富Fe-P共沉物水体中普通小球藻生物量特征及Fe/P循环机制研究

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普通小球藻(Chlorella Vulgaris)作为处理富营养化水体的优良生物吸附剂,在大量内源P污染水体会引起P污染持续加剧。为了探明普通小球藻与内源P再释放的关系及过程,并通过调控水体条件实现藻生物量宏观可控,论文选用普通小球藻作为实验对象,以富Fe-P共沉物水体为应用环境,围绕普通小球藻、Fe-P共沉物和上覆水的研究体系,运用柱实验、全面批实验、正交实验和共培养等方法,研究了富Fe-P共沉物水体中流速、扰动速率、固液比和共沉物粒径等不同水体条件对普通小球藻生长的影响及藻与Fe-P共沉物的生物化学作用过程,讨论了不同水体条件的优化及普通小球藻活动下的Fe/P循环释放过程,主要结论如下:(1)诠释了富Fe-P共沉物水体中流速和共沉物粒径对普通小球藻生物量的影响。100 ml/h及以下的流速能够显著增强对普通小球藻运移的滞留作用。当共沉物目数为5-7 M或是10-20 M,流速为100 ml/h时,滞留因数Rf趋于最大(Rf50<Rf150<Rf100)。流速超过100 ml/h,普通小球藻可能会被强行解析。另外,当沉积物粒径≥100 M时,流速对普通小球藻在Fe-P共沉物中生物量积累的影响较弱,并且生物量会在最大程度上累积。因此,在分析特定水体时,要考虑水流流速和沉积物因素综合分析普通小球藻运移行为对生物量的影响。(2)从生物量、特定生长率和水体p H三方面的变化评价了水体扰动速率、固液比和共沉物粒径等不同水体条件对普通小球藻生长的影响。对生物量的影响,水体扰动强度为V150 r/min>V100 r/min>V50 r/min,粒径共沉物为S30-40 M>S10-20 M>S5-7 M,固液比为R25 g/L>R125 g/L>R250 g/L。另外,三个水体条件分别对普通小球藻生长的溶液p H和特定生长率均有不同影响,因此,通过调节水体扰动速率、共沉物粒径和固液比,对调控水体中普通小球藻生长的方法是可行的。(3)探究了扰动速率、固液比和共沉物粒径等不同水体条件对普通小球藻生长的因素效应。三因素对普通小球藻的生物量、溶液p H和特定生长率均具有显著性影响。在0.05水平上三因素对生物量影响的显著性为扰动速率>共沉物粒径>固液比。在0.05水平上对溶液p H影响的显著性为扰动速率>固液比>共沉物粒径。在0.05水平上对特定生长率影响的显著性为扰动速率>共沉物粒径>固液比。(4)通过响应面法BBD设计分析了水体扰动速率、固液比和共沉物粒径等不同水体条件对普通小球藻生长的交互作用,并分别对普通小球藻生物量、溶液p H和特定生长率进行了爬坡优化。第一,扰动速率和固液比、扰动速率和粒径对普通小球藻生物量均有较强的交互作用。生物量优化最高达到7.6×10~6 cell/m L时,三因素的最佳水平分别为145 r/min的扰动速率、53 g/L(0.053 g/m L)的固液比和7 M的粒径。同时,该条件下的特定生长率和溶液p H值将分别达到0.3 d-1和8.96。第二,固液比和共沉物粒径对溶液p H值有较强的交互作用,p H值最低优化达到8.82时,三因素的最佳水平分别为150 r/min的扰动速率、25 g/L(0.025 g/m L)的固液比和7 M的粒径。第三,扰动速率和固液比对普通小球藻特定生长率具有较强的交互作用。普通小球藻特定生长率优化为0.32时,三因素组合水平分别为50 r/min的扰动速率、25 g/L的固液比和30-40 M的粒径。综合不同Fe-P共沉物水体条件对普通小球藻生长的影响,且保持适宜的p H和较高的特定生长率,优化分析认为,三因素的最佳水平分别为50r/min的扰动速率、25 g/L的固液比和30-40 M的粒径时,普通小球藻生物量在7天内能提高1.5倍。(5)诠释了普通小球藻与Fe-P共沉物的相互作用过程,评估了普通小球藻在富Fe-P共沉物水体中应用的控P有效性。普通小球藻和Fe-P共沉物共培养期间,相互作用过程主要有三个阶段,包括在第一阶段的Fe/P重新释放,第二阶段的吸附和第三阶段的生物量自由生长阶段。普通小球藻的生长与水体中Fe-P共沉物的含量密切相关,其中,0.02-2 mg/200m L,即0.1-10 mg/L的Fe-P共沉物量更有利于普通小球藻的生长。当p H为7时,普通小球藻能促进Fe-P的溶解与释放,在5.6×10~5-8×10~5 cell/m L浓度下,200 m L水中Fe-P的日释放量(ΔQ)能达到0.275-2.25 mg/L。同时,由于Fe/P在释放阶段的絮凝行为会抑制普通小球藻的生长,其特定生长速率为0.3-0.4 d-1,磷的去除率低于30%。从短期来看,在Fe-P含量较高的条件下,普通小球藻的生长受到抑制,同时,P污染持续性增强。从长期来看,普通小球藻影响下的Fe-P共沉物溶解释放意味着Fe-P在普通小球藻的作用下向生物有效磷转化,具有生物周期性循环意义。另外,作为主要的内源磷储存方式之一,Fe-P共沉物在普通小球藻活动下的Fe/P循环释放也取决于流域水环境条件。
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