太湖草藻型沉积物的物理化学特征及其对沉积物中聚磷菌的影响

太湖草藻型沉积物的物理化学特征 及其对沉积物中聚磷菌的影响

胡颖

摘要：研究了太湖不同类型（草型、藻型）沉积物的物理化学特征，也为研究磷在湖泊中的化学循环提供一些相关数据。首先分析了草藻型沉积物原有的物理化学特征。草藻型沉积物颗粒组成均以小于0.01 mm的粉砂和黏粒为主，占总量的49.5%~83.6%。藻型沉积物粒径组成中，小于0.002 mm的黏粒所占比例为30.04%~36.75%，明显高于草型沉积物(16.71%)。草型沉积物中烧失量（LOI），易氧化有机物（ROOM），总氮（TN）、总磷（TP）的含量都高于藻型沉积物含量。用乙酸钠作为碳源在间歇式小型反应装置（SBR）中对采自太湖藻型（1号点）和草型(24号点)沉积物进行实验。SBR反应装置的进水COD/P=20，运行周期24 h。SBR反应装置水力停留时间为48 h，固体停留时间约为20 d。经过50多天的实验，草藻型沉积物在富集驯化之后，都表现出厌氧释磷好氧吸磷的特征，表明太湖沉积物中存在聚磷菌。实验数据表明，藻型区沉积物更容易利用小分子有机质，其有机质（COD）去除率比草型区要高出6.9%。藻型区沉积物更易吸磷，而草型区沉积物更易富集聚磷菌。实验支持了微生物在沉积物中磷迁移转化中起着重要作用这一理论。 关键词：磷；序批式反应器（SBR）；沉积物；藻型区；草型区；太湖

中图分类号：X131.2 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2012）11-1859-06

引用格式：胡颖，江和龙，何超群. 太湖草藻型沉积物的物理化学特征及其对沉积物中聚磷菌的影响[J]. 生态环境学报, 2012, 21(11): 1859-1864.

HU Ying, JIANG Helong, HE Chaoqun. Characteristic of physics and chemistry of grass/algae type zone sediments in Lake Taihu and effect on polyphosphate accumulation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2012, 21(11): 1859-1864.

1，2

，江和龙，何超群

33

1. 东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096；2. 金肯职业技术学院建筑与土木工程系，江苏 南京 211156；

3. 中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008

太湖地区是我国经济发达地区，也是最具经济活力的地区之一。但同时该地区湖泊水华爆发频繁，富营养化问题严重[1]。经多年研究发现，磷是太湖及大多数淡水水体富营养化的主要限制因子[2]

，因此许多研究围绕沉积物中磷的含量分布[3-4]、赋存形态[5]及其在水-沉积物界面间的迁移转化规律[6]展开，并获得了较多的研究成果。但主要是从物理化学角度出发而研究的。20多年前就有研究认为微生物在磷的释放中起着重要作用[7-9]，并且该

国内外对水观点越来越得到更多学者的重视[10-11]。

体、土壤和沉积物环境中聚磷菌（PAO）所知不多。自1959年Srinath等报道，活性污泥微生物生长在通气条件下从水中除去的磷比维持正常生长所需要的磷高得多。此后10年间，许多污水处理工程师试图解释生物除磷现象，均未有重大突破[12]，因为难以用传统培养方法分离出聚磷细菌。目前为止，仅分离并纯培养出少量聚磷菌菌株，这使得从活性污泥和自然环境中分离并培养PAO仍是一项具有挑战性的工作。本研究尝试用水处理工艺从湖泊不同类型沉积物中富集培养聚磷微生物，探讨沉积物中的聚磷菌的表现出的化学特征。旨在深入了解环境中磷的生物地球化学循环，并提供一些相关的研究数据。

1 材料和方法 1.1 试验装置

试验装置采用2组250 mL的广口瓶，有效容积均为200 mL，接种污泥为太湖表层沉积物，控制泥龄约为20 d。序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，SBR)按进水-厌氧-好氧-静置-出水的模式连续运行，其中进水10 min，厌氧360 min（包括5 min充氮气），好氧1050 min，静置10 min，出水10 min,每周期运行24 h。试验装置在空调房间，温度控制在(25±1) ℃。好氧阶段溶解氧约为2～4 mg·L-1，气

速为1 L∙min-1。本实验条件下进行了约30 d的实验。

1.2 接种污泥

接种污泥取自太湖梅梁湾1号点(120º11′ E，

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目(2008CB418005)；金肯学院科研项目（JK2009001） 作者简介：胡颖（1974年生），女，讲师，主要从事水污染控制方向的研究。E-mail:tigerhuying@163.com 收稿日期：2012-08-18

1860 生态环境学报 第21卷第11期（2012年11月）

号点。1号点位于梅梁湾，该湾接纳工农业及生活

污水，水质受到严重污染，属劣V类水。24号点位于东太湖，此处水质较好，Ⅱ~Ш类水。处于太湖北部的梅梁湾湖区为藻型湖区，污染较重，位于太湖东南部的东太湖区为草型湖区，营养负荷相对较轻[18]。

藻型区沉积物（1号点）表观色为黑色，有臭味；草型区沉积物（24号点）表观为灰黑色，含有较多植物根茎和小螺。2处沉积物颗粒组成均以小于0.01 mm的粉砂和黏粒为主，占总量的49.5%~83.6%。梅梁湾沉积物粒径组成中，小于0.002 mm的黏粒所占比例为30.04%~36.75%，明显高于东太湖(16.71%)，可见污染程度越重的湖区，其沉积物中细颗粒所占比例越大。这一结果和张路[18]关于两区沉积物粒径的比较结果相一致。分析原因：表1 配制污水成分

梅梁湾地处无锡市区，入湖河流以及人为排放输入，Table 1 Components of synthetic wastewater

因污染严重易处于厌氧状态，泥沙多以细颗粒为主。配水成分 ρ/(mg·L-1) 微量元素溶液成分 ρ/(g·L-1)

东太湖湖区内生长有大量的水生植物，本身自净能COD 300 FeCl3 1.5

KH2PO4 29.25 H3BO3 0.15 力较强，沉积物颗粒粒径相对较大。经富集之后，K2HPO4 18.71 CuSO4·5H2O 0.03

两者都呈现为活性污泥的特征，颜色呈黄色，絮状。

NH4Cl 110 KI 0.18

2.2 草藻型沉积物化学性质比较

MgSO4·7H2O 170 MnCl2·4H2O 0.12

由表2可看到来自太湖不同区域的沉积物，其CaCl2·2H2O 80 Na2MoO4·2H2O 0.06

peptone 170 ZnSO4·7H2O 0.12 化学指标存在差异。沉积物中LOI，ROOM，TN、trace elements 0.6 mL·L-1 CoCl2·6H2O 0.15 TP的含量，都是24号点（东太湖）含量高于1号

EDTA 10 点（梅梁湾）。东太湖的水生植物生长繁茂，植物

枯萎之后经经过生物同化，沉积进入沉积物。湖水乙酸碳源标记为：AC。不同接种污泥标记为：

中的氮磷和有机碳经由水生植物传输到底泥中，使藻型区为1，草型区沉积物记为24。2组小型反应

得东太湖的氮磷和有机碳含量较高。氮结果和雷泽器分别标记为：AC1和AC24。 [19][20]

。马生伟等的研究认为，太湖沉湘等研究一致1.4 分析方法

积物TP含量的趋势是西部最高，中部最低，东部可溶解性正磷酸盐(SOP)采用钼锑抗分光光度

次高，磷数据和其结论是接近的。 法[14]；总磷（TP）采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光

LOI表征原料加热分解的气态产物（如水和二光度法[14]243-246；总氮（TN）采用过硫酸钾氧化-紫

氧化碳等）和有机质含量的多少。ROOM是沉积物外分光光度法[14]254-257；COD采用快速密闭催化消

肥力的核心部分，也是沉积物碳循环转化的主要过解法[15]；溶解氧（DO）采用溶氧仪；pH值采用pH

程之一。易氧化有机物是有机物中活性较强，较易测定仪(Shengci, PHS-3C)；MLSS[15]106、混合液挥

矿化分解的部分，在沉积物中大多数与无机矿物结发性悬浮固体(MLVSS)按重量法测定；易氧化有机

合，形成有机无机复合体。表2数据说明24号点的物（ROOM）采用重铬酸钾氧化法[16]。烧失量（loss [21]

[17]的结有机质含量高，易于利用。该结果和吕添泓on ignition，LOI）采用重量法。

果一致。原因是东太湖上层沉积物富含大量的动植2 结果与讨论

物残体及有机碎屑。 2.1 草藻型沉积物粒径比较

东太湖是太湖的主要出水通道，沉积厚度已达接种污泥取自太湖梅梁湾1号点和东太湖的24

表2 沉积物化学指标 Table 2 chemistry parameters of mud

项目

w(MLSS)/ (mg∙kg)

-1

31º30′ N)和东太湖24号点（120°22′46.1″ E，

30°58′49.2″ N）沉积物。在接种前，所用器具先经灭菌消毒。沉积物中所含无机物质很多，这个特点不同于常用的活性污泥，因此先行去除砂粒及其他大颗粒无机物。沉积物用0.7%的生理盐水混合淘洗，经2 min沉降后的上层分液留下，再经2次相同步骤淘洗之后的上层悬浮液，作为最终的接种污泥。 1.3 进水水质

进水：化学需氧量/磷（COD/P）=20，ρ(COD)=300 mg·L-1，混合液悬浮固体(MLSS)约

。污3000 mg·L-1。碳源为乙酸盐（sodium acetate）

水成分见表1，污水配方参考Smolders[13]的文献资料。进水pH控制在7.0±0.1。

w(MLVSS)/ (mg∙kg)

-1

[w(MLVSS)/w(MLSS)]/

%

4.88 4.57

w(ROOM)/ (mg∙kg) 19.2 26.1

-1

w(LOI)/ (mg∙kg) 466.9 631.7

-1

w(TN)/ (mg∙kg)

-1

w(TP)/ (mg∙kg-1)

1号点 973.59 24号点 981.61

47.5 44.9

670 2173 868 3114.7

胡颖等：太湖草藻型沉积物的物理化学特征及其对沉积物中聚磷菌的影响 1861

0.5~1.0 m，水生植物茂盛，年产水草约360000 t，占全湖产量的80.2%=，沿岸携入的泥沙与水生植物残体增加了沉积物中LOI、ROOM、TN和TP的量。 2.3 富集后微生物数量变化

从图1中看到，MLVSS先呈下降趋势，而后升高。MLVSS数值代表有机物，可以表观微生物的数量。由于沉积物来自湖泊底泥，其沉降性能远不如活性污泥，初始污泥沉降比（SV）只有60%~ 90%左右，污泥的流失较大。经过选择性淘洗之后，剩下的是易于沉降的污泥。实验初期（20 d左右），污泥量的降低还有一个原因就是排泥控制得不好，使得污泥流失过多。停止排泥几天之后，污泥量有了明显增加，遏制了污泥的过多流失。从MLVSS/MLSS的比值可以看到是明显上升的趋势，说明污泥中微生物所占比例在增加，微生物在逐步增殖。接种污泥初始w(MLVSS)/w(MLSS)比值由4.88%~4.57%上升到培养之后的70%~ 98%。说明污泥中无机颗粒大幅减少，有机质增加。无论藻型还是草型沉积物都是此趋势。AC1、AC24的平均ρ(MLVSS)值分别为2465、2737.5 mg·L-1，草型比藻型要多11%。就整个实验而言，草型沉积物中微生物的量比藻型沉积物的要多些。可能是草型沉积物中生态群落较丰富，这有助于适应外界环境的变化。

6000AC15000AC1-nAC24AC24-n1009080706030005040200030201002009-7-292009-8-9Date2009-8-192009-8-290AC1140AC24AC1-nAC24-n0.141200.12-3[m(CO)/mMLVSS]/1[m(COD)D/m((MLVS)S)0]/10-3 1001-1 ρ(COD(mg·L))ρ(COD))//(mg∙-L0.10800.08600.06400.04200.0207-207-237-298-48-8Date8-128-168-208-249-20.00日期

柱状图为COD，折线图为COD去除负荷 图2 COD及单位生物量COD的去除负荷变化

Fig.2 COD and unit load removal of COD

4000[ρ(MLVLSS)S/ρ(MLS)])/% [ρ(MVS/MLSSS)]/(%-1-1 ρ(ρMLVS))//mg(MLVSSS((mg·L∙L))沉积物对有机质的降解更强，是由于长期处于高浓度有机质状态的驯化之下的反应。 2.5 出水pH值的变化

配水的pH值为7.0，反应器AC1和AC24的平均出水pH值分别为8.39和8.38。不同沉积物在此运行条件下，出水pH值没有明显差异，说明反应器运行方式以及这2种类型沉积物中的微生物类群对pH值的影响不明显（图3）。

乙酸盐在好氧条件下的理论方程式为

CH3COO−+H++2O2→2CO2+2H2O （1） 方程式（1）表明乙酸盐完全氧化时消耗同摩尔数

则该类型碳源氧化之后因H+的消耗而使得溶的H+，

液pH值升高。有报道[22-23]在使用乙酸盐做碳源时也出现pH值升高的现象，这和实验结果相一致。该生化过程可以解释AC1、AC24反应器内溶液pH值升高趋势。

910008.5pH日期 8柱状图为MLVSS，折线图为MLVSS/MLSS比值 图1 MLVSS及MLVSS/MLSS比值变化 Fig.1 performance of MLVSS and MLVSS/MLSS

7.5AC177-157-207-257-308-48-98-148-198-248-299-3DateAC242.4 有机质去除

图2是以乙酸钠为碳源的COD的变化图。AC1、AC24的平均单位生物量COD去除负荷分别为m(COD)/m(MLVSS)0.104 mg·mg-1、m(COD)/

就单位生物去除负荷，m(MLVSS) = 0.086 mg·mg -1。

藻型区沉积物对COD的去除高于草型区，高出20.9%。反应器AC1、AC24的平均COD去除率分别为85.7%和78.8%，也说明藻型区沉积物对COD的去除要强于草型区。

该实验结果验证了受人类活动污染的藻型区

日期

图3 pH变化 Fig.3 profile of pH

2.6 溶解性正磷酸盐（SOP）的变化

从图4可以看到，草型区和藻型区沉积物经过富集培养后，对高浓度富磷生活污水均有不同程度的去除效果。前20 d左右磷的去除率相对较高，随着时间的增加，磷的去除率逐渐下降，之后有所回

1862 生态环境学报 第21卷第11期（2012年11月）

63m-(PO4-P)/m(MLVSS)]/10[m(PO4[-P)/m(MLVSS)]/10-3 AC15AC24432107-157-207-257-308-48-9Date日期

8-148-198-248-299-3

图4 单位生物量SOP去除变化 Fig.4 performance of unit SOP removal

升，最后又开始下降。磷的去除主要来自2个途径：

其二，生物吸收除磷作用。其一，化学沉淀作用[24]；

反应器运转初期沉积物吸附作用较强，这段时间主要是磷的化学沉淀和物理吸附作用。随着富集培养时间的增加，微生物数量增加，化学沉淀和物理吸附趋于平衡，后期磷的去除主要靠微生物除磷。由于在运行之中，曾操作不当，致使污泥流失过快，磷的去除效果曾一度下降。调整之后，得以稳定。

AC1、AC24对SOP的表观平均去除率分别为54.5%和51.2%。反应器的单位生物量的SOP的平均去除量分别为m(PO3-4-P)/m(MLVSS)=3.31和2.80 mg·g-1。数据显示藻型区沉积物所富集培养的微生物除磷效果比草型区要好些，这个结果和COD的去除特点相一致。肖文娟等[25]认为，污染较严重的区域的沉积物表现出较强的吸附磷的能力，有机质分解所产生的小分子物质可增加沉积物对磷的吸附。其实验结果和本次实验在对磷的去除表现上是一致的。肖文娟认为起主要作用的是物理化学作用，而本次实验长达50多天，如果仅仅是物理化学作用，应该达到了基本平衡。但数据表明仍有明显的去除效果，和厌氧释磷现象（图5）。我们认为微生物在其中起着重要作用。

16141210864207-157-207-257-308-48-9Date日期

8-148-198-248-299-3AC1从图5反应器厌氧好氧散点图，可以看到1号

点沉积物厌氧好氧数值差距要小于24号点。可见藻型区沉积物以吸磷为特征，而草型区沉积物具有较明显的厌氧释磷好氧吸磷的特征。但该特点也远较生物强化除磷工艺（EBPR）要弱。厌氧释磷浓度大多数时候只是比进水之后整体混合溶液的磷浓度高，而不是比进水浓度高，而EBPR工艺中，厌氧释磷浓度是高于进水浓度的。其原因，其一，沉积物的物理化学特性影响聚磷菌的生长。其二，反应器中微生物总量偏少的缘故。原始沉积物中，

经过近2个月的培m(MLVSS)/m(干泥)=43.6 g·kg-1，

养后，AC1和AC24的MLVSS分别增长到5660

但微生物量仍远低于活性污mg·L-1和5480 mg·L-1。

泥工艺（EBPR）所用污泥质量浓度（VSS约10000

-1

。其三，由于所用的试验装置过小，小小变mg·L）

动，就会使得系统发生大的变化，造成系统运行稳定性不如容积较大(如2升)的反应器。其四，好氧厌氧交替策略的强度远低于普通的SBR工艺，SBR主要采用3～8 h循环周期，本实验采用的是24 h循环，这主要出于沉积物沉降性能的考虑。其五，接种污泥来自湖泊沉积物，其生态群落比处理厂的活性污泥生态更为复杂。 3 结论

3.1 太湖草藻型沉积物存在物理化学性状上的差异

藻型湖区（1号点）污染较重，草型湖区（24号点）营养负荷相对较轻。藻型区沉积物，草型区沉积物颗粒组成均以小于0.01 mm的粉砂和黏粒为主，占总量的49.5%~83.6%。藻型区沉积物（1号点）粒径组成中，小于0.002 mm的黏粒所占比例为30.04%~36.75%，明显高于东太湖(16.71%)。沉积物中LOI，ROOM，TN、TP的含量，都是24号点（东太湖）含量高于1号点（梅梁湾）。 3.2 太湖沉积物中存在聚磷菌（PAO）

无论是藻型区还是草型区沉积物，在富集驯化

1614123--P/mg · l)-1(POρρ(PO44-P)/(mg∙L) -13--3AC243--1-1PO443---PP)//mg g· ∙lL)) ρρ((PO(m10864207-157-207-257-308-48-98-148-198-248-299-3Date日期

3-

◆：厌氧；□：好氧

图5 2组反应器SOP的特征 Fig.5 characteristic of SOP in two reactors

胡颖等：太湖草藻型沉积物的物理化学特征及其对沉积物中聚磷菌的影响 1863

之后，都表现出厌氧释磷好氧吸磷的特征。表明太湖沉积物中存在聚磷菌。

3.3 不同类型的沉积物对聚磷菌的生长有影响

富集之后，藻型区沉积物更容易利用小分子有机质，因为其COD去除率比草型区要高出6.9%。藻型区沉积物受人类活动影响很大，长期接纳生活污水，更能承受较高的有机负荷。藻型区沉积物更易吸磷，草型区沉积物更有利于聚磷菌生长的特征。

在乙酸钠存在的实验室条件下沉积物微生物——聚磷菌生长的实验结果，支持了微生物在沉积物中磷迁移转化中起着重要作用这一理论。小分子脂肪酸，如乙酸，在沉积物中磷的吸收和释放中，对淡水体系可能有着重要的限制作用。

致谢：本研究得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）项目(2008CB418005)、金肯职业技术学院科研项目基金（JK2009001）的资助，以及973计划的资助人江和龙研究员的帮助，在此表示诚挚的谢意。

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Characteristic of physics and chemistry of grass/algae type zone sediments in

Lake Taihu and effect on polyphosphate accumulation

HU Ying1, 2, JIANG Helong3, HE Chaoqun3

1. Department of Municipal Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China；

2. Department of Architecture and Civil Engineering, Jinken College of Technology, Nanjing, Jiangsu 211156, China； 3. Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, Jiangsu 210008, China；

Abstract: The physical and chemical properties of grass/algae type sediments in Lake Taihu, as well as the effect on polyphosphate

1864 生态环境学报 第21卷第11期（2012年11月） accumulation were investigated. Silt and clay (less than 0.01 mm in diameter) is the majority particles of grass and algae type sediment, account for 49.5%~83.6%. The percentage of particles (less than 0.002 mm in diameter) in algae type sediments is 30.04%~36.75%, which is higher than that of grass type zone sediments (16.71%). However, the content of loss on ignition (LOI), readily oxidizable organic matter (ROOM), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) of algae type sediment are lower than that of grass type sediment in Lake Taihu. The sediment samples were collected from the two type zones and microorganism in these sediments were enriched by adding sodium acetate as carbon source in laboratory-scale sequencing batch reactors (SBRs). The SBRs parameters were set: COD/P ratio in the feeding was 20:1.The cycle time was 24 h, the hydraulic retention time was 48 h, and the solids retention time was controlled at approximately 20 days. After more than 50 days, the orthophosphate concentration in both reactors increased at the anaerobic phase and decreased at the aerobic phase significantly, which confirmed that polyphosphate accumulating microorganism (PAOs) were existed in sediments of Lake Taihu. Our experimental data also showed that the low-molecular-weight organics are more easily absorbed by sediment in reactor AC1 (algae type zone sediments) than in reactor AC24 (grass type zone sediments), corresponding to the removal of COD in reactor AC1 was higher 6.9% than that of reactor AC24. Phosphorus was readily absorbed by algae type zone sediments, while PAOs were enriched in the grass type zone sediments. These results suggested that the bacteria took an important role in the transfer and transformation of phosphorus element in the sediments. Key words: phosphorus; sequencing batch reactors (SBRs); sediments; algae type zone; grass type zone; Lake Taihu