刚毛藻氮磷去除效果与培养方式试验研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

当前，城市景观水体、城市周边水域及各类湖泊都面临着不同程度的污染，水体的富营养化已成为备受关注的全球性问题[1]。2017年，全国24.5万km河长中劣Ⅴ类水体占总长的8.3%，117个湖泊中富营养湖泊占总数的76.9%，与2016年相比，水环境质量状况总体有所改善，但情况仍不容乐观。众所周知，富营养化不仅造成了水体生态系统的恶性循环，还直接关系到人类健康与工农业生产，其影响已备受关注。

目前，对河湖富营养化的控制及修复技术的研究已成为热点问题，且修复的措施较多，但真正意义实现水体生态系统的自我恢复是十分困难的。在实施水利部“948”项目有关东湖水体富营养化治理的研究中，随着水体水质的逐步恢复，实现了该区域本土植物刚毛藻的自我恢复。而目前，大型丝状藻类在水体富营养化的治理上也已略见成效[2]，其既可以帮助降低水体富营养化减排CO2，还可以作为新型燃料，形成循环生态产业链，不仅降低湖泊的富营养化，又增加了二次利用的价值，具有很高的经济效益。目前对刚毛藻的研究大部分仍停留在试验阶段，真正意义上的天然水体中的试验研究较少。本文对刚毛藻的生态适应性及其氮磷的去除效果进行了研究，分析预测刚毛藻的生长过程，对研究刚毛藻水体富营养化控制具有重要的理论与实践意义。

1 材料与方法

1.1 材料

刚毛藻是自然界中较为常见的绿藻之一，分布广泛，藻体色泽亮丽，具有较好的观赏价值，呈附着生长利用控制而且形态大容易从水体中分离出去。刚毛藻在生长中可以吸收水体中的氮磷作为营养物质，并通过光合作用释放出氧气，提高水体溶解氧，因此，可以利用刚毛藻的生长来治理富营养化水体。目前，国内外的很多学者已对藻类污水处理技术有了一定的研究。田忠峰等[3]采用刚毛藻膜系统处理富营养化水体，发现对TN、TP、TC和TOC的去除率达到了较好的效果。凌晓欢等[4]对刚毛藻的氮磷去除效果进行了研究，表明该藻类可以有降低水体中的氮磷等营养浓度。

本试验刚毛藻来源于水利部“948”东湖碳纤维水处理示范工程试验场，见图1，试验场平均水深1.5m，面积800m2，共设置4个采样点，藻类密集区和藻类稀少区分别设置2个采样点。

图1 刚毛藻的生长

1.2 采样及测试方法

采样从10月初开始，到第二年3月底结束，每月采样2～3次，试验期间对刚毛藻的生物量、水温、pH值、溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)等指标进行测定，水温、pH值、DO为现场测定，检测仪器为美国YSI，水样采集后24h内测定TN、TP，TN的分析方法为过硫酸钾氧化法，TP的分析方法是钼酸铵分光光度法，生物量收取后，称取干重。

1.3 数据处理

试验中pH值、DO、TN、TP、生物量采样点的平均值，实验数据经Excel及SPSS软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 刚毛藻生物量与环境要素的关系

刚毛藻以其分布广泛、极易生长、容易捞取等优势，在水体污染治理中发挥着重要的作用。刚毛藻的生长与水体中多种环境因子或是生态因子有关，例如氮、磷、光照强度、水温、pH值和溶解氧等，刚毛藻生物量的多少也是这些因子共同作用的结果，每种因子产生的作用程度有所不同，相关性也有所不同[5]。实验室条件下刚毛藻的生长，与实际大型水体中刚毛藻的生长有很大的不同，实验室环境条件下，有充足的氮源、磷源、光照、气温等，而实际水体情况受外界环境的影响较大，如阴天情况下，刚毛藻不能进行正常的光合作用，就会出现一定的死亡。

2.1.1 pH值对生物量的影响

pH值在水体中主要受CO2含量的影响，藻类的光合作用是把水中的CO2转化为有机物，主要关系式如下[6]：

(1)

(2)

图2 试验周期内藻类生物量与pH值的相关性

2.1.2 DO对生物量的影响

DO的变化可以在一定程度上反映刚毛藻生物量的多少。随着刚毛藻数量的增长，光合作用产生的O2必然增多，水体中的DO含量也增多，因此刚毛藻生物量与DO的变化过程是一致的。由于DO还受水体中的COD、BOD、微生物等多种因素的影响，所以DO的趋势线与刚毛藻生长的趋势线有一定的差异。水体中DO的含量受多种因素影响，常见的有水温、微生物等，在含有藻类的水体中，DO的含量受藻类生物量的影响。因此，当水体中刚毛藻的生物量达到一定数量级时，其生物量的多少、生命活动的旺盛程度将对水体中DO含量的变化有较大的影响[7]，同时DO在一定程度上可以反映刚毛藻数量的多少。

对东湖示范工程试验场实验周期内DO与生物量数据进行分析(见图3)，发现DO与生物量的相关系数为0.83，表明 DO与刚毛藻生物量的相关性较为显著，且呈线性相关，这是因为示范区刚毛藻光合作用较强，产生大量的O2，从而使得DO上升。因此，DO与生物量有共同的消长趋势，两者相关性显著。

图3 试验周期内藻类生物量与DO的相关性

2.1.3 pH值、DO与生物量的二元线性相关关系

藻类在光合作用时利用CO2合成有机物，并且产生O2，引起水体中pH值以及DO的变化，为研究生物量、pH值、DO三者之间关系，采取多元相关关系进行分析，并设置置信度0.99进行显著性检验，结果证明pH值、DO均通过检验，建立的多元回归方程如下：

y=1.071x1+7.42x2-61.728

(3)

式中：y为生物量；x1为DO；x2为pH值。

相关系数R=0.909，相关系数较高，证明计算结果较为合理。因此，可以根据pH值和DO的变化来预测生物量的变化，且能达到较高精度。

2.2 刚毛藻对水中氮磷的去除效果

在光合作用下，刚毛藻藻类细胞能吸收利用水体中的无机氮和有机氮化合物作为氮源，利用CO2和碳酸盐作为碳源，进行光自养生长代谢，被吸收的硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐合成藻细胞氨基酸和蛋白质等物质。水体中的磷酸盐在有氧的条件下，能直接被藻细胞所吸收，并通过多种磷酸化途径转化成ATP、磷脂等有机物，在无氧的条件下，形成磷酸盐，并且刚毛藻在光合作用下吸收二氧化碳的同时释放出氧气，提高水体中的溶解氧，促使碳纤维生物膜上的微生物降解有机物；溶解氧升高也可以促进原生动物或微型后生动物的生长，原生动物或微型后生动物对水中有毒藻类生物有捕食作用，通过食物链来控制水中有毒藻的生长。以微生物为食的小鱼小虾等其他小生物会聚集在藻场的周围，碳纤维-藻场成为鱼类及其他高级水生动物的优良卵床与养育空间，逐步建立起以微生物、藻类、小虾、鱼类为基础的水生态系统，生态多样性得到恢复。

2.2.1 刚毛藻对磷的去除

图4 示范区TP随时间的变化关系

对刚毛藻生长周期内对磷的去除规律进行研究，TP随时间的变化规律见图4。 11月、12月刚毛藻大量生长，TP浓度由0.09mg/L迅速降低到0.05mg/L和0.03 mg/L，去除率分别达到44.4%、40.0%；1月、2月随着温度降低且阴雨天气较多，导致刚毛藻的生长受到一定的抑制，相应的刚毛藻数量减少， TP浓度由0.03mg/L降低到0.02 mg/L，去除率为33.3%，去除率较11月、12月低。磷在合成细胞的过程中，主要是以H2PO4-、HPO4-的形式被吸收。刚毛藻为着生藻类，其生长主要集中在水体的上层，在光合作用下，不断消耗水体中的CO2，从而导致pH值的增大，诱导钙磷的沉积。此外，刚毛藻的生长还将同化部分磷。因此刚毛藻的生长可以降低水体中的可溶性磷含量。

试验场刚毛藻经历了从生长到死亡的过程，由试验中可知，定期取出水体中的部分刚毛藻藻体，可以实现水中磷的去除。

2.2.2 刚毛藻对氮的去除

图5 示范区TN随时间的变化关系

3 结 论

实现良性的生态环境、资源循环利用、能量平衡是维持可持续发展的重要议题。在这条链上，藻类生物充当了主角。废水一方面是污染源，另一方面又是可利用资源。将废水用来培育高产油高蛋白藻类生物，同时治理废水、减排二氧化碳，实现废水资源循环利用是可持续发展的必然途径。本文在水利部“948”项目有关东湖水体富营养化治理的研究中，重点探讨了培育刚毛藻的环境与生物量关系，用DO、pH值两个指标来分析它们与藻类生物量的相关性，并对天然条件下刚毛藻对富营养化湖泊水中的氮和磷的净化效果进行研究。主要结论如下：

a. pH值、DO与刚毛藻的生物量有较好的相关性，相关系数分别为0.89、0.83，采用多元线性相关关系进行分析，pH值、DO、刚毛藻生物量三者之间有更好的相关性，相关系数达到0.909，因此可以根据多元回归方程确定刚毛藻生长的预报参数；刚毛藻对氮磷有快速高效的净化效果，去除率分别为76.7%和77.8%。刚毛藻从生长到死亡的过程可能会引起水体中TN、TP的波动，因此要定期取出水体中的部分刚毛藻藻体，以实现水中氮磷的去除。

b.随着石油资源的日益减少及实现低碳经济的迫切需要，藻类能源已成为世界各国重点研究与发展的战略方向。刚毛藻具有分布广、油脂含量高、环境适应能力强、生产周期短、产量高等特点，细胞内脂类含量丰富，可达到自身干质量的10%～70%，有的甚至可以达到80%，具有巨大的制油潜能。国外对高产油藻类的研究已经如火如荼地进行，我国近几年才开始进行初步的研究，未来刚毛藻将以其优异的性能成为研究的热门领域，其应用前景相当广阔。