǎng)微生物互相提供各自需要的溶解氧、無機磷。 兩者形成一種互利共生的關系。
2. 2 剛毛藻對不同實際水中磷去除實驗
由表 1 ~ 表 3 可知,總磷濃度中大沽河水 > 二級出水 > 砂過濾出水。膜生物反應器膜分離技術與生物處理技術有機結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術末端二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機負荷，從而減少污水處理設施占地面積，并通過保持低污泥負荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機物。膜生物反應器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至30天以上。 其中無機磷和顆粒磷是大沽河水中主要的磷形態(tài),其占總磷比例分別為 5
3. 10%和 3
7. 15% 。 砂過濾出水中以無機磷和有機磷為主。 某污水廠二級出水中無機磷與有機磷所占比例較大。 而對比進出水不同形態(tài)磷所占比例發(fā)現(xiàn),生化工藝和物化工藝對有機磷處理效果均具有不徹底性。 因此,在接納污水廠排水的城市河道等天然水體中,磷是以無機磷為主多種形態(tài)磷共同存在的。
由圖 3 和圖 4 可知,扣除(deduct)空白組值后,剛毛藻對磷 1 ~ 3 d 去除速率大小順序為:大沽河水 > 砂過濾出水 > 二級出水;并且 3 d 時 PO3 -4 達到較高去除率分別為 7
9. 79% 、7
2. 60%和 7
4. 39% ,TP 去除率 5 d 時才達到最大。 結(jié)合前期實驗結(jié)果可知,這主要是與剛毛藻對磷吸收的選擇性和微生物分解作用有關。
圖 5 和圖 6 表明了剛毛藻與附著微生物共同存在時對磷的去除效果。 3 d 時 PO3 -4 和 TP 去除率同時達到最高并趨于穩(wěn)定,此時大沽河水、砂過濾出水和二級出水中 PO3 -4 去除率分別為 9
8. 69% 、9
9. 65% 和9
8. 25% ,對 TP 去除率分別為 9
5. 70% 、9
5. 45%和 9
5. 36% 。 而扣除空白組值后 TP 有效去除周期為 5 d,可見微生物與藻類協(xié)同作用效果更佳。 本實驗對磷的去除效果高于凌曉歡與田忠峰研究結(jié)果 。 由湯會軍等研究可知,由于實驗環(huán)境、實驗條件和實驗操作等因素影響,會導致(cause)各實驗中藻初始密度和饑餓程度不同,并影響藻對氮磷的去除效果。
對比有機磷源培養(yǎng)基實驗（experiment)結(jié)果可知,剛毛藻對實際水中磷去除效率更高,周期更短。 分析原因,主要是由于實際水體中存在更多種類和數(shù)量的微生物,比如大沽河水中天然的微生物群落、二級出水中以聚磷菌等為主的微生物。 大量微生物的協(xié)同作用有利于不同形態(tài)磷之間的轉(zhuǎn)化,因此,在微生物協(xié)同作用下水中磷尤其是有機磷和顆粒磷易于被藻類去除。具體參見污水寶商城資料或
3 結(jié)論
1)不同磷(P)源純培養(yǎng)條件下,剛毛藻對 4 種形態(tài)磷源能有效篩除,剛毛藻能直接利用無機磷;聚合磷酸鹽被吸附于藻體表面;有機磷的轉(zhuǎn)化吸收需要胞外磷酸酶和附生微生物協(xié)同作用。 剛毛藻在微生物協(xié)同作用下除磷效果更佳顯著,尤其是對有機磷的去除率增加到近 70% ,此結(jié)果較單純微生物或者剛毛藻體系都高得多。 微生物與藻的協(xié)同作用機制值得進一步深入研究。
2)剛毛藻對實際水樣和不同處理工藝出水中包括有機磷在內(nèi)的多種形態(tài)磷處理效果均較好。 微生物與剛毛藻協(xié)同作用效果下,3 d 時總磷基本去除完全,此時大沽河水、砂過濾出水和二級出水中總磷去除率均達到 90%以上。
3)藻類與附生微生物存在協(xié)同作用關系,以此為基礎的藻類整治技術可以彌補現(xiàn)有水處理工藝除磷的不徹底性,并且可以利用其對天然水體進行修復。
