底泥擾動(dòng)對(duì)藻類去除效果影響的研究

李文斌，李大鵬

（蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

底泥擾動(dòng)對(duì)藻類去除效果影響的研究

李文斌，李大鵬

（蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

研究了城市河道中底泥擾動(dòng)對(duì)藻類的去除效果，分析了其對(duì)后繼混凝沉淀工藝的影響。結(jié)果表明，底泥擾動(dòng)可以提高葉綠素a的去除率，第1次擾動(dòng)后，葉綠素a去除率達(dá)到65%。對(duì)照試驗(yàn)上覆水中葉綠素a和藻類活性均明顯高于底泥擾動(dòng)試驗(yàn)。底泥擾動(dòng)對(duì)溶解性磷酸鹽（DIP）和氨氮也有一定的去除效果。底泥擾動(dòng)預(yù)處理后，混凝工藝對(duì)葉綠素a的去除率平均達(dá)到91.82%，明顯高于無底泥預(yù)處理的73.90%。與未擾動(dòng)預(yù)處理相對(duì)比，擾動(dòng)預(yù)處理后，混凝工藝對(duì)葉綠素a去除率提高了10%。這說明對(duì)于除藻而言底泥擾動(dòng)與混凝工藝之間具有協(xié)同作用。

底泥；擾動(dòng)；葉綠素a；除藻

水體中藻類的大量繁殖給飲用水生產(chǎn)帶來諸多危害。對(duì)于自來水廠而言，如果在源水進(jìn)入水廠前通過預(yù)處理技術(shù)對(duì)藻類進(jìn)行有效去除，從而有利于降低水廠常規(guī)處理工藝的負(fù)擔(dān)[1-2]。

對(duì)于天然水體而言，底泥通常由黏土、泥沙、有機(jī)質(zhì)及各種礦物組成。底泥對(duì)水體中營養(yǎng)鹽以及藻類具有一定的吸附作用。當(dāng)采用擾動(dòng)方式促使底泥懸浮時(shí)，懸浮物中顆粒物質(zhì)的粗糙表面會(huì)與藻類細(xì)胞發(fā)生摩擦，導(dǎo)致藻類細(xì)胞破裂甚至死亡。此外，通過擾動(dòng)的方式也會(huì)改變水體中藻類細(xì)胞表面的物理特性和化學(xué)特性[3]。這對(duì)于后繼常規(guī)處理工藝去除藻類具有一定的促進(jìn)作用。基于此，筆者分析了底泥擾動(dòng)對(duì)上覆水藻類及其活性的影響，并探討了底泥擾動(dòng)預(yù)處理對(duì)后繼的混凝沉淀除藻效果的影響。為底泥資源化用于自來水廠藻類預(yù)處理工藝提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用底泥及上覆水

試驗(yàn)用底泥及上覆水于2014年3月1日采自某河道。自從2006年監(jiān)測(cè)以來，該河道一直處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)（TP 0.76 mg/L），藻類水華頻發(fā)。底泥采樣點(diǎn)位于河道入口處.。采用活塞式柱狀沉積物采樣器采得表層3 cm的底泥樣品，立即用冰盒保存（4℃）送至實(shí)驗(yàn)室，采用孔徑為1 mm的鐵篩篩除大顆粒物質(zhì)，對(duì)篩選的底泥進(jìn)行充分混勻，備用。同時(shí)采取采樣點(diǎn)上覆水50 L。采樣點(diǎn)沉積物及上覆水的理化性質(zhì)見表1。

表1 采樣點(diǎn)沉積物和上覆水的理化性質(zhì)

1.2 底泥擾動(dòng)除藻試驗(yàn)

4個(gè)2L圓形玻璃容器作為試驗(yàn)裝置（d=14 cm，h=17 cm），分為兩組，分別編號(hào)為E0、E1，每組各設(shè)2個(gè)平行樣，見圖1。在E0、E1容器中分別加入80 g濕底泥，沉積物厚度約為0.6 cm。沿器壁用虹吸管緩緩注入采集自底泥采樣點(diǎn)的河水1.6 L，盡量避免擾動(dòng)底泥。每天采用恒速擾動(dòng)攪拌機(jī)（IKA RW20 digital）以200 r/ min的轉(zhuǎn)速對(duì)底泥擾動(dòng)10 min，然后靜置沉淀1 410 min。E0為對(duì)照樣，對(duì)上覆水和底泥均不擾動(dòng)。試驗(yàn)共持續(xù)10 d。

試驗(yàn)從第0天開始，每天上午09：00開始擾動(dòng)，每次擾動(dòng)前2 h采集水樣。每次采集水面以下10 cm處水樣30 mL，并立即向容器中補(bǔ)充等量的河水。水樣主要用于分析葉綠素a含量，藻類活性、氨氮和溶解性磷酸鹽。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.3 底泥擾動(dòng)與混凝工藝聯(lián)用實(shí)驗(yàn)

以2個(gè)2L圓形玻璃容器作為預(yù)處理試驗(yàn)裝置（d=14 cm，h=19 cm），在容器中分別加入80 g濕底泥，再加入采集的河水1．6 L。采用恒速擾動(dòng)攪拌機(jī)（IKA RW20 digital），以200 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)其中1個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中的底泥擾動(dòng)5 min，再以400 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)底泥擾動(dòng)5 min。另1個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置作為對(duì)照。擾動(dòng)結(jié)束后，靜止沉淀30 min，分別取擾動(dòng)試驗(yàn)和對(duì)照試驗(yàn)上清液1 L置于ZR4-6混凝攪拌實(shí)驗(yàn)機(jī)的攪拌杯中，用于混凝沉淀實(shí)驗(yàn)。具體混凝沉淀過程如下：加入硫酸鋁混凝劑0．5 mg/L（以鋁計(jì)），快速攪拌（150 r/min）20 s，慢速攪拌（50 r/min）10 min，沉淀30 min，取上清液測(cè)定葉綠素a含量。

1.4 樣品分析方法

水樣中的葉綠素a（Chl-a）和活度用WATER-PAM葉綠素?zé)晒鈨x（上海澤泉科技有限公司）讀出，每組樣本每次讀3個(gè)數(shù)取平均值作為該水樣的葉綠素a（Chl-a）和活度的值。氨氮和溶解性磷酸鹽（DIP）可用DR2800便攜式分光光度計(jì)（美國哈希公司）測(cè)定。

將濕底泥在105℃條件下烘12 h至恒重，通過前后質(zhì)量差計(jì)算得沉積物含水率，%。將烘干的沉積物碾磨、過100目篩后放入馬弗爐內(nèi)燒5．5 h，通過前后質(zhì)量差計(jì)算得沉積物燒失量（Loss on ignition，%）。

1.5 葉綠素a去除率的計(jì)算

去除率表示為擾動(dòng)前后上覆水葉綠素a的濃度變化的量占擾動(dòng)前葉綠素a濃度的百分比，公式為

式中，Chl-a removal rate0為第0天上覆水葉綠素a的去除率，%；c0為第0天上覆水葉綠素a值，μg/L；c1為第1天上覆水葉綠素a值，μg/L。

式中，cn為第n天補(bǔ)充河水后為擾動(dòng)前上覆水葉綠素a值，μg/L；n為采樣時(shí)間，1≤n≤9；cn+1為第n+1天上覆水葉綠素a值，μg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥擾動(dòng)除藻效果

擾動(dòng)底泥對(duì)上覆水中葉綠素a和藻類活性變化的影響見圖2。

葉綠素a在一切浮游藻類里大約占有機(jī)物干質(zhì)量的1%-2%是估計(jì)藻類生物量的重要指標(biāo)[4]。由圖2可見，底泥擾動(dòng)狀態(tài)下，上覆水中葉綠素a濃度顯著降低，并明顯低于初始值，同時(shí)低于同期對(duì)照試驗(yàn)。第1次擾動(dòng)結(jié)束后，上覆水中葉綠素a的濃度下降幅度最大，降低了86．555 μg/L，去除率高達(dá)65%。此后，每次擾動(dòng)后葉綠素a的下降幅度均低于第1次擾動(dòng)。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上覆水中葉綠素a含量?jī)H為5．124 μg/L。分析其原因，擾動(dòng)可以增加水中懸浮物的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)速率，一方面通過機(jī)械擾動(dòng)打碎并去除藻類，使其無法在表層聚集，從而控制其進(jìn)一步增殖[5]。另一方面破碎后的細(xì)胞殘骸，由于體積的明顯減少，便于底泥在自然沉降中對(duì)上覆水中藻類的靜電吸附[6]。此外，底泥在多次擾動(dòng)過程中，由于溶解氧的融入，導(dǎo)致部分底泥中中小分子有機(jī)物被氧化殆盡，致使底泥中鐵錳等以氧化態(tài)存在，有利于對(duì)帶有負(fù)電荷的藻類的懸浮，隨著擾動(dòng)動(dòng)力的消失，吸附了藻類的顆粒物質(zhì)沉降重新進(jìn)入底泥，從而降低了水體中藻類含量。

藻類活性是反映藻類潛在生長的因素。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氣溫較低（冬季）情況下，藻類的活性偏低（0．2～0．4）；在氣溫較高（春季）情況下，藻類活性也隨之增大（0．4～0．7）。底泥擾動(dòng)可以顯著降低藻類活性（見圖3）。

圖3顯示，試驗(yàn)期間，對(duì)照試驗(yàn)藻類活性較高，在0.6上下波動(dòng)，沒有明顯的降低趨勢(shì)，并顯著高于擾動(dòng)狀態(tài)下藻類活性。而在擾動(dòng)狀態(tài)下，藻類活性呈明顯降低趨勢(shì)。但是，第5天，藻類活性趨于穩(wěn)定（0.4左右）。藻類活性的降低主要是源于水體中懸浮物含量增加，具有粗糙表面的懸浮物在擾動(dòng)狀態(tài)下與藻細(xì)胞的接觸幾率增加，兩者之間的摩擦力的存在使得部分藻細(xì)胞破損，進(jìn)而導(dǎo)致藻類活性降低。另外，擾動(dòng)致使水體中懸浮物含量增加，使得光透過率和溶解性磷酸鹽含量降低，抑制了藻類生長。

圖2 擾動(dòng)狀態(tài)下上覆水中葉綠素a濃度的變化

圖3 上覆水中藻類活性的變化曲線

2.2 底泥擾動(dòng)對(duì)上覆水中溶解性磷酸鹽和氨氮的影響

底泥擾動(dòng)增加了水體中懸浮物含量，從而有利于降低水體中氮磷等營養(yǎng)鹽含量（見圖4和圖5）。

由圖4可以看出，多次擾動(dòng)顯著降低了上覆水中DIP含量，并顯著低于初始值和對(duì)照試驗(yàn)。擾動(dòng)狀態(tài)下，第1天，上覆水中DIP含量急劇降低（從0.605 mg/L降至0.140 mg/L），隨后，DIP降低幅度趨緩，從第5天至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上覆水中DIP趨近于0。擾動(dòng)狀態(tài)下，DIP的降低主要與懸浮物的專屬性吸附有關(guān)。但是，Cyr等[7]認(rèn)為，水體中DIP的消失，可能主要?dú)w因于微生物如藻類、細(xì)菌等對(duì)DIP的利用。House等研究[8]認(rèn)為，在開始的24 h之內(nèi)，微生物對(duì)DIP的利用量可以等同于懸浮顆粒對(duì)DIP的吸附，并推測(cè)24 h之后，生物作用要明顯低于懸浮顆粒的吸附作用。在本研究中，我們證實(shí)了底泥擾動(dòng)狀態(tài)下懸浮顆粒對(duì)DIP的吸附作用要遠(yuǎn)大于生物吸附作用。圖4中，擾動(dòng)狀態(tài)與對(duì)照試驗(yàn)上覆水中初始藻類含量相同（葉綠素a均為125.319 μg/L），考慮到對(duì)照試驗(yàn)中藻類數(shù)量高于擾動(dòng)狀態(tài)（見圖2）以及藻類活性也略高于擾動(dòng)狀態(tài)（見圖3），這說明對(duì)照試驗(yàn)中藻類對(duì)DIP的利用率要高于擾動(dòng)狀態(tài)。從圖4中可以看出，對(duì)于對(duì)照試驗(yàn)而言，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上覆水中DIP從初始狀態(tài)0.61 mg/L降至0.40 mg/L。如果忽略在DIP濃度梯度下表層底泥對(duì)DIP的吸附，則可認(rèn)為上覆水中DIP的消失可歸因于藻類吸收利用（上覆水DIP的30%被生物吸附）。因此，如果忽略擾動(dòng)狀態(tài)下藻類數(shù)量以及活性的影響，則可認(rèn)為擾動(dòng)狀態(tài)下藻類對(duì)DIP的吸收量在0.21 mg/L，那么其余0.4 mg/LDIP（占上覆水DIP的70%）的消失則可被認(rèn)為是懸浮顆粒吸附所致。如果不忽略藻類數(shù)量以及活性的影響，那么懸浮顆粒對(duì)DIP的物理吸附所占比例則要更大（高于70%）。

氮是淡水藻類生長的必需營養(yǎng)元素[9]，也是水中藻類增殖的限制因子[10]。圖5為擾動(dòng)狀態(tài)下上覆水中氨氮的變化規(guī)律?？梢钥闯?，在未擾動(dòng)的條件下，氨氮濃度在第4天達(dá)到最高（7.29 mg/L），且一直維持在較高濃度（6.00 mg/L左右）。擾動(dòng)狀態(tài)下，上覆水中氨氮也略有升高，但一直保持在低于對(duì)照試驗(yàn)的水平。這說明擾動(dòng)對(duì)底泥釋放氨氮有一定的抑制作用。

圖4 擾動(dòng)狀態(tài)下對(duì)上覆水溶解性磷酸鹽的影響

圖5 擾動(dòng)狀態(tài)下上覆水中氨氮的變化

2.3 底泥擾動(dòng)與混凝工藝聯(lián)用除藻效果

經(jīng)底泥擾動(dòng)預(yù)處理后，水體中藻類得到一定程度的去除，并且，藻類經(jīng)懸浮物摩擦后，對(duì)藻類表面有所破壞，從而致使藻類部分特性有所改變，有利于混凝去除（見圖6）。從圖6可以看出，底泥擾動(dòng)預(yù)處理后，混凝工藝對(duì)藻類的去除率明顯提高（91．82%，平均值），而未經(jīng)擾動(dòng)預(yù)處理，混凝工藝對(duì)藻類的去除率僅有（73．90%，平均值）。分析其原因，底泥擾動(dòng)預(yù)處理過程中，由于懸浮物與藻類的頻繁接觸，致使藻類有所損傷，甚至死亡以及藻類表面部分物理化學(xué)特性的改變，因此，強(qiáng)化了混凝工藝對(duì)藻類的去除效果。這也說明底泥擾動(dòng)預(yù)處理與混凝工藝之間具有協(xié)同作用。這在圖6數(shù)據(jù)中可以得到證明，對(duì)于未經(jīng)擾動(dòng)預(yù)處理實(shí)驗(yàn)而言，單純的混凝工藝對(duì)葉綠素a的去除率為65．46%（5次平均值），而經(jīng)過擾動(dòng)預(yù)處理后，混凝工藝對(duì)葉綠素a的去除率達(dá)到75．11%（5次平均值，扣除單純的擾動(dòng)預(yù)處理對(duì)葉綠素a的去除率），與未擾動(dòng)預(yù)處理相對(duì)比，擾動(dòng)預(yù)處理后，混凝工藝對(duì)葉綠素a去除率提高了10%。此外，這種協(xié)同作用可以在藻類活性的變化中得到進(jìn)一步證實(shí)（見圖7）。圖7顯示，擾動(dòng)預(yù)處理和混凝工藝聯(lián)用致使藻類活性顯著降低（穩(wěn)定在0．2以下），明顯低于未經(jīng)擾動(dòng)預(yù)處理和混凝工藝（穩(wěn)定在0．25～0．40之間）。由此可見，底泥擾動(dòng)預(yù)處理有利于降低自來水廠常規(guī)工藝的除藻負(fù)荷和難度。

圖6 底泥擾動(dòng)與混凝工藝對(duì)葉綠素a去除效果

圖7 底泥擾動(dòng)與混凝工藝對(duì)藻類活性的影響

3 結(jié)論

（1）底泥擾動(dòng)有利于降低水體中葉綠素a含量和藻類活性，并且，對(duì)溶解性磷酸鹽和氨氮也有一定的去除效果；

（2）底泥擾動(dòng)預(yù)處理后，提高了混凝工藝對(duì)藻類的去除效果，去除率達(dá)到90%（平均值），并顯著降低了藻類含量。這均優(yōu)于未經(jīng)底泥擾動(dòng)預(yù)處理試驗(yàn)。

[1]彭海清，譚章榮，高乃云，等．給水處理中藻類的去除[J]．中國給水排水，2002，18（2）：29-31．

[2]周利，楊惠敏，孫嗣杰，等．給水處理中藻類去除的方法[J]．青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（4）：40-43．

[3]羅岳平，馬劍敏，李益健，等．小球藻表面疏水性的研究[J]．應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，1999，5（5）：491-495．

[4]唐水水，林煒鐵，李敬源，等．放線菌L74溶藻物質(zhì)的分離及其溶藻特性[J]．微生物學(xué)通報(bào)，2011，38（5）：654-659．

[5]黃維，裴毅，陳飛勇．水體藍(lán)藻清除的研究及其新型機(jī)械除藻初探[J]．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2008，27（4）：29-31．

[6]盧健，谷金鈺．藻類監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)的發(fā)展[J]．中國水利，2012（20）：70-70．

[7]Cyr H,McCabe S K,Nürnberg G K．Phosphorus sorption experiments and the potential for internal phosphorus loading in littoral areas of a stratified lake[J]．Water research,2009,43（6）：1654-1666．

[8]House W A,Denison F H,Armitage P D．Comparison of the uptake of inorganic phosphorus to a suspended and stream bed-sediment[J]．Water Research,1995,29（3）：767-779．

[9]吳敏，林莉，黃茁．淡水藻類生長的環(huán)境影響因子分析——以銅綠微囊藻為例[J]．長江科學(xué)院院報(bào)，2012，29（10）：41-47．

Effect of sediment disturbance on algae removal

LI Wenbin,LI Dapeng
（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

Effect of sediment disturbance on algae removal and its impact on the subsequent coagulation and sedimentation process were investigated in laboratory．The results show that the sediment disturbance could increase the Chla removal．After the first disturbance,the Chl-a removal was up to 65%．The Chla concentration and the algae activity in the overlying water under sediment disturbance were obviously higher than that in the control．In addition,the sediment disturbance could also promote the removal of the dissolved inorganic phosphorus(DIP)and ammonia．After the sediment disturbance,the Chl-a removal was up to an average of 91．82%by coagulation and sedimentation,which is higher than that without the sediment disturbance(average of 73．90%)．The removal of Chla by the coagulation and sedimentation with sediment disturbance is increased by 10%than that without sediment disturbance．It is suggested that the sediment disturbance cooperates with the algae removal of the coagulation．

sediment;disturbance;chlorophyll a;algae removal

X703

A

1672-0679（2015）01-0053-05

（責(zé)任編輯：經(jīng)朝明）

2014-09-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178284；51278523）；江蘇省“333”工程資助項(xiàng)目；江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目（2013-JNHB-022）

李文斌（1990-），男，江蘇泰州人，碩士研究生。

李大鵬（1975-），男，副教授，博士，主要從事城市水體修復(fù)理論研究，Email：ustsldp@163.com。