两种微藻与水溞的两种组合对污水的净化效果研究

聂呈荣，曾 琪，肖 燕，邓冬梅，管依依，黄 钰，邓日烈，温玉辉，董 珊

（佛山科学技术学院园艺系，广东佛山528231）

水污染现象随着工业进步和社会发展越来越严重。目前，废水二级处理后出水的氮磷含量较高，氮磷的过量排放是造成水体富营养化的原因。传统的生化二级处理除磷工艺是大量的磷从污水转到污泥中，不能从根本上处理污水氮磷含量高的问题。利用微藻与水溞组合来净化污水简单，且价格低，值得进行研究。

（1）小球藻（Chlorella）及斜生栅藻（Scenedesm us obliquus）是绿藻门无毒微藻，是水体中的初级生产者，易于培养，可吸附污水中氮磷[1]，使水中的氮磷等污染物质沿食物链传递而起到净化作用，并能吸收部分重金属[2]。

（2）微藻是一个潜在的可再生能源，可利用废水作为藻类生长营养[3]。小球藻和斜生栅藻还可作为鱼虾等水生动物的饵料。

（3）水溞（Daphnia magna）分布广泛，繁殖能力强，以藻类、细菌等为食，一只水溞一昼夜可摄食藻类2～7万个藻细胞[4]，控制藻类的生长速度，种群密度将直接影响到水体中的初级生产者（藻类、细菌）和次级消费者（鱼类）的生活及生态平衡。

邓祥元、丁婉婉等[5]的实验结果表明小球藻和斜生栅藻都有去除水体氮磷的能力，但在水体净化实施中，当藻类大量繁殖时可能对水体造成二次污染，目前有采用藻类固定化的净化培养方式。浮游动物虽然降低了藻类的现存量，但它们提高了营养物质循环的速率，因而当营养水平限制时，会刺激存活藻类的生长速率。

本试验基于初级生产者的营养生长及初级消费者的食物链，在藻类和水溞都相对适宜的氮磷浓度下，研究水溞与两种藻类单个因素或联合因素对污水水体的影响，比较实验组之间的差异性，从而找到污水净化的更低成本的优化处理方案，为城市污水的进一步净化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 小球藻与斜生栅藻

小球藻和斜生栅藻购买自安徽省无为县泉塘镇农大水产技术服务部，培养密度达到2×106时，用BG11培养基扩繁，生化培养箱恒温26℃、恒光1 200 lx培养。每天定时人工搅拌3次，每次1 min。

1.1.2 大型水溞

水溞从广东佛山市狮山镇兴贤村取回，经电镜拍照分析为大型水溞，试验水溞属于同一母体同一体系，早上8:00以定量小球藻喂食，晚上20:00以定量斜生栅藻喂食，达到食物驯化效果，实验前饥饿培养24 h，生化培养箱恒温26℃、恒光1 200 lx培养。

1.1.3 试验水体

为防止实际污水中的某些物质干扰实验，本实验采用人工培植的培养液为实验对象，按实验要求在BG11培养液的基础上调整氮磷含量，即以分析纯KNO3和KH2PO4配制成氮磷比为约为7∶1（氮浓度为39.65 mg/L、磷浓度为5.64 mg/L）的拟污水溶液。因磷是藻生生长的关键限制因子，故在藻液和水溞适合的氮磷比15∶1上增加一倍磷。

1.1.4 试验仪器

该仪器包括DBR200消解器、DR200小型可见分光光度计、生化培养箱、BOD测定电极、溶解氧测定电极以及pH玻璃电极。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理

根据水溞的摄食量，取密度相等其值均为1.2×107cfu/mL小球藻与斜生栅藻，按表1配置实验组，加入到250 mL等量试验水体中，试验组的藻类密度初始均为2×106cfu/mL，每个处理组设3个重复，置于温度26℃、光照1 200 lx生化培养箱中培养。在培养过程中每隔12 h取样测量，测量数据通过SPSS进行分析。

表1 两种藻类及水溞的不同处理

1.2.2 水体指标测量

水体各指标的测量方法分别如下所述。

（1）总氮。总氮采用碱性过硫酸钾消解分光光度法（GB11894—89），取上清液测量。

（2）总磷。总磷采用钼锑抗分光光度法（GB11893—89），取上清液测量。

（3）化学需氧量 COD（Chemical Oxygen Demand）。化学需氧量采用重铬酸钾法（GB11914—89），取上清液测量。

（4）生化需氧量BOD（Biochemical Oxygen Demand）。BOD代表了水中有机物的含量，水中有机物越多，消耗的溶解氧越多，造成水生生物死亡。生化需氧量采用BOD测定仪测量。

（5）pH值。pH值采用pH玻璃电极测量。

（6）溶解氧。OD值用便携式溶解氧测定电极测量，测量温度25℃。

（7）藻的生物量。藻液的密度采用光密度测量法，用V-1000型可见分光光度计在适合藻的波长680 nm处测量[6]。在显微镜下用血球计数板计数得到斜生栅藻原藻液初始密度值为15.8×106cfu/mL，小球藻原液初始密度值为11.6×106cfu/mL，吸光度以试验水体调零，测量1、2、10、15、20稀释倍数藻液的吸光度，绘制吸光度-藻细胞密度曲线。

斜生栅藻细胞密度（D1）与吸光度（OD680）间的标准曲线为

球藻细胞密度（D2）与吸光度（OD680）间的标准曲线为

1.2.3 指标计算

各指标的计算公式分别为

2 结果与分析

2.1 氮去除率

4种处理对总氮的影响如图1所示。

图1 4种处理对总氮影响

根据图1a可知，4种处理水体氮含量变化规律大致相同，24 h内缓慢降低，24～36 h快速升高，48 h后B、D组呈缓慢下降的趋势，A、C组呈先缓升后缓降的趋势。氮在24～36 h突然升高的可能是因为原先高氮磷培养的藻类细胞死亡后经分解转变成无机氮化物，且藻的生长繁殖排出部分氮化合物到体外，使水质中的氮含量突然增高。

（1）A、C组对比。A组有水溞的处理在24 h内氮的下降速度比C组快，到后期氮浓度变化与C组无显著差异。

（2）B、D组对比。B组有水溞的处理24 h内氮的下降速度比D组慢，36 h后，B组氮含量升高与D组无显著差异。

（3）C、D组对比。C组试验前后氮浓度降低比D组大，得出小球藻升高量比斜生栅藻的低。

根据图1b可知，以D组斜生栅藻的氮升高最慢，C组小球藻的氮升高快。B、D组斜生栅藻氮的升高比A、C显著高（p＜0.05），说明在氮浓度为40 mg/L时，斜生栅藻的延缓期的氮升高变化比小球藻小。且在氮浓度为40 mg/L时，水溞对小球藻氮去除能力有提高促进作用（p＜0.05），水溞对斜生栅藻去除氮的能力影响不显著（p>0.05）。

由此可知，对高氮污水来说，斜生栅藻和水溞的处理组去除氮的效果最好。

2.2 磷去除率

4种处理对总磷的影响如图2所示。

图2 4种处理对总磷影响

根据图2a可知各组对比的情况。

（1）A、C组对比。A组有水溞的处理在36 h内的磷呈下降趋势，36 h后上升，C组磷含量始终下降，说明小球藻中生活的水溞生长繁殖活动会提高水体磷浓度。

（2）B、D组对比。12 h内B组有水溞的处理磷升高而D组降低，可能是水溞的活动影响了水体磷浓度，属于水体磷变化迟缓期，24 h后B组磷一直呈下降趋势，且比D组下降显著（p<0.05）。说明水溞可以显著提高斜生栅藻降低水体磷磷含量的能力。

（3）C、D组对比。小球藻的去除磷的能力显著比斜生栅藻高（p<0.05），得出磷浓度为5.5 mg/L时，短期内小球藻的磷去除能力比斜生栅藻高。

根据图2b可知，在磷浓度为5.5 mg/L时，96 h内以C组小球藻的处理磷去除能力最高，最低是A组小球藻和水溞的处理。对比A、C和B、D组，发现水溞对小球藻去磷能力为负影响，对斜生栅藻去磷能力为正影响。

由此可知，对高磷污水来说，斜生栅藻和水溞的处理组去除氮的效果最好。

2.3 对水体COD的影响

4种处理对COD值的影响如图3所示。

图3 4种处理对COD值影响

根据图3a可知，4个处理组水体COD在96 h内都呈下降趋势。

（1）A、C组对比。A组有水溞的处理COD比C组的含量稍高，到后期两组COD含量都接近0，说明水溞对小球藻COD去除能力影响不大。

（2）B、D组对比。B组有水溞的处理COD值始终比D组低，且B组的COD去除速率也始终比D组高，说明水溞对斜生栅藻COD去除能力有显著提高.

（3）C、D组对比。得出小球藻水体的COD总体值较低，斜生栅藻水体的COD总体值偏高，可能是因为小球藻的沉降程度比斜生栅藻高，导致测得的COD值相差比较大。

根据图3b可知各组对比的情况。

（1）C、D组对比。小球藻的COD去除能力比斜生栅藻高。

（2）A、C组对比。C组去除率显著高（p<0.05），可能是因为水溞大量摄食藻类，使藻类的COD去除能力降低了，但去除效率相差不远。

（3）B、D组对比。B组COD去除率比D组极显著高（p<0.05），说明水溞的繁殖生长对斜生栅藻去除COD的能力有很大的提升效果。

（4）A、B组对比。A、B组去除率差异不显著，但小球藻的COD值比斜生栅藻低。由此可知，以A组小球藻和水溞的处理组COD去除效果最好。

2.4 对水体BOD的影响

4种处理对BOD的影响如图4所示。

根据图4a可知各组对比的情况。

（1）A、C组对比。A组有水溞的处理BOD始终下降趋势，而C组呈平缓上升趋势。

（2）B、D组对比。B组有水溞的处理BOD值始终比D组呈下降趋势。

（3）C、D组对比。得出小球藻的降低BOD值的能力比斜生栅藻高。

根据图4b可知，A组BOD去除率最高，D组BOD去除率最低；A组去除率比C组显著高（p<0.05），B组比D组显著高（p<0.05）。说明水溞对两种藻类BOD的去除能力有显著提高；A组比B组去除率显著高（p<0.05），得出水溞和小球藻的组合比水溞和斜生栅藻组合的BOD去除能力高；而对比C、D组得出藻类的处理组的BOD呈上升趋势，斜生栅藻的上升程度比小球藻大。

由此可知，小球藻和水溞的处理组合能使污水中的BOD的降低效果最好。

2.5 对水体溶解氧的影响

4种处理对溶解氧的影响如图5所示。

根据图5a可知，A、B组的溶解氧呈缓慢下降趋势，其中A组降低的快；C、D组的溶解氧呈上升趋势，其中D组上升的快。说明水溞会使水体的溶解氧降低，斜生栅藻光合产生的氧气比小球藻多，可以显著增加水体溶解氧。这是因为水溞在水体中呼吸，消耗了溶解氧，使水体溶解氧降低，但从数据可以看出A、B组的水体溶解氧约为6.5，仍处于较好的溶解氧值范围内[8]，72 h内水溞处理组和藻类处理组的溶解氧相差最大约为4 mg/L，不构成对水体其他生物的影响。

图5 4种处理对溶解氧影响

根据图5b可知，对比A、B组，水溞与小球藻处理组的溶解氧降低得比水溞和斜生栅藻的显著低（p<0.05）；对比C、D组，斜生栅藻光合作用释放的氧气比小球藻的显著多（p<0.05）。

由此可知，斜生栅藻的增氧效果最好，斜生栅藻和水溞的处理耗氧量比小球藻低，更适合污水治理。

2.6 对水体pH值的影响

4种处理对pH值的影响如图6所示。

图6 4种处理对pH值影响

根据图6a可知，水溞与两种藻类的处理组A、B组pH值在24 h内缓慢上升，24 h之后缓慢下降至接近中性；C、D组pH值逐渐上升趋势，其中斜生栅藻pH值上升比小球藻快。两种藻的处理组C、D的pH值上升，是因为藻细胞光合作用消耗水中溶解CO2，使水中CO2平衡，而

向左进行，使水中的OH-增加，pH值升高[7]。而A、B组水溞的处理组可能因为水溞的新陈代谢物使水中的pH值趋于中性。本实验以pH值的变化量越小越好，说明该处理对水体的pH值影响较小。

根据图6b可知，对比A、B组，A组处理对水体pH值显著降低，说明水溞和斜生栅藻的处理对水体pH值的影响较小；对比C、D组，D组显著升高的快，说明斜生栅藻的繁殖比小球藻更能使水体pH值升高。

由此可知，水溞和藻类的处理具有平衡水中酸碱性的作用，其中尤以水溞和斜生栅藻的处理更为稳定。

2.7 对水体藻密度的影响

4种处理对藻密度的影响如图7所示。

根据图7a可知，C、D组的生长曲线明显高于A、B组藻类的生长曲线。说明水溞的存在对于藻类数量的控制是显著的，其中36 h前水溞对斜生栅藻的摄食量比小球藻的大，36 h后两种藻的密度趋近。

图7 4种处理对藻密度的影响

根据图7b可知，A、B组的藻类在96 h内呈现负增长状态，而C、D组的藻类增长的很快，A、B组间差异不显著（p>0.05）。C、D组间差异不显著（p>0.05），而A组显著低于C组（p<0.05），B组显著低于D组（p<0.05）。说明水溞对藻类的摄食行为可以有效地控制藻的密度。

2.8 水体水溞数量变化

水体水溞数量变化如下所述。

（1）A组水溞+小球藻。0 h时55只，96 h时增长至504只。

（2）B组水溞+斜生栅藻。0 h时55只，96 h时增长至490只。

（3）A、B组的水溞变化。A、B组的水溞变化对比差异不大，以B组稍有优势，说明水溞在两种藻类中都可以较好地生长繁殖。另外以水溞的增长速度可以得出当氮浓度为39.65 mg/L、磷浓度为5.64 mg/L时，水溞对水体的适应程度较高，可以为水溞的污水治理或培养提供参考。

2.9 对水体综合净化的影响

4种处理对水体的净化效果如表2所示。

表2 4种处理对水体的净化效果

由表2综合各种指标来看，B、D组的氮去除率较好，之间差异不显著；C组的磷去除率和COD去除率最好；A组的BOD去除率最好；D组的溶解氧增加率最高；A组的pH值变化量最小；A、B组的藻密度增加的较慢，之间差异不显著。

而比较A、B两组，B组的氮去除率、磷去除率和溶解氧增加率都优于A组；A组的BOD去除率和pH值变化量优于B组；COD去除率和藻密度的变化率则二者差异不显著。

由此可知，B组的处理优于A组的处理，即斜生栅藻和水溞的组合更适于污水的净化。

3 小结

当水体污染的氮浓度为39.65 mg/L、磷浓度为5.64 mg/L时，对于小球藻和斜生栅藻两者分别和水溞的净化处理，以斜生栅藻对水溞的综合净化效果为较显著。

短期内水溞对于藻类去除氮的能力的影响不显著；短期内水溞能提高斜生栅藻对磷的去除能力，而对小球藻去除磷的能力影响不显著；短期内水溞对于藻类数量的控制，水体BOD、COD及pH值有促进降低的效果。

“恢复生态学”专栏征稿

人类在利用和改造自然的过程中，伴生着对自然环境的负面影响。长期的工业和农业污染、大规模的森林采伐以及将大范围的自然环境逐渐转化为农业和工业景观，产生了以生物多样性降低、生态服务功能丧失为特征的各式各样的退化生态系统。面对环境污染、植被破坏、水土流失和生物多样性丧失的严峻形势，如何使退化生态系统得以恢复和重建，受到国际社会的广泛关注。为拓展对退化生态系统恢复与重建的研究，本刊自2010年开辟“恢复生态学”专栏以来，坚持发表相关生态恢复专题的论文，收到了很好的效果，2018年继续开辟该栏目，欢迎国内外相关研究的专家学者赐稿。聂呈荣教授为本栏目特邀主持人；任小平老师为本栏目责任编辑，投稿邮箱：renxp90@163.com。

佛山科学技术学院学报（自然科学版）