刚毛藻除磷的最佳藻量及效果分析

胡帅龙，孙力平，王晨晨，黄盼盼，钟 远，杨 帅

（天津城建大学 环境与市政工程学院，天津 300384）

1 材料与方法

实验藻种采自以大沽河为水源的天津市西青郊野公园，显微镜镜检表明，藻体以寡枝刚毛藻（cladophora oligoclona）为优势藻，同时存在其他藻类.将寡枝刚毛藻藻丝分离出来后，用蒸馏水反复清洗藻体，去除附着藻体表面的杂质和其他藻类，置于稀释4 倍的BG11 培养基（模拟藻体原生长水质环境）中，待培养出足够数量新生藻丝后，再转移至蒸馏水中“饥饿”培养3 d，目的是消耗藻体内磷，用于后续实验.

1.1 刚毛藻最佳藻量实验设计

将刚毛藻置于1 L 烧杯，分别加入800 mL 稀释4倍的BG11 培养基（含磷量约为1.8～1.9 mg/L）和大沽河水（含磷量约为1.4～1.5 mg/L），并用纱布包扎好瓶口，防止灰尘或其他杂质落入，整个过程在洁净工作台上进行，最后放入已用紫外灯消毒的光照培养箱中，光照为 2 800 lx，光暗比为 16 ∶8，温度为 24 ℃.藻量（湿重）梯度为 0，1，2，3，4 g/L，其中 0 g/L 为空白组，其他组为实验组，每组分别设置3 个平行样.监测时间点设为第 1 天、第 3 天、第 5 天、第 7 天、第 9 天、第11 天.稀释4 倍的BG11 培养基的检测指标为PO4-P，大沽河水的检测指标为PO4-P、TP、温度.

1.2 刚毛藻净化景观水原水实验设计

实验条件为室内模拟环境，光照为8 000～12 000 lx，温度为20～25 ℃，投加藻量（湿重）为2 g/L，每种处理水设置3 个平行样.实验用水为大沽河水和某污水处理厂二级出水，置于1 L 的烧杯中培养.监测时间点设为第 1 天、第 3 天、第 5 天、第 7 天、第 9 天、第 11 天.检测项目有TP、PO4-P、Chl-a、刚毛藻生物量和微藻细胞数量.

1.3 实验中相关参数的测定及数据处理

总磷和磷酸盐等参数测定参照《水和废水监测分析方法（第四版）》[11]；刚毛藻湿重的测定方法为滤纸吸取水分后称重[12]；采用分光光度法来测定Chl-a 浓度的大小；浮游藻类的识别可按照胡鸿钧等[13]规定的方法进行识别；浮游藻类的计数方法采用血球计数板法.

刚毛藻生物量的计量方法：

（1）实验开始及结束阶段，将刚毛藻取出，先使用真空抽滤，再用滤纸进一步吸水，放入电子天平中称量，记录藻重.

（2）将电子天平上的刚毛藻取下，重复步骤（1），直至相邻两次称量的差值不超过2 mg，记录最后一次的藻重为最终的数值.

老贾一摇手：“山不在高，有仙则灵。我老家那里的和尚很有名，据说都是反右时逃难躲进破庙里的，后来也不想还俗了，干脆当起了真和尚。村里有什么疑难杂症，反倒去找他的治好了。”

（3）以上步骤重复3 次，取平均值作为藻体的湿重.

抑藻率计算公式：抑藻率=（空白组藻数量-实验组藻数量）/空白组藻数量

使用 Microsoft office Excel 2016 和 Origin 2017 软件进行数据分析与绘图.

2 结果与分析

2.1 刚毛藻最佳藻量

2.1.1 培养基刚毛藻最佳藻量

图1 为培养基不同时间PO4-P 质量浓度变化，可以看出实验组前3 天PO4-P 质量浓度下降明显，到第3 天时，实验组中PO4-P 的平均质量浓度为0.47 mg/L，各实验组平均去除率达到了74.65%. 林秋奇等[14]指出，水网藻能快速吸收氮磷，水网藻在前3 天几乎完成了对各种营养盐的吸收.张新龙等[15]指出，PO4-P 在第3 天达到很高的去除率，和本实验中刚毛藻在前3天对磷的去除率较高的现象一致.

在3～7 d PO4-P 质量浓度下降较缓，分析为第3天以后刚毛藻主要利用藻体内储存的磷，到第7 天时实验组中PO4-P 的平均质量浓度为0.40 mg/L，PO4-P平均去除率为78.12%，相对第3 天仅仅升高了3.47%.在7～9 d PO4-P 质量浓度下降较快，分析为第7 天以后藻体内的磷不足以维持其生长代谢，刚毛藻需要再次吸收周围环境中的磷，最终平均去除率为98.56%.在前7 天的过程中，1 g/L 组去除率明显低于其他组别，可见，1 g/L 组较其他三组吸收磷处理效果差.在整个实验过程中，2 g/L 组同 3 g/L 组、4 g/L 组有近似的处理效果，并且最终的PO4-P 也均趋于零. 可见，如果在2 g/L 的基础上增加投藻量并不会明显的提升PO4-P 去除速度和去除率.

表1 为在不同投藻量下培养基中生物量（湿重）变化情况，可以看出2 g/L 组具有最大的生物量增量，增加百分比为156.00%，均大于3 g/L 组和4 g/L 组；2 g/L组最终藻量 5.12 g/L，虽然小于 3 g/L 组、4 g/L 组的 5.97 g/L 和 6.49 g /L 值，但 3 g/L 组、4 g/L 组对PO4-P 的去除效果与2 g/L 组相同，因为藻的生长会受光照和自身竞争等原因的限制，藻量过多，藻密度过大，会抑制藻的代谢.

综上所述，在培养基PO4-P 初始质量浓度≤2 mg/L的理想条件下，刚毛藻在培养基中的最佳投藻量（湿重）为2 g/L.

表1 培养基中各组生物量（湿重）变化

2.1.2 大沽河水刚毛藻最佳藻量

图2 为在不同投藻量下，大沽河水PO4-P 质量浓度随时间变化情况. 在4 个实验组中，大沽河水中PO4-P 质量浓度在前3 天下降较快，第3 天时各组PO4-P 质量浓度均值为0.12 mg/L，平均去除率为92.06%，可见，在实际水体培养条件下，刚毛藻同样存在过度吸收磷并储存现象.PO4-P 质量浓度在第11 天达到最低值且趋于零，平均去除率达到99.44%. 空白组在0～9 d 降幅较大，第9 天时的PO4-P 质量浓度为0.44 mg/L，去除率为67.98%，这与培养基条件下空白组几乎无变化存在明显差别，这可能是因为河水中含有大量可利用磷的微生物并起到了降低磷浓度的作用所致.

图3 为在不同投藻量下，大沽河水TP 质量浓度随时间的变化情况.TP 质量浓度在第7 天达到最低，实验组中TP 质量浓度均值为0.12 mg/L，平均去除率为93.66%；在第7 天至第11 天期间，TP 质量浓度小幅升高，第11 天TP 均值上升为0.22 mg/L，这可能是藻体释放或部分刚毛藻死亡分解所致，表明投藻时间7 d 为佳.

图2 大沽河水不同时间PO4-P 质量浓度变化

图3 大沽河水不同时间TP 质量浓度变化

对比图 1 和图 2 可知，第 3 天、第 5 天、第 7 天各实验组河水中PO4-P 平均去除率分别为91.98%，94.75%，96.59%，均高于培养基中的PO4-P 平均去除率74.65%，76.39%，78.13%. 这是因为刚毛藻表面的细菌可增强藻类对不易吸收的形态磷的转化并供藻类利用[16]，表明大沽河水中形成菌藻共生系统，其对磷的处理效率优于纯种刚毛藻，在利用藻类处理污水的技术中，菌藻共生系统具有较强的净化优势[17]. 藻类通过光合作用产生氧气，作为好氧细菌呼吸降解污染物的电子受体去除污染物，同时细菌呼吸产生的二氧化碳也能供藻类进行光合作用[18].

表2 为不同投藻量下，大沽河水生物量（湿重）变化，可见，2 g/L 组生物量增量为4.06 g/L，均大于其他3 组生物量增量，这同在培养基中培养时的现象及规律相同.

综合考虑，从河水中PO4-P、TP 质量浓度的变化和不同藻组生物量的变化，可以确定，在现实条件下，温度为20～25 ℃时，大沽排污河水中刚毛藻的最佳投藻量（湿重）为2 g/L，最佳投藻时间为7 d.

表2 大沽河水各组生物量（湿重）变化

2.2 刚毛藻对景观水原水除磷效果及生物量变化

图4 和图5 分别为不同原水中PO4-P 质量浓度变化和不同原水中TP 质量浓度变化.

图4 不同原水中PO4-P 质量浓度变化

图5 不同原水中TP质量浓度变化

由图4 和图5 可知，PO4-P 和TP 质量浓度在前3天降幅较大.第3 天时，河水和某水厂二级出水的TP质量浓度分别为0.10 mg/L 和0.11 mg/L，去除率分别为95.70%和95.36%；PO4-P 质量浓度分别为0.03 mg/L和0.03mg/L，去除率分别为98.69%和98.25%.第3 天后趋于平稳，河水和某水厂二级出水的TP 最终质量浓度分别为0.07 mg/L 和0.13 mg/L，去除率分别为96.88%和94.46%，分别符合地表水Ⅱ类和地表水Ⅲ类水质标准；PO4-P 最终质量浓度分别为0.01 mg/L和0.002 mg/L，最终去除率分别为99.74%和99.93%，这说明刚毛藻对景观水体有很好的除磷效果.况琪军[19]利用刚毛藻处理富营养化湖泊水时发现，刚毛藻对PO4-P 和TP 的去除率分别为79.67%和77.66%，均低于本实验中去除率.这可能与光照条件不同有关[20]，况琪军实验的光照条件为光暗比14 ∶10，而本实验的光照条件为光暗比16 ∶8，可能此光照条件对刚毛藻的除磷更有利.另外由汤会军等[21]研究可知，由于实验环境、实验条件和实验操作等因素影响，会导致各实验中藻初始密度和饥饿程度不同，并影响藻对氮磷的去除效果.

表3 为不同实验组生物量（湿重）变化，河水中生物量增加百分比为43.13%，远远小于二级出水中生物量增加百分比115.13%，其原因可能是因为河水未经任何处理，成分复杂，其中某些有毒有害物质可能抑制了刚毛藻的生长；也可能是污水处理厂尾水中，氮磷营养物质比较丰富，有除磷脱氮工艺的水厂尾水中富含相应的除磷脱氮菌，营造了相对于河水更好的“菌藻共生”体系所致.Çelekli 等[22]的研究也说明了多种环境因素对于藻类生长都有影响.

表3 不同实验组生物量（湿重）变化

2.3 刚毛藻对景观水浮游藻类的抑制

Chl-a 的多少直接反映藻类光合作用的强弱及生长状态的好坏[23]. 表4 为不同实验组Chl-a 的变化，对比空白组和实验组的Chl-a 质量浓度，空白组中二者的Chl-a 质量浓度变化量分别为-18.740 μg/L 和7.340 μg/L，而投加刚毛藻后（实验组）其Chl-a 质量浓度均表现出抑制，Chl-a 质量浓度变化量分别为-54.530 μg/L 和4.680 μg/L，说明刚毛藻对微藻的生长具有抑制作用，且河水中的刚毛藻对于微藻的抑制作用显著，河水中Chl-a 质量浓度出现了负增长，但幅度小于实验组，某水厂二级出水中Chl-a 质量浓度的增量也要低于空白组. 陈卫民[24]指出，水生植物可以释放某种化感物质抑制浮游藻类的光合作用，从而抑制了浮游藻类的生长并致其死亡. 雷国元[6]指出和水生植物一样，刚毛藻与微藻之间存在化感现象，刚毛藻会分泌抑制微藻生长的化感物质.从Chl-a 的质量浓度变化说明刚毛藻对微藻的生长有很好的抑制作用.

表4 不同实验组Chl-a 变化 μg/L

表5 为不同实验组微藻细胞数量的变化，对比空白组和实验组的微藻细胞数量，实验组中河水和某水厂二级出水的藻细胞数量增量分别为-1.8×105个/mL和 2.0×104个/mL；均小于空白组中二者的藻细胞数量的增量（-6×104个/mL 和 3.1×104个/mL），也进一步说明了刚毛藻对微藻生长具有抑制作用，根据抑藻率公式计算可得，大沽排污河河水的抑藻率为50%，某污水处理厂二级出水的抑藻率为35.48%.

表5 不同实验组微藻细胞数量变化 个/mL

从Chl-a 质量浓度和微藻细胞数量的变化量可以看出，刚毛藻对微藻的生长产生较强的抑制作用.这可能是刚毛藻对氮磷等营养物质的吸收和浮游藻类形成了竞争关系，且刚毛藻竞争力强；也可能是刚毛藻分泌的化感物质抑制了浮游藻类的生长.

3 结 论

（1）在原水初始TP 质量浓度低于2 mg/L 时，刚毛藻的最佳藻量（湿重）为2 g/L，最佳投藻时间为7 d，TP去除率为93.66%，PO4-P 去除率为99.44%.增加投藻量并不会明显地提升TP 去除速度和去除率，且延长投藻时间会因藻类死亡引起TP 值的上升.

（2）相比单一刚毛藻，菌藻共生系统对原水除磷效果更好，刚毛藻用于河道水和城市污水二级处理出水除磷效果良好，河水和某水厂二级出水的TP 最终去除率分别为96.88%和94.46%，质量浓度分别为0.07 mg/L和0.13mg/L，PO4-P 最终去除率分别为99.74%和99.93%，最终质量浓度分别为0.01 mg/L 和0.002 mg/L.

（3）刚毛藻不仅可有效吸收水体中磷，而且对可能形成水华的微藻有很好的抑制作用，其中大沽河水的抑藻率为50%，某污水处理厂二级出水的抑藻率为35.48%，说明可以利用其易附着特性来净化城市景观水体原水.