李文斌，李大鹏

（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

底泥扰动对藻类去除效果影响的研究

李文斌，李大鹏

（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

研究了城市河道中底泥扰动对藻类的去除效果，分析了其对后继混凝沉淀工艺的影响。结果表明，底泥扰动可以提高叶绿素a的去除率，第1次扰动后，叶绿素a去除率达到65%。对照试验上覆水中叶绿素a和藻类活性均明显高于底泥扰动试验。底泥扰动对溶解性磷酸盐（DIP）和氨氮也有一定的去除效果。底泥扰动预处理后，混凝工艺对叶绿素a的去除率平均达到91.82%，明显高于无底泥预处理的73.90%。与未扰动预处理相对比，扰动预处理后，混凝工艺对叶绿素a去除率提高了10%。这说明对于除藻而言底泥扰动与混凝工艺之间具有协同作用。

底泥；扰动；叶绿素a；除藻

水体中藻类的大量繁殖给饮用水生产带来诸多危害。对于自来水厂而言，如果在源水进入水厂前通过预处理技术对藻类进行有效去除，从而有利于降低水厂常规处理工艺的负担[1-2]。

对于天然水体而言，底泥通常由黏土、泥沙、有机质及各种矿物组成。底泥对水体中营养盐以及藻类具有一定的吸附作用。当采用扰动方式促使底泥悬浮时，悬浮物中颗粒物质的粗糙表面会与藻类细胞发生摩擦，导致藻类细胞破裂甚至死亡。此外，通过扰动的方式也会改变水体中藻类细胞表面的物理特性和化学特性[3]。这对于后继常规处理工艺去除藻类具有一定的促进作用。基于此，笔者分析了底泥扰动对上覆水藻类及其活性的影响，并探讨了底泥扰动预处理对后继的混凝沉淀除藻效果的影响。为底泥资源化用于自来水厂藻类预处理工艺提供数据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验用底泥及上覆水

试验用底泥及上覆水于2014年3月1日采自某河道。自从2006年监测以来，该河道一直处于重度富营养化状态（TP 0.76 mg/L），藻类水华频发。底泥采样点位于河道入口处.。采用活塞式柱状沉积物采样器采得表层3 cm的底泥样品，立即用冰盒保存（4℃）送至实验室，采用孔径为1 mm的铁筛筛除大颗粒物质，对筛选的底泥进行充分混匀，备用。同时采取采样点上覆水50 L。采样点沉积物及上覆水的理化性质见表1。

表1 采样点沉积物和上覆水的理化性质

1.2 底泥扰动除藻试验

4个2L圆形玻璃容器作为试验装置（d=14 cm，h=17 cm），分为两组，分别编号为E0、E1，每组各设2个平行样，见图1。在E0、E1容器中分别加入80 g湿底泥，沉积物厚度约为0.6 cm。沿器壁用虹吸管缓缓注入采集自底泥采样点的河水1.6 L，尽量避免扰动底泥。每天采用恒速扰动搅拌机（IKA RW20 digital）以200 r/ min的转速对底泥扰动10 min，然后静置沉淀1 410 min。E0为对照样，对上覆水和底泥均不扰动。试验共持续10 d。

试验从第0天开始，每天上午09：00开始扰动，每次扰动前2 h采集水样。每次采集水面以下10 cm处水样30 mL，并立即向容器中补充等量的河水。水样主要用于分析叶绿素a含量，藻类活性、氨氮和溶解性磷酸盐。

图1 试验装置图

1.3 底泥扰动与混凝工艺联用实验

以2个2L圆形玻璃容器作为预处理试验装置（d=14 cm，h=19 cm），在容器中分别加入80 g湿底泥，再加入采集的河水1．6 L。采用恒速扰动搅拌机（IKA RW20 digital），以200 r/min的转速对其中1个实验装置中的底泥扰动5 min，再以400 r/min的转速对底泥扰动5 min。另1个实验装置作为对照。扰动结束后，静止沉淀30 min，分别取扰动试验和对照试验上清液1 L置于ZR4-6混凝搅拌实验机的搅拌杯中，用于混凝沉淀实验。具体混凝沉淀过程如下：加入硫酸铝混凝剂0．5 mg/L（以铝计），快速搅拌（150 r/min）20 s，慢速搅拌（50 r/min）10 min，沉淀30 min，取上清液测定叶绿素a含量。

1.4 样品分析方法

水样中的叶绿素a（Chl-a）和活度用WATER-PAM叶绿素荧光仪（上海泽泉科技有限公司）读出，每组样本每次读3个数取平均值作为该水样的叶绿素a（Chl-a）和活度的值。氨氮和溶解性磷酸盐（DIP）可用DR2800便携式分光光度计（美国哈希公司）测定。

将湿底泥在105℃条件下烘12 h至恒重，通过前后质量差计算得沉积物含水率，%。将烘干的沉积物碾磨、过100目筛后放入马弗炉内烧5．5 h，通过前后质量差计算得沉积物烧失量（Loss on ignition，%）。

1.5 叶绿素a去除率的计算

去除率表示为扰动前后上覆水叶绿素a的浓度变化的量占扰动前叶绿素a浓度的百分比，公式为

式中，Chl-a removal rate0为第0天上覆水叶绿素a的去除率，%；c0为第0天上覆水叶绿素a值，μg/L；c1为第1天上覆水叶绿素a值，μg/L。

式中，cn为第n天补充河水后为扰动前上覆水叶绿素a值，μg/L；n为采样时间，1≤n≤9；cn+1为第n+1天上覆水叶绿素a值，μg/L。

2 结果与讨论

2.1 底泥扰动除藻效果

扰动底泥对上覆水中叶绿素a和藻类活性变化的影响见图2。

叶绿素a在一切浮游藻类里大约占有机物干质量的1%-2%是估计藻类生物量的重要指标[4]。由图2可见，底泥扰动状态下，上覆水中叶绿素a浓度显著降低，并明显低于初始值，同时低于同期对照试验。第1次扰动结束后，上覆水中叶绿素a的浓度下降幅度最大，降低了86．555 μg/L，去除率高达65%。此后，每次扰动后叶绿素a的下降幅度均低于第1次扰动。至试验结束时，上覆水中叶绿素a含量仅为5．124 μg/L。分析其原因，扰动可以增加水中悬浮物的数量和运动速率，一方面通过机械扰动打碎并去除藻类，使其无法在表层聚集，从而控制其进一步增殖[5]。另一方面破碎后的细胞残骸，由于体积的明显减少，便于底泥在自然沉降中对上覆水中藻类的静电吸附[6]。此外，底泥在多次扰动过程中，由于溶解氧的融入，导致部分底泥中中小分子有机物被氧化殆尽，致使底泥中铁锰等以氧化态存在，有利于对带有负电荷的藻类的悬浮，随着扰动动力的消失，吸附了藻类的颗粒物质沉降重新进入底泥，从而降低了水体中藻类含量。

藻类活性是反映藻类潜在生长的因素。前期试验发现，在气温较低（冬季）情况下，藻类的活性偏低（0．2～0．4）；在气温较高（春季）情况下，藻类活性也随之增大（0．4～0．7）。底泥扰动可以显著降低藻类活性（见图3）。

图3显示，试验期间，对照试验藻类活性较高，在0.6上下波动，没有明显的降低趋势，并显著高于扰动状态下藻类活性。而在扰动状态下，藻类活性呈明显降低趋势。但是，第5天，藻类活性趋于稳定（0.4左右）。藻类活性的降低主要是源于水体中悬浮物含量增加，具有粗糙表面的悬浮物在扰动状态下与藻细胞的接触几率增加，两者之间的摩擦力的存在使得部分藻细胞破损，进而导致藻类活性降低。另外，扰动致使水体中悬浮物含量增加，使得光透过率和溶解性磷酸盐含量降低，抑制了藻类生长。

图2 扰动状态下上覆水中叶绿素a浓度的变化

图3 上覆水中藻类活性的变化曲线

2.2 底泥扰动对上覆水中溶解性磷酸盐和氨氮的影响

底泥扰动增加了水体中悬浮物含量，从而有利于降低水体中氮磷等营养盐含量（见图4和图5）。

由图4可以看出，多次扰动显著降低了上覆水中DIP含量，并显著低于初始值和对照试验。扰动状态下，第1天，上覆水中DIP含量急剧降低（从0.605 mg/L降至0.140 mg/L），随后，DIP降低幅度趋缓，从第5天至试验结束时，上覆水中DIP趋近于0。扰动状态下，DIP的降低主要与悬浮物的专属性吸附有关。但是，Cyr等[7]认为，水体中DIP的消失，可能主要归因于微生物如藻类、细菌等对DIP的利用。House等研究[8]认为，在开始的24 h之内，微生物对DIP的利用量可以等同于悬浮颗粒对DIP的吸附，并推测24 h之后，生物作用要明显低于悬浮颗粒的吸附作用。在本研究中，我们证实了底泥扰动状态下悬浮颗粒对DIP的吸附作用要远大于生物吸附作用。图4中，扰动状态与对照试验上覆水中初始藻类含量相同（叶绿素a均为125.319 μg/L），考虑到对照试验中藻类数量高于扰动状态（见图2）以及藻类活性也略高于扰动状态（见图3），这说明对照试验中藻类对DIP的利用率要高于扰动状态。从图4中可以看出，对于对照试验而言，试验结束时，上覆水中DIP从初始状态0.61 mg/L降至0.40 mg/L。如果忽略在DIP浓度梯度下表层底泥对DIP的吸附，则可认为上覆水中DIP的消失可归因于藻类吸收利用（上覆水DIP的30%被生物吸附）。因此，如果忽略扰动状态下藻类数量以及活性的影响，则可认为扰动状态下藻类对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%）的消失则可被认为是悬浮颗粒吸附所致。如果不忽略藻类数量以及活性的影响，那么悬浮颗粒对DIP的物理吸附所占比例则要更大（高于70%）。

氮是淡水藻类生长的必需营养元素[9]，也是水中藻类增殖的限制因子[10]。图5为扰动状态下上覆水中氨氮的变化规律。可以看出，在未扰动的条件下，氨氮浓度在第4天达到最高（7.29 mg/L），且一直维持在较高浓度（6.00 mg/L左右）。扰动状态下，上覆水中氨氮也略有升高，但一直保持在低于对照试验的水平。这说明扰动对底泥释放氨氮有一定的抑制作用。

图4 扰动状态下对上覆水溶解性磷酸盐的影响

图5 扰动状态下上覆水中氨氮的变化

2.3 底泥扰动与混凝工艺联用除藻效果

经底泥扰动预处理后，水体中藻类得到一定程度的去除，并且，藻类经悬浮物摩擦后，对藻类表面有所破坏，从而致使藻类部分特性有所改变，有利于混凝去除（见图6）。从图6可以看出，底泥扰动预处理后，混凝工艺对藻类的去除率明显提高（91．82%，平均值），而未经扰动预处理，混凝工艺对藻类的去除率仅有（73．90%，平均值）。分析其原因，底泥扰动预处理过程中，由于悬浮物与藻类的频繁接触，致使藻类有所损伤，甚至死亡以及藻类表面部分物理化学特性的改变，因此，强化了混凝工艺对藻类的去除效果。这也说明底泥扰动预处理与混凝工艺之间具有协同作用。这在图6数据中可以得到证明，对于未经扰动预处理实验而言，单纯的混凝工艺对叶绿素a的去除率为65．46%（5次平均值），而经过扰动预处理后，混凝工艺对叶绿素a的去除率达到75．11%（5次平均值，扣除单纯的扰动预处理对叶绿素a的去除率），与未扰动预处理相对比，扰动预处理后，混凝工艺对叶绿素a去除率提高了10%。此外，这种协同作用可以在藻类活性的变化中得到进一步证实（见图7）。图7显示，扰动预处理和混凝工艺联用致使藻类活性显著降低（稳定在0．2以下），明显低于未经扰动预处理和混凝工艺（稳定在0．25～0．40之间）。由此可见，底泥扰动预处理有利于降低自来水厂常规工艺的除藻负荷和难度。

图6 底泥扰动与混凝工艺对叶绿素a去除效果

图7 底泥扰动与混凝工艺对藻类活性的影响

3 结论

（1）底泥扰动有利于降低水体中叶绿素a含量和藻类活性，并且，对溶解性磷酸盐和氨氮也有一定的去除效果；

（2）底泥扰动预处理后，提高了混凝工艺对藻类的去除效果，去除率达到90%（平均值），并显著降低了藻类含量。这均优于未经底泥扰动预处理试验。

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[3]罗岳平，马剑敏，李益健，等．小球藻表面疏水性的研究[J]．应用与环境生物学报，1999，5（5）：491-495．

[4]唐水水，林炜铁，李敬源，等．放线菌L74溶藻物质的分离及其溶藻特性[J]．微生物学通报，2011，38（5）：654-659．

[5]黄维，裴毅，陈飞勇．水体蓝藻清除的研究及其新型机械除藻初探[J]．企业技术开发，2008，27（4）：29-31．

[6]卢健，谷金钰．藻类监测及治理技术的发展[J]．中国水利，2012（20）：70-70．

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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

（责任编辑：经朝明）

2014-09-26

国家自然科学基金项目（51178284；51278523）；江苏省“333”工程资助项目；江苏省“六大人才高峰”项目（2013-JNHB-022）

李文斌（1990-），男，江苏泰州人，硕士研究生。

李大鹏（1975-），男，副教授，博士，主要从事城市水体修复理论研究，Email：ustsldp@163.com。