（市政工程专业论文）固定化微藻去除氮磷的影响因素研究.pdf

山东建筑大掌司仕掌位论文 摘要 氮磷是导致水体富营养化的主要营养物质，利用微藻能够有效去除二级出水中的氮和 磷，并可获得具有一定应用价值的藻类，而固定化技术解决了藻水分离困难的问题。本文 结合大量试验数据，研究了褐藻胶内藻密度、温度、光照周期、光照强度、氮磷形态等因 素对固定化微藻去除氮磷的影响，为固定化微藻在污水处理领域的工程化应用做了一些基 础性研究工作。 褐藻胶内不同藻密度的试验结果表明，尽管不同藻密度的藻珠对氮磷具有不同的去除 率，然而当藻细胞的数量级大于1 0 5 细胞球时，增加褐藻胶内的藻密度并不能明显改变氮 磷的去除率，这可能是因为增加褐藻胶内的藻密度会增加褐藻胶的传质阻力，并影响光线 的穿透力和微藻对光照的有效利用率。 在不同温度条件下的试验结果显示，当温度由1 5 c 升高到2 5 时，氮磷的去除率不 断增加，但当温度继续升高，并达到3 0 c 时，由于固定化藻细胞光呼吸速率的增加，氮磷 的去除率反而下降，即对氮磷的去除率而言：2 5 3 0 2 0 1 5 。 对光照周期的试验结果表明，在连续光照和具有1 2 1 2 h 光暗比光照周期的光照条件 下，固定化微藻对氮磷的去除率并没有本质的区别，但在连续光照下，氮磷的去除率持续 增加，在具有光照周期时，氮磷的去除卒却呈“阶梯”状增加。 在不同光照强度下的试验结果显示，当光照强度由2 8 0 0 1 u x 升高到8 0 0 0 1 u x 时，固定 化蛋白核小球藻对氮和磷的去除率略有增加，分别由9 3 3 和9 7 o 升高到9 7 7 和9 9 1 ， 但当光照强度达到1 2 0 0 0 1 u x 时，由于光抑制，氮和磷的去除率分别下降到8 9 1 和8 8 6 。 对不同形态氮的去除试验结果表明，当污水中同时存在氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮 时，固定化蛋白核小球藻对不同形态氮的去除顺序为氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，去除 率分别为1 0 0 、7 9 2 和6 1 2 。 对不同形态磷的去除试验结果显示，当污水中同时存在正磷酸盐磷和六偏磷酸盐磷 时，固定化蛋白核小球藻首先吸收去除正磷酸盐磷，然后为六偏磷酸盐磷，去除率分别为 8 0 2 和7 1 3 。 关键词：固定化微藻；氮磷的去除；影响因素 山东建筑大学硕士掌位论文 a b s t r a c t n i t r o g e no da n dp h o s p h o m s ( p ) ，w h i c ha r et h ep r i m a r yn u t r i e n t si n d u c i n ge u t r o p h i c a t i o n o fw a t e rb o d y , c a l lb e e f f e c t i v e l y r e m o v e df r o ms e c o n d a r ye f f l u e n t b ym i c r o a l g a e ，a n d m e a n w h i l e ，w ec a l lg e tv e r yv a l u a b l eb i o m a s so f m i c r o a l g a e o n eo ft h em a j o r p r o b l e m si nu s i n g m i c r o a l g a ef o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti s t h e i r r e c o v e r yf r o mt h et r e a t e de f f l u e n t ，b u tt h e a p p l i c a t i o no fi m m o b i l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a ss o l v e di t w i t hal o to fe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h i s p a p e rf o c u s e so nt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gr e m o v a lr a t eo fna n dpb yi m m o b i l i z e dm i c r o a l g a e ， s u c ha st h ed e n s i t yo fm i c r o a l g a lc e l l i na l g i n a t eg e l ，t e m p e r a t u r e ，l i g h t d a r kc y c l e s ，l i g h t i n t e n s i t y , t h ef o r m so fn a n dp ，e t c ，a n dw eh a v em a d es o m eb a s a lr e s e a r c h e so np r o m o t i n gt h e a p p l i c a t i o no fi m m o b i l i z e dm i c r o a l g a ef o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd i f f e r e n tm i c r o a l g a ec e l ld e n s i t i e si na l g i n a t eg e lp r o v et h a t i n c r e a s i n gt h em i c r o a l g a ec e l ld e n s i t yi ni m m o b i l i z a t i o nm a t r i xw i l ln o to b v i o u s l ya f f e c tt h e r e m o v a lr a t e so fna n dpw h e nt h ec e l ld e n s i t ym o r et h a n1 0 sc e l l s b e a d ，a l t h o u g hd i f f e r e n tc e l l d e n s i t i e sh a v ed i f f e r e n tr e m o v a lr a t e so fna n det h i sm a yd u et ot h a ti n c r e a s i n gc e l ld e n s i t yw i l l d e c r e a s et h ed i f f u s i v i t yo fm a t r i x ，t h ep e n e t r a b i l i t yo fl i g h ta n dt h ee f f e c t i v ea v a i l a b i l i t yo fl i g h t b ym i c r o a l g a e t h ee x p e r i m e n t sc a r r i e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e si n d i c a t et h a tt h er e m o v a lr a t e so fn a n dpw d li n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h e t e m p e r a t u r ef r o m 1 5 t o2 5 ，b u tw h e nt h e t e m p e r a t u r ee x c e e d s3 0 。c ，t h er e m o v a lr a t e sw i l ld e c r e a s eb e c a u s e0 fp h o t o r e s p i r a t i o n ，t h e r e f o r e ， t h es e q u e n c eo fi m m o b i l i z e dm i c r o a l g a er e m o v i n gn a n dpf r o mw a s t e w a t e ru n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e si s ：2 5 4 c 3 0 c 2 0 4 c 1 5 c t h ee x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h eu l t i m a t er e m o v a lr a t e so fna n dpu n d e r l i g h t d a r kc y c l e s a r en o to b v i o u s l yd i f f e r e n tf r o mt h a tu n d e rc o n t i n u o u si l l u m i n a t i o n ，w h i l et h em o d e so fn a n dp r e m o v a lb ym i c r o a l a g eu n d e rt h e s et w ol i g h ts c h e m e sa r ed i f f e r e n t u n d e r c o n t i n u o u s i l l u m m a t m n ，t h er e m o v a lr a t e so fn a n dpi n c r e a s ep e r s i s t e n t l y , b u tu n d e r l i g h t d a r kc y c l e s ，t h e r e m o v a lr a t e so fna n dpi n c r e a s ei ns t a i r w a y t h ee x p e r i m e n t sc a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tl i g h ti n t e n s i t yi n d i c a t et h a tt h er e m o v a lr a t e so f na n dp b yi m m o b i l i z e dc h l o r e l l ap y r e n o i d o s aw i l li n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gl i g h ti n t e n s i t yf r o m 2 8 0 0 1 u xt o8 0 0 0 1 u x ，b u tt h er e m o v a lr a t e so fn ( 9 7 7 a n d9 3 3 ，r e s p e c t i v e l y ) a n dp ( 9 9 1 i i 山东建筑大掌硕士掌位论文 a n d9 7 o ，r e s p e c t i v e l y ) u n d e r8 0 0 0 1 u xa n d2 8 0 0 1 u xa r ea l m o s tt h es a m e a n dw h e nt h el i g h t i n t e n s i t yr e a c h e s1 2 0 0 0 1 u x 。t h er e m o v a lr a t e so fna n dpd e c r e a s er e s p e c t i v e l yt o8 9 1 a n d 8 8 6 b e c a u s eo fp h o t o i n h i b i t i o n t h er e m o v a le x p e r i m e n t so fd i f f e r e n tf o r m sn i n d i c a t et h a tw h e na m m o n i u m ，n i t r a t ea n d n i t r i t ee x i s ti nw a s t e w a t e rs i m u l t a n e o u s l y , t h ei m m o b i l i z e dc h l o r e l l ap y r e n o i d o s aw i l lr e m o v e a m m o n i u mf i r s t l y , a n dt h e nr e m o v en i t r i t ea n dn i t r a t e ，r e s p e c t i v e l y a n d d u r i n g 5 d a y s e x p e r i m e n t s ，t h er e m o v a lr a t e so fa m m o n i u m ，n i t r i t ea n dn i t r a t ea r e1 0 0 ，7 9 2 a n d6 1 2 ， r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a le x p e r i m e n t so fd i f f e r e n tf o r m spi n d i c a t et h a tw h e no r t h o p h o s p h a t ea n d h e x a m e t a p h o s p h a t ee x i s ti nw a s t e w a t e rs i m u l t a n e o u s l y , t h ei m m o b i l i z e dc h l o r e l l ap y r e n o i d o s a w i l lf i r s t l yr e m o v eo r t h o p h o s p h a t e ，a n dt h e nr e m o v eh e x a m e t a p h o s p h a t e a n dd u r i n g4d a y s e x p e r i m e n t s ，t h er e m o v a lr a t e so fo r t h o p h o s p h a t ea n dh e x a m e t a p h o s p h a t ea r e8 0 2 a n d7 3 1 r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：i m m o b i l i z e dm i c r o a l g a e , r e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s i i i 山东建筑大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑工程学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：萎l e t b 迎! ：! ：! 。 山东建筑大学学位论文使用授权声明 山东建筑工程学院送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公 布( 包括刊登) 授权山东建筑工程学院研究生处办理。 研究生签名：窆l 导师签名：；孓黼日 山东建筑大掌硕士掌位论文 第1 章概论 1 1 氮磅对水体的污染 1 1 1 我国氮磷污染的现状 随着城市化和工农业生产的发展，大量富含氮、磷等营养物质的城市污水、工业废水 及农业废水流入自然水域，使水体中的营养物质迅速富集，从而导致了水体的富营养化和 赤潮1 1 1 ，这已对生态系统和社会经济的发展构成了制约和影响【2 1 。 在2 0 0 3 年全国七大江河水系的4 0 7 个监测断面中，仅有3 8 1 的断面符合三类以上水 质标准，劣五类水质占2 9 7 。其中海河、辽河、黄河、淮河污染最为严重，主要超标污 染物为高锰酸盐指数和氨氮；全国7 5 的湖泊出现了不同程度的富营养化，尤以巢期、滇 池、太湖为重：近岸海域四类、劣四类海水水质占3 0 ，超标污染物质主要为氮和磷1 3 1 。 1 1 2 水体中氮磷的来源 水体中氮磷等营养物质的来源主要包括两个方面，即外源性污染和内源i 生污染，所谓 的外源性污染是指从外部进入水体的氮磷，而内源性污染是指水体内部自身的底泥等沉积 物释放的氮磷i 钔。 氮磷的外源性污染又可分为点源污染和面源污染，点源污染主要包括生活污水和工业 废水等的直接排放及经处理后尾水的排放等造成的污染；而面源污染和点源污染相对应， 是指氮磷等污染物从非特定点在降水和径流冲刷的作用下，通过径流过程汇入受纳水体， 引起的水体污染【5 l ，包括农业面源污染、地表径流污染、气载污染物污染、水土流失及水 产养殖等，并有研究表明，面源污染可能是河流湖泊等水体氮磷污染的主要来源n 当然，氮磷的内源胜污染也是造成水体污染并导致水体富营养化不可忽视的潜在二次 污染源。 1 1 3 氮磷在水体中的存在形式 水体中的氮可分为有机氮和无机氮，其中有机氮主要包括蛋白质、多肽、氨基酸、尿 素、胺类化合物和硝基化合物等；无机氮主要包括氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐。同样，水体 中的磷也可分为有机磷和无机磷，其中有机磷多以葡萄糖6 磷酸、2 磷酸甘油酸及磷肌酸 等形式存在，并且大多呈胶体和颗粒状，可溶性有机磷只占3 0 左右；而无机磷几乎都是 以可溶性磷酸盐的形式存在，包括正磷酸盐、偏磷酸盐以及聚合磷酸盐( 如焦磷酸盐和聚 1 山东建筑大掌硕士掌位论文 三磷酸盐等) 等川。 1 1 4 氮磷污染的危害 1 1 4 1 引起缓流水体的富营养化 为了控制水体的富营养化，一般认为氮和磷是最需要去除的营养物质，虽然其他元素 如铁、钼、镁和锌等也可能是加快水体发生富营养化的重要因素【吼。这是因为水体受到氮 磷等营养物质的污染后，在适当的水文、气象等条件下，会导致藻类的过度繁殖，从而加 快水库、湖泊等水体的富营养化进程，引发晦洋赤湖，恶化水体质量，破坏水体的生态环 境【9 1 口一般认为，水体中总磷和无机氮浓度分别达到o 0 2 m g l 和0 3 m g l ，即标志着水体 已处于富营养化状态，当然，也有人认为磷是水体发生富营养化的限制l 生因素，因为水体 中的某些藻类本身含有固氮酶，可以利用空气中的氮气作为生长所需的氮源1 7 1 1 加1 。 发生富营养化的水体存在很多危害【1 1 】：首先，一般会产生令人不愉陕的颜色和气味， 恶化水体的感观性状，降低水体的美学价值。其次，由于藻类在白天进行光合作用，使水 体中的溶解氧处于饱和甚至过饱和状态，而到了夜晚，藻类进行呼吸作用，会迅速耗尽水 中的溶解氧，使水体处于厌氧状态，从而破坏水体的溶解氧平衡，进一步恶化水体水质。 再次，若用受到氮磷污染的水体作为给水水源，还会增加水处理成本，并且由于藻类堵塞 滤池等水处理设施，从而使水厂不能正常运行。 1 1 4 2 产生有毒有害物质 氮磷污染可导致水体内藻类的过度孳生，而某些藻类可分泌藻毒素，威胁其他水生生 物及人畜的生命安全1 1 1 】。 排入水体的硝酸盐在缺氧、酸胜条件下，可还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐与仲胺作用， 会形成亚硝胺，而亚硝酸盐和亚硝胺都有毒，并且亚硝胺是三致( 即致突变、致癌、致畸 形) 物质川。 1 2 氮磷的常规去除工艺 1 2 1 氮的常规去除工艺 氮的去除方法一般可分为物理化学法和生物法。物理化学法一般包括氨的吹脱去除、 折点加氯法和离子交换法等，这类方法一般具有处理费用高、容易产生二次污染等缺点。 氮的生物去除法中，传统工艺主要有氧化沟、s b r 、a o 、a 誓。等工艺，近年来新开 发出来工艺有好氧反硝化、同时硝化反硝化( s n d ) 、短程硝化反硝化和厌氧氨氧化 2 山东建筑大掌硕士掌位论文 ( a n a m m o x ) 等工艺 1 2 1 。 传统的生物脱氮工艺一般包括硝化和反硝化两个阶段，即有机氮在氨化细菌的作用 下，分解、转化成氨氮，然后在好氧条件下，氨氮在自养硝化细菌( 包括亚硝酸菌和硝酸 菌) 的作用下，相继转化成亚硝酸盐和硝酸盐，最后在缺氧条件下，硝态氮在异养反硝化 菌的作用下转化成氮气，释放到空气中，从而达到脱氮的目的。由此可见，虽然传统的生 物脱氮技术已比较成熟，但由于其一般需要经过一个好氧、缺氧的过程，并需要投加碳源 或进行内回流以实现反硝化，同时硝化菌和反硝化菌所需要的环境条件如d h 值、温度、 溶解氧、有机碳等相互矛盾，所以普遍存在运行费用高、运行管理要求高等缺点，难以达 到理想的脱氮效果【1 3 】【1 4 l 。 1 2 2 磷的常规去除工艺 废水中磷的去除工艺一般包括化学法和生物法。化学法除磷包括混凝沉淀法和晶析 法，其中前者应用比较广泛。所谓的混凝沉淀除磷法是指向废水中投加金属盐( 如铝盐、 铁盐等) 、聚合物和石厌等化学物质，将水中的溶解性磷转化成磷酸盐沉淀( 如羟磷厌石、 鸟粪石、磷酸钙等) ，以达到除磷的目的。利用化学法除磷的主要缺点是化学污泥量比较 大，并且不易脱水，污泥的处理处置比较困难，同时投加化学药剂增加了运行成本，并有 可能改变了污水的性质，如其p h 、含盐量等1 1 5 j 。 所谓的生物除磷，就是利用某些异养菌如聚磷菌一类的微生物，从外界环境中摄取超 过其生理需要的磷，并将吸收的磷以聚合物的形态贮藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系 统，达到除磷的目的。生物除磷的原理比较复杂，一般认为聚磷菌需要在绝对厌氧条件( 既 没有分子氧，也没有化合氧如硝酸盐、亚硝酸盐存在) 下，利用菌体内聚磷的水解形成三 磷酸腺苷( a t p ) ，吸收污水中的挥发性脂肪酸( v f a ) 和其他简单有机物，形成聚b 羟基 丁酸( p h b ) ，然后在好氧条件下，利用厌氧条件下形成的p h b 和污水中的简单有机物进 行好氧呼吸，过量的吸收磷，并在体内转化成聚磷，形成高磷污泥，从而达到去除磷的目 的，其在绝对厌氧和好氧条件下的生化反应机理如图1 1 所示【1 6 】【1 7 】【1 8 1 【1 9 l 。 采用生物除磷的缺点主要有以下几个方面1 1 3 1 1 2 0 1 1 2 1 1 【2 2 1 1 2 3 】1 2 4 】：首先，稳定性和灵活性较 差，特别是当要求出水中磷的浓度小于l m g l 时，生物法的不稳定劣势会更加明显。其次， 除磷效果过度依赖废水组分，这是因为为了增加活性污泥中聚磷菌的活性与数量，进水中 就需要含有一定量的v f a 或其他简单有机化合物。再次，在污泥的处理过程中存在磷的释 放现象，一般隋况下，剩余活性污泥的处理需要经过污泥浓缩、污泥消化和污泥脱水等步 3 山东建筑大掌硕士掌位论文 骤，但在此处理过程中，磷会在厌氧条件下再次释放。并且，在污泥的好氧或厌氧消化过 程中，由于高温和较长的停留时间，聚磷菌体内的聚磷将会被完全降解，同时细胞壁上的 有机磷也会由于细胞的降解而转化为磷酸盐。第四，聚磷菌需要绝对厌氧条件才能达到较 好的释磷效果，而在污水处理系统的实际运行过程中，由于污泥回流会将0 2 和硝酸盐、亚 硝酸盐带到厌氧池，破坏绝对厌氧条件而影响磷的去除效果。最后，生物除磷系统运行管 理复杂。近来的研究发现，在强化生物除磷系统中，即便是能够满足有机碳源充足和绝对 厌氧条件及其它的外部条件，系统的除磷效率仍然不高，这可能是处理系统运行过程中由 于p h 值、温度等因素的改变，使聚糖菌与聚磷菌对有机碳源产生竞争的结果。 ( a ) 绝对厌氧 简单有机分子 r 好氧 图1 1 生物除磷工艺的生化反应机理 1 n a d 表示辅酶i ；2 c h 3 c o s c o a 表示乙酰辅酶a ；3 p i 表示磷酸 1 3 利用微藻去除氮磷 1 3 1 原理 藻类( 指真核藻类，不包括原核的蓝藻门，因为蓝藻其只含叶绿素，不含叶绿体) 利 用位于叶绿体内类囊体膜上的光合系统i 捕获光予，光予被p 7 0 0 吸收后，释放出被激活的 电子，该电子经叶绿醌和几种铁硫蛋白( 最后一种铁硫蛋白为铁氧化还原蛋白) 的传递， 到达黄素蛋白，黄素蛋白利用得到的电子和叶绿体基质内的氢离子将n a d p + 还原成 n a d p h ；与此同时，光合系统i i 也捕获光子，并光解水获得电子、氢离子和氧气，光解 水获得的电子经一系列的电子载体传递给同样位于类囊体膜上的光合系统i ，用来补充其 释放出的电子。在光合作用过程中，除了得到还原性物质n a d p h 外，微藻还可将光合系 统捕获的光能转化成a t p 的磷酸键能，即进行所谓的光合磷酸化( 如图1 2 所示) 【2 5 1 。 4 山东建筑大掌硕士掌位论文 图1 2 光反应 lm b 袭示光合系统l i 内的锰簇，2 p h e 表示脱镁叶绿素；q 表示叶绿醌 微藻利用光反应生成的a t p 和还原剂n a d p h ，通过叶绿体基质内发生的卡尔文循环， 固定水中的d i c ，合成3 一磷酸丙酮醛( 如图1 3 所示) ，其净反应如式1 1 所示。当然，如 果有足够的n a d p h 和a t p ，卡尔文循环也可以在无光时进行，所以此过程称为非需光反 应，也叫做暗反应。通过卡尔文循环合成的3 磷酸丙酮醛可能在叶绿体内被转化成淀粉， 也有可能被转移到细胞质中，用来合成蔗糖、氨基酸、蛋白质、酯类、核酸和其他代谢物。 对于上述光合作用过程，不同的研究者提出了不同的反应方程式：s t u m m 和m o r g a n l 7 1 提出，藻类的分子式近似为c 1 0 6 h 2 6 3 0 1 l o n l 6 1 ，若以硝酸盐作为氮源，以磷酸氢盐作为磷源， 则其光合作用的反应方程式如式1 2 所示；o w w a l d l 2 6 1 氨氮作为氮源，以磷酸氢盐作为磷 源，分析得出的藻类光合作用反应方程式如式1 3 所示。 3 c 0 2 + 6 n a d p h + 9 a t p 一3 一磷酸丙酮醛+ 6 n a d p + + 9 a d p + 8 p t( 1 1 ) 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n o ；+ h p o z 。+ 1 2 2 h 2 0 + 1 8 h + 吐一c 1 0 6 h 2 6 3 0 1 l o n l 6 p + 1 3 8 0 2 ( 1 2 ) 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n h 4 + + h p 0 2 - i - 2 3 6 h 2 d c 1 h 2 6 3 q l o 1 6 p + 1 1 8 0 2 + 1 7 1 h z 0 + l 锕+ ( 1 3 ) 由此可见，微藻利用光能，以水中的d i c 作为碳源，通过微藻细胞中的叶绿体进行光 合作用，并在此过程中大量吸收水中的氮( 包括n h 4 + 、n 0 2 和n 0 3 等) ，用来合成氨基酸、 5 山东建筑大掌硕士掌位论文 蛋白质及其它含氮化合物；大量吸收水中的磷( 包括h 2 p 0 4 - 、h p 0 4 2 等) ，用于合成a d p ， a t p 、核酸、磷酯和其它含磷化合物，同时释放出大量的氧气。 分 图1 3 卡尔文循环 1 每种物质上方的数字表示每固定3 m o lc 0 2 所需要的该物质的量；2 箭头上的数字表 示每固定3 t o o lc 0 2 由一种物质转化成男一种物质的量( 没有敷字则表示1 ) 1 3 2 微藻固定化技术 微藻用于污水处理的主要问题之一是难以回收已处理污水中的微藻，从而造成生物量 的流失 2 7 1 ，将藻类细胞包埋于基质中的固定化技术解决了藻类收获问题【2 8 l 。固定化技术不 仅能够防止生物反应器中生物量的流失，还在很大程度上提高了操作的灵活陛和分离的容 易性【2 9 】，并且有研究表明，在藻种相同的情况下，固定化可以提高藻细胞对营养物质的去 除效率1 2 8 】1 3 0 l 。同时，藻类固定化技术为为克服传统的藻类污水处理系统停留时间长、占地 面积大和处理效率欠稳定等问题提供了有效的解决途径，使藻类污水处理技术得到了迅速 发展【3 1 】。 1 3 3 影响徽藻去除氮磷的因素 微凛去除氮磷等营养物质的效率受到诸多因素的影响，如藻种、可用营养物质、固定 6 山东建筑大掌硕士掌位论文 化及固定化载体、反应器结构、藻密度、温度、p h 值、光照等。 1 3 3 1 藻种的影响 不同的藻种之问，其生理特征存在着明显的差别，对氮磷等营养物质的去除能力也存 在着明显的差别。 l u ze s t e l ag o n z ：i l e z 等p 2 j 利用分离自二级出水稳定塘内c 埘z 弘m 和m m o r p h u s 的 野生株进行研究，发现在4 l 的圆柱形反应器内，d i m o r p h u s 对氨氮的去除速率明显高于 cw t 妒珩。lt r a v i e s o 等f 3 3 1 利用每藻酸钠固定c h l o r e l l av u l g a r i ss r 2 和c h l o r e l l ak e s s l e r i l a r g 2 ，发现cv u l g a n ss r 2 比ck e s s l e r il a r g 2 对磷酸盐具有更高的去除效率。 1 3 3 2 可用营养物质的影响 微藻的生长速率直接受到废水中所含有的营养物质，如氮磷等的影响1 3 4 1 ，一般说来， 藻种对营养物质的吸收动力学遵循米门( m i c h a l i s m e n t e n ) 酶动力模型1 3 5 】： 阽k 尚 ( 1 4 ) 式中。一营养物质吸收速率，“m ( g m i n ) ； 形。厂茵养物质的最大吸收速率，p m ( gr a i n ) ； 网底物浓度，z m ； 酶一吸收半饱和常数，即胙圪2 时的基质浓度。 由上式可知，随着底物浓度的增加，藻对营养物质的吸收速率会逐渐增大，但是当底 物浓度达到一定数值后，吸收速率会逐渐趋向某一常数。一般来说，微藻对氮磷的去除主 要靠同化吸收，所以随着氮磷浓度的增加，微藻对氮磷的去除速率也会提高，m a r t i n e z 的 研究也进一步证实了这种分析【1 4 1 。 微藻对氮磷的去除效率除了受到水中营养物质浓度的影响外，还受到氮磷等营养物质 存在形式的影响【3 6 】。但是，不同的研究者对微藻选择吸收不同形态氮磷的研究结果却不尽 相同：如f l o r e n c i o 等f 3 7 】研究表明，c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t z i 优先选择氨氮作为氮源，当 氨氮消耗尽后，其开始同时吸收硝酸盐氮和亚硝酸盐氮；而g a r b a y o 等【3 8 】的研究结果表明， c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i 首先去除氨氮、然后为亚硝酸盐、最后为硝酸盐。 1 3 3 3 固定化的影响 藻类经固定后，提高了其对氮、磷和重金属等物质的吸收和富集，这主要是因为固定 7 山东建筑大掌硕士掌位论文 化藻类的生长和生理特性发生了变化，但是目前这方面的研究还很不系统，一般认为固定 化提高了藻类的合成代谢活性，延迟衰老，并在一定程度上降低了藻类的分解代谢活性 3 9 1 1 4 0 l 。 d el an o t l e 等1 3 0 嘲用脱乙酰几丁质固定席藻处理市政污水，在处理时问为2 4 h 时，无 机氮和磷酸盐的去除率分别为9 5 和9 2 ，而悬浮藻对磷酸盐的去除率仅为6 0 ； c a f i i z a r e s 等【4 1 】利用悬浮生长的和角叉菜聚糖固定的螺旋藻处理造酒废水，悬浮藻对 n h 4 + - n 、p o 产一p 和总磷的去除率分别为7 5 、9 8 和5 3 ，而固定藻对氮、磷的去除率 均在9 0 以上；严国安、李益健等利用褐藻酸钠固定普通小球藻【4 2 l 和斜生栅藻【4 ，结果表 明，在5 天的静态试验中，固定葆对氨氮和磷酸盐的净化效率比悬浮藻明显提高。 1 3 3 4 反应器结构的影晌 反应器的结构不同，可能会影响微藻对阳光的捕获、培养基的混合、物质交换等，从 而影响微藻对氮磷等营养物质的去除。l u ze s t e l ag o n z f i l e z 等1 3 2 】的研究表明，普通小球藻 ( cp u l g a r i s ) 在三角反应器内对氨氮的去除效果要优于圆柱形反应器，而在圆柱形反应器 内对磷的去除要优于三角形反应器。 1 3 3 5 藻密度的影响 一般认为，微藻对氮磷的去除效率常常和细胞数量直接相关，并且高浓度藻细胞会提 高去除效率并缩短停留时间【4 4 】【4 甜，当然过高的藻密度电会导致自影响，即藻本身产生抑制 剂如绿藻素的富集会使光合作用效率下降，从而影响营养物质的去除 4 6 4 7 1 。同时，由于微 藻体内的叶绿素对光具有较高的捕获效率，即便其并不能利用所有的光子，微藻几乎还是 吸收所有到达其细胞的光照，这种现象导致了微藻对光利用的直线下降，因为即便是培养 基表面的光子是充足的，但是由于微藻对光的吸收，光子还是不能有效到达培养基的内部 1 4 s l 。f o g g | 4 9 1 的研究结果表明在高浓度培养中，葆细胞的自影响和相互影响问题常常引起细 胞的光照限制，这可能是影响细胞分裂的重要参敛。而微藻对氮磷的去除一般以同化吸收 为主，不同的藻密度其生长速率不同，则其对氮磷的去除效果也应该不同。l a u 等【4 5 】和t a m 等【5 0 1 采用不同初始接种密度的普通小球藻处理污水时，结果显示藻密度对氮磷的去除效率 具有直接的影响，并在存在一个最佳藻密度，但两者的试验结果存在差异。 1 3 3 6 温度的影响 温度支配着酶反应速率、微生物生长速率以及化合物的溶解度等，所以对于控制污染 8 山东建筑大掌司陆掌位 y e 文 物的降解、转化起着关键作用【5 1 1 。 对于某一特定的生物种属，在特定温度和最佳光照强度下，当所有的营养物质供应充 足，并不限制生物生长时，光合自养微生物达到最大生长率l 埘。d it o r o 等人在2 2 7 c 的 温度苑围内，对不同种类的光合自养微生物的生长特性进行了总结，得到如下方程【5 2 j ： l ：= 巧t ( 1 5 ) 式中卜温度，； l 一光合自养微生物的最大比生长率，d q ； 一系数，玛= o 1 0 - 0 0 2 5 d - t ，即在2 0 时最大比生长率为2 0 5 d 。 由上式可知，对于一般的生化反应而言，在l o 2 0 问，温度每增加1 0 ，微生物 的最大生跃率约增加1 倍。而微藻生长的越快，对氮磷等营养物质的吸收速率也越高，去 除量也越大。 对于微藻生长及其去除氮磷的最佳温度，不同的研究者得到的结果也不尽相同： m a r t l n e z 等【5 3 】的研究结果表明，斜生栅葆在2 5 c 时对氮磷的达到最佳去除率；然而g a r c i a s ：i n c h e z 等f 5 4 l 的研究结果表明，c h l o r e l l as p 在3 5 c 时达到最大生长率。 1 3 3 7p h 值的影响 藻类一般喜好接近中性而不是碱陛的p h 条件，这可能与两个因素有关：一是无机碳 以重碳酸盐和碳酸盐形式存在时的可获得性；二是重碳酸盐、碳酸盐、c 0 2 、p h 值之间的 相关关系。藻类在生长过程中吸收水中的碳酸盐、重碳酸盐和c 0 2 等溶解性无机碳( d i c ) ， 会使污水的p h 值升高，通常情况下，当p h 值大于8 5 9 时，对葆类生长是有害的f 1 7 1 。 而p h 值对n i g + - n 和p o ，一p 的非微生物去除有较大影响：因为随着p h 的升高，反应n h 4 + + o h 一n h 3 h 2 0 向生成n h 3 - h 2 0 的方向移动，这有利于氨氮的解吸去除，同时p h 的升 高还可以引起污水中p 0 4 3 p 以沉淀的形式去除t s 射。t a l b o t 等【5 6 】利用在活性污泥处理设施 的二级出水和营养物质混合液中培养的p h o r m i d i u mb o h n e r ，讨论了解吸对铵的去除，并发 现此种方式的去除可占总去除的3 8 到1 0 0 。 1 3 3 8 光照的影响 因为微藻属于光合自养微生物，其对氮磷等营养物质的去除，在很大程度上受到光照 的影响。 ( 1 ) 光照强度的影响 9 山东建筑大掌硕士学位论文 在黑暗环境中，由于呼吸作用，微藻固定c 0 2 和释放0 2 速率为负值，随着光照的增 强，光合作用和呼吸作用达到平衡，继续增加光照强度，光合作用速率会直线增加并趋向 于某一固定值，这时的光照强度称之为饱和光强。当光照强度达到饱和光强以后，若再增 加光照强度，由于光量子密度超过饱和光合作用所需而引起光损伤，从而致使光合作用能 力下降i s 7 1 1 5 8 1 。由微藻对氮磷的去除途径可知，微藻对氮磷等营养物质的去除和微藻的光合 作用密切相关，只有光合作用正常并且光合作用大于呼吸作用时，微藻才能有效的去除氮 磷等营养物质，所以过低或过高的光照强度都应该会影响微藻对氮磷等营养物质的去除。 ( 2 ) 光照周期的影响 微藻是光合自养微生物，为了获得足够的光能，就需要一定的光照时长，然而过长的 光照也可能会抑制微藻的生长，因为微藻在十亿多年前就已经进化到适应光照的季节性变 化、每天太阳光照的周期眭变化及河流和波浪的打断等【1 0 1 。 1 4 课题研究的目的、意义和内容 本课题来源于山东省科委计划研究项目：强化藻类除磷在城市污水中的应用研究，项 目编号0 3 1 1 0 0 1 4 。 1 4 1 课题研究的目的和意义 环境和资源是当今人类社会最为关注的两大热点问题。随着社会的发展和人类的进 步，环境污染和资源枯竭变得越来越严重，而水污染是环境污染一个比较重要的方面，它 一方面会导致严重的环境污染，影响水生生物和水生生态系统稳定，危害人类健康；另一 方面还会引起可利用水资源的枯竭【5 9 1 。传统的污水处理方法为达到降解和去除污水中污染 物质的目的，要以大量的能量消耗为基础，同时它还会使污水中潜在的营养价值丢失，这 是非常不经济的【矧，并且污水二级处理后的出水进一步脱氮和除磷比较困难【6 。 微藻是一类非常原始但却十分重要的海洋和水生生物资源，具有生长快、产量高、含 有大量陆地生物所缺乏且十分独特的生物活性物质、可定向培养、适应能力强、易调控等 特点。o s w a l d 和g o t a a s l 6 2 1 于2 0 世纪5 0 年代最早提出利用微藻处理污水以来，近年来的研 究进一步确认了藻处理系统的潜力，特别是对废水中氮和磷等营养物质的去除效果更为明 显旧l ，并且随着研究的进一步深入，藻类处理系统也逐渐由传统的三级处理t 4 4 j i 删向二级处 理过渡1 4 5 1 1 6 5 l 。 利用微藻进行污水处理的优点是：如果生成的生物量能够被收获，则不会产生二次污 染，同时在进行污水处理的同时能够利用污水中的氮磷等营养物质，获得含有较高蛋白质 1 0 山东建筑大掌硕士掌位论文 类、脂类和糖类的藻细胞【6 3 1 6 6 1 ，利用现代高新技术，将获得的藻细胞加工成饲料用来喂养 家禽、家畜和鱼类等或将其用于医疗保健品生产、化工原料生产和燃料生产等 脚h 删【6 7 1 1 6 8 1 【6 9 l 7 0 】【7 1 1 ，为人类解决能源、健康、环境和粮食四大问题提供了一条全新而有效 的模式，既经济又有效，是一种集污水处理与利用相结合的污水资源化生物工程【3 0 l 。 利用固定化微藻去除污水中的污染物具有众多的优点，并且如上所述，前人对其去除 氮磷的能力已做了较充分的研究。尽管有很多研究者研究了各种因素对微藻生长的影响， 但对这些因素影响固定化微藻去除氮磷的研究还不够深入系统，并且有时不同的研究者确 定的同一影响因素的最佳作用范围还不一致。本课题综合研究了多种因素诸如褐藻胶内藻 密度、温度、光照周期、光照强度、氮磷存在形式等对固定化微藻去除氮磷的影响，利用 微生物学和生物化学的观点，对试验结果进行了综合分析，为固定化微藻在污水处理领域 的工程化应用作出了一些有益的探索。 1 4 2 课题的研究内容 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 固定化蛋白核小球藻和斜生栅藻对人工污水中氮磷的去除； ( 2 ) 褐藻胶内藻浓度对去除人工污水中氮磷的影响； ( 3 ) 温度对固定化微藻去除人工污水中氮磷的影响； ( 4 ) 光照强度对固定化蛋白核小球藻去除人工污水中氮磷的影响 ( 5 ) 光照周期对固定化微藻去除人工污水中氮磷的影响； ( 6 ) 固定化蛋白核小球藻对不同形态氮的去除； ( 7 ) 固定化蛋白核小球藻对不同形态磷的去除。 1 1 山东建筑大学司士学位论文 2 1 试验材料 2 1 1 藻种来源 第2 章试验材料和方法 试验中所用的蛋白核小球藻( c h l o r e l l ap y r e n o i d o s a ) 和斜生栅藻( s c e n e d e s m u s q u a d r i c a u d a ) 由中国科学院武汉水生生物研究所提供。 2 1 2 试验所需试剂的配制 ( 1 ) s e 培养基的配制 本试验采用s e 培养基培养蛋白核小球藻和斜生栅藻，其配方如表2 1 所示。 表2 1s e 培养基的配方 药品 母掖( 1 0 0 m