鎖磷劑-硅藻土聯合除磷控藻模擬實驗研究

鄭婉寧 ，蘇玉萍，2*，劉鍵熙，2，劉雨詩，陳小燕

(1.福建師范大學環境科學與工程學院，福建 福州 350007；2.福建師范大學，福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室，福建 福州 350007)

水體富營養化(Eutrophication)引起有害藻類大量繁殖，不僅導致全球湖泊水質嚴重下降，而且威脅湖泊生態安全[1]。據統計，20世紀70年代末到80年代，我國富營養化湖泊個數從41%上升到61%，90年代后期高達77%，湖泊富營養化現象越來越嚴重[2]。在眾多影響藻類生長的必要元素中，磷是藻類生長繁殖的主要營養元素之一[3]。因此，降低湖泊中磷含量成為減少富營養化的主要措施。湖泊中的磷來源主要分為內源磷與外源磷，而當外源磷得到控制時，內源磷對富營養化的發生起到至關重要的作用[4]。

鎖磷劑投加量的不同對降低富營養化水體中磷含量產生不同效果，鎖磷劑投加量的理論值是基于上覆水體、沉積物間隙水中生物可利用性磷濃度，根據磷質量濃度∶鎖磷劑=1∶100計算得到[16]。然而研究表明，鎖磷劑的理論投加量并不能使鎖磷劑的結合能力達到理論值。 Reitzel等發現100∶1的投加量對沉積物中釋放出來的磷只能達到一半的理論效果[17]。Dithmer等采用鎖磷劑理論投加量應用于Store S?gaard湖泊中，水體中SRP濃度降低不明顯[12]。

為確定最佳鎖磷劑投加量并以最低成本獲得持久的磷含量降低效果。本研究通過觀察不同投加量鎖磷劑和硅藻土對磷的去除效果，以及鎖磷劑和硅藻土的聯合使用對水體中浮游植物的群落組成和豐度的影響，并結合經濟效益進行分析。最終得到鎖磷劑與硅藻土較適宜的投加量，為富營養化水體治理與制定合理的水資源管理目標提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 實驗樣品

實驗水體取自南方某高校景觀湖泊，該湖泊水體流動性差，水樣渾濁且自凈能力差。

該實驗水體TP含量為1.01 mg/L，SRP含量為0.49 mg/L，占TP的46.74%。 實驗水體中浮游植物豐度為6.48×108cells/L，主要以藍藻門的微囊藻為主，占浮游植物生物總量的76.92%；其次為硅藻，占浮游植物生物總量的12.78%(圖1)。根據湖泊富營養化分級評價標準[18]，該景觀水體的TP、SRP含量以及浮游植物的豐度達到了劣Ⅴ類水體的標準，其營養類型為極度富營養化。

1.2 實驗方法

鎖磷劑投加量的設定基于水體和沉積物中生物可溶性磷濃度，根據鎖磷劑∶磷質量濃度=100∶1計算得到(即100 g鎖磷劑固定1 g的磷)。因水體中SRP濃度為0.49 mg/L，故鎖磷劑的理論投加量為49 mg/L。研究表明，野外水樣的水體環境復雜，存在多種干擾物質會影響La與SRP結合，故鎖磷劑投加量選擇大于1倍理論投加量[17]。本文分別選擇1.0、1.2、1.5倍理論投加量進行實驗。硅藻土投加量分別選擇40 mg/L、80 mg/L[19]。具體投加量見表1。

表1 試驗不同組的投加量Tab.1 Experiment dosing mode design

實驗將1 L的水樣加入1 L燒杯中，根據設計好的投加量(見表1)將鎖磷劑與硅藻土配制成泥液，用噴灑的方式投加于燒杯內，每組設置3個平行樣。將燒杯置于光照培養箱中培養30 d(溫度：25℃；光暗比為12h∶12h；光照：2 500 lx)。于第2、5、10、20、30天測定水體的總磷(Total phosphorus，TP)、可溶性活性磷(Soluble reactive phosphorus，SRP)；于第2、5、10、30天測定浮游植物豐度和群落結構。

1.3 分析方法

1)總磷(TP)的測定：過硫酸鉀—鉬酸銨分光光度法[20]。

2)活性磷(SRP)的測定：鉬銻抗分光光度法[21]。

3)藻生物量與群落結構：顯微鏡直接記數法。

4)數據分析：SPSS Statistics 19差異性分析。

2 結果

2.1 鎖磷劑與硅藻土聯用對TP濃度影響

不同投加量的鎖磷劑和硅藻土對水體總磷濃度的變化如圖2所示。對照組的TP濃度先上升后下降，于第二天達到最高值為1.17 mg/L。各實驗組在實驗周期內TP濃度都呈下降趨勢，實驗周期結束后，各組總磷的去除率大小為1.2Phl+80DM>1.5Phl+80DM>1.5Phl+40DM>1.2Phl+40DM>1.0Phl+40DM>1.0Phl+80DM。其中，1.2Phl+80DM組去除率最高，達到65.9%；1.5Phl+80DM次之，為55.0%；1.0Phl+80DM最低，為47.3%。最高組的去除率與最低組相差18.6%。當硅藻土投加量為80 mg/L時，1.0Phl、1.2Phl、1.5Phl三組TP去除率差異顯著(P<0.05)。

2.2 鎖磷劑與硅藻土聯用對SRP濃度影響

不同投加量鎖磷劑與硅藻土對水體SRP濃度的變化如圖3所示。實驗第2天，除對照組外，各實驗組SRP的濃度十分接近，在(0.32±0.01)mg/L內。隨著時間的推移，除對照組外，各實驗組SRP濃度均呈下降趨勢。在實驗的前10天內，各實驗組SRP濃度下降顯著；在第10天到30天之間，各實驗組的SRP濃度仍在下降但不明顯；實驗周期末，各實驗組濃度達到最低值且未出現返溶現象。

鎖磷劑與硅藻土不同投加量對水體中SRP的去除率變化如圖4所示。相對于對照組，各實驗組的去除率不斷升高，第2天各實驗組SRP去除率相近。第5天時，各實驗組SRP的去除率開始出現明顯的差異，其中1.5Phl+40DM與1.5Phl+80 DM兩組的去除率最高，均在50%左右。在第5～10天內，其去除率升至70%左右，之后呈緩慢上升趨勢。

當硅藻土投加量一定時，SRP的去除率隨鎖磷劑投加量的增加而升高。當硅藻土投加量為40 mg/L時，實驗初期1.0Phl+40DM、1.2Phl+40DM和1.5Phl+40DM三組TP去除率差異明顯(P<0.05)，實驗周期末(第30天)，三組的去除率分別達為71.4%、82.7%和84.3%。同樣，在硅藻土投加量為80 mg/L的情況下，各組去除率都呈現遞增的趨勢，在第30天，1.0Phl+80DM、1.2Phl +80DM和1.5Phl+80DM的SRP去除率依次為72.0%、86.2%、87.3%。故在硅藻土投加量一定時，SRP去除率隨鎖磷劑投加量的增加而增大，但1.2Phl 、1.5Phl兩組去除率相近(P>0.05)。

綜上所述，隨著鎖磷劑和硅藻土投加量的增加，SRP的去除率也隨之升高。實驗周期結束后，對比各實驗組SRP的去除率，1.5Phl+80DM組的去除效果最佳為87.3%，其次是1.2Phl+80DM組為86.2%。結合TP的去除效果，1.2Phl+80DM組的磷去除率最高，達到65.9%。因此，1.2Phl+80DM組用于減少水體的磷濃度較適宜。

2.3 不同投加量鎖磷劑與硅藻土聯用對水體浮游植物影響

鎖磷劑與硅藻土聯用對水體中浮游植物的影響如圖5所示。為探究不同投加量鎖磷劑與硅藻土聯用對水體浮游植物的影響，模擬實驗分別在第2、5、10、30天觀察水體中的浮游植物豐度及門類的變化。

第2天時，對照組與各實驗組的生物量未出現明顯差異。第5天時，與對照組相比，各實驗組的生物量均有不同程度降低且差異明顯(P<0.05)，其中1.5Phl+40DM組的抑藻率最高，達到81.8%。第10天時，實驗組與對照組生物量急劇下降，主要以藍藻、綠藻為主。實驗周期末(30天)各組的生物量與第10天相近，各組浮游植物豐度大小為1.5Phl+40DM<1.2Phl+80DM<1.5Phl+80DM <1.2Phl+40DM ≈ 1.0Phl+80DM<1.0Phl+40DM，其中1.5Phl+40DM和1.2Phl+80DM的抑藻率分別為81.8%和74.1%。與初始水體中藍藻占76.92%相比，第30天水體中藍藻占據絕對優勢，占99%以上。

綜上所述，1.5Phl+40DM和1.2Phl+80DM兩組除磷控藻的效果無明顯差異(P>0.05)，但是1.2Phl+80DM組成本較低，在實際的運用中更具有可行性。根據各實驗組的抑藻率、磷控制率與經濟成本結合分析比較，針對實際水體鎖磷控藻，58.8 mg/L 鎖磷劑+80 mg/L硅藻土(1.2Phl+80DM)聯用較適合。

3 討論

鎖磷劑降低水體中磷含量主要以化學沉淀為主，具有較高去除通量，理論上試劑投加后各實驗組磷含量應驟然下降，而各組除磷效率至第10天才達到較高的抑制率。這是因為鎖磷劑對磷的去除能力會受外界環境的影響。實驗初期(第2天)磷去除效率低，TP、SRP去除率僅達到20%左右，這可能是由藻在沉降時釋放出藻體中的磷，釋放出來的磷高于或者等于水體中藻對于磷固定的通量，從而增加了水體中磷的濃度[24]。同樣，對照組TP濃度先上升后下降與水體中藻生物量的降低有關，藻的死亡裂解，會向水體中釋放出藻體中的磷，使水體中膠質態磷與顆粒態磷等有機質含量增加[24]。因此，受藻類的影響，水體中的磷含量未驟然下降。

當硅藻土的投加量不變時，總磷的去除率隨鎖磷劑的投加量的增加而降低，這可能是由于鎖磷劑與顆粒磷發生混凝作用，但鎖磷劑的投加過量時使混凝生成的沉淀顆粒重新帶電，使顆粒之間靜電斥力增加，懸浮物又重新處于穩定狀態，導致去除率降低[25]。因此，增加鎖磷劑的投加量，不一定會提高TP的去除效果。

藻類的大量生長給湖泊水生態安全帶來了嚴峻挑戰，尤其是藍藻[26]。鎖磷劑與硅藻土聯用有效地降低了磷含量，硅藻土較大的比表面積與吸附性，促進了藻類大量沉淀，浮游植物豐度顯著降低。實驗周期末(第30天)，水體中藍藻99%以上。實驗周期末藍藻占優勢可能的原因為：1)藍藻在水體溫度為25～35℃時最適合生長，它的高溫耐受性高于硅藻和綠藻；此外，藍藻對強光比其他藻類有較大的忍受性，長時間的強光照射會造成其他藻類的死亡，該實驗水體是在溫度較高時采集，藍藻的初始生物量明顯高于其他藻[27]。2)藍藻含有β-胡蘿卜素、葉綠素a，以及多種捕光色素，對不同光照適應能力強[28]。3)部分藍藻可以在水體中磷含量較高時，將環境中的磷大量儲存藻體中，當環境中磷含量低時仍可以維持自身的增殖與生長[27]。因此，投加Phoslock?與硅藻土后，優勢種變成藍藻與環境條件和藍藻本身的生理生態特性密不可分。

4 結論

1)鎖磷劑與硅藻土聯用對TP去除效果：1.2Phl+80DM的去除率最高，達到65.9%，其次為1.5Phl+80DM，達到55.0%；對SRP去除效果：1.5Phl+80DM的去除率最高，達到87.3%，其次為1.2Phl+80DM，達到86.2%，兩個實驗組去除率的差別較小，考慮其經濟成本問題，選擇1.2Phl+80DM較適宜。

2)鎖磷劑與硅藻土聯用可有效降低浮游植物豐度，各組的浮游植物豐度均隨時間的變化呈遞減趨勢，浮游植物的群落結構發生變化，實驗周期末(第30天)藍藻占99%以上。1.2Phl+80DM組與1.5Phl+40DM組均有較高的抑藻率，其中1.2Phl+80DM組經濟成本較低。