（环境工程专业论文）普通小球藻对氨厂废水净化及影响因素研究.pdf

摘要 摘要 通过普通小球藻生长基础分析、基于温度和光强两个培养条件的全面试验、 2 5 及5 0 0 0l x 下各污水浓度组参数变化基础分析、1 2 0h 普通小球藻o d 6 8 0 咖 和c h l 增长热力学分析等四个实验内容为普通小球藻培养条件的选择、污染物去 除率的提高及利用普通小球藻处理氨厂废水的实际应用提供理论基础。主要结 论如下： ( 1 ) 2 5 、5 0 0 0l x 是本实验中普通小球藻最佳培养条件； ( 2 ) 过低( 1 5 以下) 或过高( 3 0 以上) 的温度、过低( 0l x ) 或过高( 6 6 0 0l x 以上) 的光强都可能导致普通小球藻生理生长紊乱，并且高温、强光可能导致藻 细胞功能性损坏； ( 3 ) 2 5 、5 0 0 0l x 条件下普通小球藻在1 0 0 组中培养1 9 2h 后，c o d 去 除率9 5 6 、n h 3 - n 去除率0 ； ( 4 ) 2 5 、5 0 0 0i x 条件下，2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 组对藻细胞的生长 有抑制作用，随污水浓度升高抑制作用强度降低，2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 组的 藻细胞适应期时间分界点分别为7 2h 、7 2h 、1 2 0h 、1 2 0h l ( 5 ) 2 5 、5 0 0 0l x 条件下，2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 组的藻细胞光合作 用停止时间分界点分别为1 4 4h 、1 4 4h 、1 4 4h 、7 2h ，光合作用停止后，藻细胞 通过异养生长降解污染物； ( 6 ) 2 5 、5 0 0 0i x 条件下，1 0 0 组对普通小球藻藻细胞光合系统的破坏 作用较强，因此，本研究中藻细胞对氨厂废水的耐受浓度限值为7 5 ，其中以 5 0 、7 5 最具后续研究潜力； ( 7 ) 污水对藻细胞的光合作用系统是有影响的，从而导致藻细胞的相关叶 绿素荧光参数变化异常，并且叶绿素荧光参数y 、r e t r 变化同叶绿素含量c h l 变化没有相关性； ( 8 ) 5 0 0 0i x ，1 2 0h 时，b g 1 1 组的增长热力学曲线近似一次函数，高温 可使藻细胞增长热力学曲线斜率为负。 关键词：普通小球藻氨厂废水光合作用浮游植物荧光仪 a b s t r a c t a b s t r a c t 0 i no r d e rt o p r o v i d eb a s i ct h e o r y f o ra l g a ec e l l s ( c h l o r e l l av u g a n i sb e y f a c h b - 3 1 ) c u l t u r a lc o n d i t i o n s ，r i s i n go fp o l l u t a n t s r e m o v a lr a t e sa n dt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n 硒r 廿l et r e a t m e n t o fw a s t e w a t e r ( a m m o n i ap l a n tw a s t e w a t e r ) ，f o u r e x p e r i m e n t s g r o u p sw e l es t u d i e d t h e yw e r et h eb a s i cg r o w t ha n a l y s i so fa l g a ec e l l s ， c o m p e r e h e n s i v e t e s t so ft e m p e r a t u r ea n dl i g h ti n t e n s i t yc o n d i t i o n s ，a l g a ec e l l s p a r a m e t e r sc h a n g ef o rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fw a s t e w a t e ro nt h ec o n d i t i o n so f2 5 a n d5 0 0 0i xa n do d 6 8 0 i h na n dc h lg r o w t ht h e r m o d y n a m i c so fa l g a ec e l l so nt h e 12 0 hc o n d i t i o n sr e s p e c t i v e l y 卫他m a i nc o n c l u s i o na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) 1 1 1 eb e s tc u l t i v a t i o nc o n d i t i o n so fa l g a lc e l l sw e r e2 5 a n d5 0 0 0i x ( 2 ) a l g a lc e l l s p h y s i c a lg r o w t hw o u l db ed i s o r d e r e db e c a u s eo ft e m p e r a t u r e l o w e rt h a n15 o rh i g h e rt h a n3 0 a n dl i g h ti n t e n s i t yl o w e rt h a n0l xo rh i g h e r t h a n6 6 0 0l x ，w h a tm o r e ，t h eh i g h e rt e m p e r a t u r eo rl i g h ti n t e n s i t yc o u l dc a u s ea l g a l c e l l s f u n c t i o n a ld a m a g e d ( 3 ) a l g a lc e l l s r e m o v a lr a t e so fc o da n dn h 3 - nf o r 10 0 g r o u pc o u l d a c h i e v e9 5 6 a n do a f t e r19 2h o u r s c u l t i v a t i o n , o nt h ec o n d i t i o n so f2 5 a n d 5 0 0 0i x ( 4 ) 硼1 eg r o w t ho fa l g a lc e l l sw a si n h i b i t e db yw a s t e w a t e ra n dt h ei n h i b i t i o n c o u l db er e i n f o r c e da st h ec o n c e n t r a t i o no fw a s t e w a t e rd e c r e a s e do nt h ec o n d i t i o n so f 2 5 a n d5 0 0 0i x 1 1 圮a l g a lc e l l s a d a p t a t i o np e r i o dt i m es e ta p a r to f2 5 ，5 0 ， 7 5 ，1 0 0 g r o u p sw e r e7 2l l ，7 2k 1 2 0h ，1 2 0hr e s p e c t i v e l y ( 5 ) a l g a lc e l l s p h o t o s y n t h e s i sc e s s a t i o nt i m es e ta p a r to f2 5 ，5 0 ，7 5 ， 1 0 0 g r o u p sw e r e1 4 4h ，1 4 4b 1 4 4h ，7 2hr e s p e c t i v e l yo nt h ec o n d i t i o n so f2 5 a n d5 0 0 0i xa n dt h ep o l l u t a n t sw e r ed e g r a d e db ya l g a lc e l l s w i t ht h eh e l po fl o n g h e t e r o t r o p h i c a l l ya f t e rt h ec e s s a t i o no fp h o t o s y n t h e s i s ( 6 ) 1 1 圮d a m a g eo f10 0 g r o u pt oa l g a ec e l l s p h o t o s y n t h e s i sw e r es t r o n go n t h ec o n d i t i o n so f2 5 a n d5 0 0 0i x i nt h es t u d y , t h ec o n c e n t r a t i o nl i m i to f w a s t e w a t e rw a s7 5 a n d5 0 g r o u p s a n dt h e7 5 g r o u ph a df o l l o w i n gr e s e a r c h p o t e n t i a l i l l 一一 垒呈璺坐竺! ( 7 ) t h ec h a n g eo fc h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ep a r a m e t e r s ( y a n dr e t r ) w a s a b n o r m a l t h i sw a sb e c a u s et h ew a s t e w a t e rh a dd a m a g et ot h ep h o t o s y n t h e s i so f a l g a ec e l l s t h ec h a n g eo f y a n dr e t rh a dn or e l a t i o n s h i pw i t hc h l 。 ( 8 ) t h eb g 11 g r o u p g r o w t ht h e r m o d y n a m i c sc u r v ew a sa p p r o x i m a t et o l i n e a rf u n c t i o no nt h ec o n d i t i o n so f s 0 0 0i xa n d12 0h h i g h t e m p e r a t u r ec o u l dm a ：k e a l g a ec e l l s t h e r m o d y n a m i c ss l o p en e g a t i v e k e y w o r d s ：c h l o r e l l a v u g a n 西b e yf a c h b - 3 1 ；a m m o n i ap l a n tw a s t e w a t e r ； p h o t o s y n t h e s i s ；p h y t o p l a n k t o n - p a mf l u o r m e t e r i v 第1 章绪论 第1 章绪论 我国是一个干旱缺水的国家，人均水资源并不丰富并且地区分布十分不平 衡。淡水资源总量占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，虽居世 界第四位，但却是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。淡水资源人均占有 量很低，约2 4 2 0m 3 ，只相当于世界人均占有量的1 4 1 1 。总可用水量占水资源总 量4 0 0 5 ，利用率约为6 0 ，并且不分水资源还会受到不同程度污染。 污水处理并回收利用是我国节约水资源的有效途径之一。现代污水处理方 法主要分为物理处理法、化学处理法、物化处理法和生物处理法。生物法中利 用微藻进行污水处理的想法由o s w a l d 和g o t a a s 早在2 0 世纪5 0 年代提e 2 1 。此 后，国内外进行了大量研究【3 5 1 ，与传统污水处理方法相比，利用藻类处理污水 可以克服传统污水处理方法易引起的二次污染、潜在营养物质丢失等弊端，同 时能够作为污水深度处理，有效且低成本地去除氮、磷等营养物质。微藻在污 水处理中的应用主要包括藻类塘、活性藻、固定化藻、非活体藻及藻类光生物 反应器等方面。 微藻处理污水的实验水样多为人工合成污水、低污染湖水等7 1 ，实验水样 中污染物浓度并不高。利用微藻处理实际污水的报道多集中在市政污水、水产 养殖废水、啤酒厂废水等【删，而藻类处理化工类废水的报道并不多见。 本研究在分析了b g 1 l 培养基中温度、光强对普通小球藻生理生长的影响 后，得出本实验室较适宜培养普通小球藻的生长条件，同时采用氨厂废水做污 水水样培养普通小球藻，全面试验后选定2 5 、5 0 0 0i x 为试验条件，分析普 通小球藻对氨厂废水的净化及其叶绿素荧光变化分析，1 9 2h 后得出藻细胞对污 水c o d 、n i - 1 3 - n 的去除率，并将c o d 、n h 3 - n 的降解特性与藻细胞的光合作用 情况结合分析，为探讨普通小球藻用于处理氨厂废水提供理论基础。 1 1 微藻概述 1 1 1 微藻的定义与分类 微藻( m i c r o a l g a e ) 是一类单细胞或多细胞、形体微小的藻类的总称，包括 众多真核和原核种类，约2 0 万余种，占全球已知藻类的7 0 左右，广泛分布于 第1 章绪论 淡、海水中【l o 】。微藻与微生物非常相似，同时又由于具有与植物细胞相近的光 合器官，因此被认为是介于陆生微生物与植物细胞之间的一类生物，绝大多数 微藻属光能自养生活，可以直接利用太阳能生产高质量的蛋白质和其它营养物 质以及特殊生物活性物质，具有光利用效率高，营养丰富，环境适应强等重要 特性【l i 】。微藻通常无复杂的生殖器官，繁殖方式简单，生长周期短，易于大规 模培养1 1 2 】。 小球藻是绿藻门绿藻纲绿球藻目的一个属，单生或聚生，细胞多为球形、 椭圆形、细胞壁很薄，主要营腐生生活，在富含有机质的污水中能大量繁殖。 小球藻是自养生长兼异养生长藻类，在光照条件下进行光合作用，是自养生长， 无光照条件下可利用有机物进行异养生长【1 3 1 。小球藻大约有l o 个种，生态分布 广泛，小球藻生长的营养需求简单，能够在含有9 9 的水、1 的无机盐和溶解 性气体的严格无机培养基中连续自养生长，易于培养，生长速度快，应用价值 高。早在2 0 世纪4 0 年代，美国、日本、德国和以色列就开始了小球藻规模培 养的研究。小球藻能超负荷吸收重金属、利用无机盐、降解农药、烷烃、酚类、 邻苯二甲酸酯等多种有机物。 1 1 2 微藻的药用、保键价值 微藻中存在着丰富的、结构独特的生物活性物质，其中有许多具有药理活 性，在医药和保健品的开发应用方面具有巨大的潜力【1 4 】。p r a t t 等从小球藻中分 离得到含小球藻素( c h l o r e l l i n ) 的脂肪酸混合物，具有抗细菌和自身毒性的功 能；p e s a n d o 证明硅藻( 日本星杆藻) 的二十碳五烯酸光氧化产物有很强的抗菌 活性；s i e b u r t h 证明金藻植物褐胞藻合成的丙烯酸是抗菌化合物【1 5 1 。而甲藻前沟 藻中的前沟藻内酯、小球藻和栅藻中的一种糖蛋白、一种海产衣藻 ( c h l a m y d o m o n a ss p ) 中的l 型天冬酰胺酶等都具有抗肿瘤活性【1 6 】。 1 1 3 微藻开发生物质能 生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内 部的能量。研究表明，微藻催化热解可得到芳烃含量高、具高辛烷值的汽油【1 7 】。 藻类具有生物量大、生长周期短、易培养以及含有较高的脂类等特点，是制备 生物质液体燃料的良好材料。微藻热解所得的生物质燃油热值高达3 3m j k g ， 是木材或农作物秸秆的1 6 倍。通过调节微藻的培养条件和脂类含量，可获得高 2 第1 章绪论 品质、高热值的生物质燃油【l 引。d o t e 等在3 0 0 下以n a 2 c 0 3 为催化剂对葡萄球 藻( b o t r y o c o c c u sb r a u n i i ) 进行高压液化。所得液态油达其干重的5 7 0 , - 6 4 ， 其烃含量为5 0 ，油质大致与石油相当1 1 9 】；吴庆余等通过调整碳、氮源的供给， 获得异养小球藻细胞，该细胞不含叶绿素，蛋白质含量非常低，而粗脂肪含量 却比自养藻提高了3 4 倍，同时利用高脂肪含量的异养藻快速热解获得5 7 2 的 产油率，比自养藻产油率提高了2 4 倍【2 0 】。 1 2 微藻在污水处理中的应用 利用微藻处理污水是一项污水资源化生物技术。近年来，国内外开展了大 量有关藻类培养和废水处理的研究，发展了藻类处理技术，包括藻类塘、活性 藻、固定化藻类、非活体藻类、光生物反应器。 1 2 1 利用藻类塘处理污水 高效藻类塘( h i g hr a t ea l g a e ，h r a p ) 是美国加州大学伯克利分校o s w a l d 等人提出的【2 1 1 ，其对污染物的降解主要是通过菌藻复杂共生系统实现( 如图1 2 ) 。 图1 1 菌藻共生关系图 f i g 1 2a l g a l - b a c t e r i a ls y m b i o t i cr e l a t i o n s h i pc h a r t 好氧菌将含碳有机物降解为二氧化碳和水；将含氮有机物进行氨化、硝化， 分别生成氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐；将含磷有机物最后降解为正磷酸盐。而藻 类则利用这些物质作为原料，以太阳光为能源，通过光合作用制造有机物，并 释放氧气，供细菌氧化有机物用，如此循环，达到处理废水的目的瞄】。 3 第1 章绪论 h a m m o u d a 等【8 】用小球藻( c h l o r e l l a v u l g a r i s ) 和四尾栅藻( s c e n e d e s m u s q u a d r i c a u d a ) 处理水产养殖废水，氮、磷去除率均可达到1 0 0 ，处理后废水 c o d 、b o d 5 达到排放标准。黄翔峰等 7 1 对高效藻类塘处理太湖地区农村生活污 水的效果进行了研究，结果表明高效藻类塘系统能较好地净化太湖地区的农村 生活污水。太湖地区农村生活污水的水质受季节影响变化较大，秋、冬季的有 机物浓度较夏季高3 4 倍；高效藻类塘内存在的菌藻共生体系使塘内溶解氧浓 度较高( 保持好氧状态) ，而p h 值则存在周期性变化：对c o d 的平均去除率可 达7 0 ，氨氮主要通过硝化作用去除，去除率 9 0 ，磷酸盐主要通过沉淀作用 去除，去除率为5 0 。 利用高效藻类塘处理废水有着成本低廉的优势，但是该技术主要依靠自然 生长的藻类和半人工控制手段，受环境因素特别是光照、气温等条件的影响明 显。当夏季某些月份气温过高或冬季温度较低时，藻类的生长会受到抑制，从 而影响处理效果；藻类生长所需的p h 和0 2 不易控制；处理后出水中的藻类难 以收获或收获费用太高，使得藻类塘难以维持正常运行；此外，沉积物在池内 聚积，处理效率也会随之逐年降低，塘的寿命相应减少。 1 2 2 利用活性藻处理污水 活性藻污水处理技术始于2 0 世纪7 0 年代初期，也是依据藻菌共生代谢原 理从污水中去除有机污染物和氮、磷营养盐，即：先人工培养出藻菌混合絮凝 物，即活性菌团，然后利用部分或全部污水进行藻菌继续培养。藻菌絮凝团中 的主要生物有好气性细菌、刚毛藻、丝藻、小球藻、栅藻、绿球藻、颤藻和硅 藻等。利用活性藻技术处理污水，不需要任何化学物品，在特定受控条件下， 菌藻共存，微藻对许多营养盐发生作用，从而达到去除的目的，这是任何物理、 化学方法所不能及的田】。 1 9 7 1 年，m c g r i 行等田】提出“活性藻方法，把藻类和活性污泥结合起来， 使藻类具有与活性污泥一样良好的絮凝沉降性能，再采用与活性污泥相似的流 程来处理污水，污水中氮的去除率达9 2 ，磷的去除率达9 4 。王高学等幽】采 用正交法确定了由斜生栅藻( s c e n c d e s m u so b 脚u u s ) 、绿藻( c h l o r e l l av u l g a n s ) 、 亚硝化细菌( n i t r i t eb a c t e r i a ) 和硝化细菌( n i t r a t eb a c t e r i a ) 组成的复合藻菌 系统去除水产养殖水体中氨态氮和亚硝酸态氮的最优化数量配比关系，即栅藻： 小球藻：亚硝酸化细菌：硝化细菌2 1 3 ：1 ：2 3 8 ：3 7 3 ，利用该系统处理宝鸡市柔谷渔 4 第l 章绪论 场养殖池塘老化水体，氨态氮和亚硝酸态氮的去除率分别为9 7 3 和6 8 8 ，远 高于单菌、单藻的处理效果。 活性藻系统的去除效果受多因素的影响，然而由于活性污泥的遮光作用， 使得光因子成为对“活性藻 工艺影响较大的因素，这使得“活性藻 在工程 中的推广应用受到了阻碍。 s h a hqfj 等瞄】在研究海生小球藻的培养条件时，在培养液中添加白酒酿造 的蒸馏废液，然后在恒温箱内充气、光照等条件下培养7d 。结果表明蒸馏废液 能促进海生小球藻增殖。胡月薇等【2 6 】研究结果表n d , 球藻在无光异养条件下能 利用啤酒厂废水中多种营养成分，并且小球藻能去除废水中的铵态氮并将它们 转化为细胞中的蛋白质、叶绿素等含氮物质可显著地降低废水中的c o d 、b o d 。 1 2 3 利用固定化藻处理污水 藻类固定化技术是一种经济有效的污水生物处理技术，既可很好地处理含 n 、p 、重金属、有机物的废水，又可实现资源的回收利用，具有巨大的社会与 经济效益印j 。 藻类固定化技术是细胞固定化技术中的一部分，始于2 0 世纪8 0 年代，利 用物理或化学手段将游离的藻类细胞定位于限定的空间区域，使其成为一种既 保持本身代谢活性，又可在连续反应后回收和反复利用的生物体系【2 8 】。藻类固 定化技术具有藻类密度高、反应速度快、稳定性强、耐毒害能力强、藻类细胞 流失少、产物分离容易和剩余污泥少等优点，从而对毒物、有机污染物的耐受 力增强，对n 、p 及重金属的吸收、富集、去除能力提高 2 9 3 1 1 。同时，解决了藻 类尤其是单细胞藻类由于个体小、处理后不易收集、应用受到限制的问题。用 于污水处理后的固定化藻细胞易于收获，可用作生产藻类单细胞蛋白饲料、饵 料、精细化工品原料以及人类的潜在食物，从而实现了废水资源的完全回收利 用，是一种集污水处理和利用相结合的污水资源化生物技术。这些优点确保了 藻类固定化技术广泛用于燃料、肥料、印染、选矿和啤酒等生产废水和城镇污 水的处理，成为目前污水处理研究领域的重要方向【2 刀。 王爱丽等【6 】将铜绿微囊藻进行固定化，分别对合成污水和实际污水进行净 化，结果表明，合成污水经过5d 的净化，固定化藻对合成污水中n 0 3 - n 和p 0 4 3 。p 去除率分别为9 2 9 2 和6 9 1 9 ，而悬浮态藻对n 0 3 - n 和p 0 4 3 - p 的去除率分别 为3 6 5 4 和2 6 7 7 。实际污水经过6d 的净化，固定化藻对污水中n 0 3 n 和 5 第1 章绪论 p 0 4 3 p 的去除率都达到了1 0 0 。银玉容等【3 2 】将藻类固定在活性炭上用于去除 人工配制污水中的氮、磷等污染物，试验结果表明藻类对氮、磷和浊度的去除 率分别达到5 0 、4 1 9 和9 8 2 ，氮、磷和浊度相应达到较好去除效果的时间 分别为1 2 、6 0 、6 0h 。周春影等【3 3 】研究了氮、磷含量和氮磷比例等因素对污水 中n h 4 + - n 和p 0 4 3 p 的去除效率的影响以及处理过程中藻类的生长变化。结果 表明，当氮磷比例为5 ：1 - 1 0 ：1 ( n i - 1 4 + - n 含量为1 5m g ：l 或p 0 4 3 p 含量为1 5r a g l ) 时，藻细胞的增长量较大，最高达到9 6 o 。同样条件下对氮，磷的去除效率亦 较高，对n h 4 + - n 的最大去除量为9 2 6 3m g l ，最大去除率为9 2 3 ；对p 0 4 3 p 的最大去除量为2 3 2m g l 。李敏等【3 4 l 采用藻类固定化方法实现了对生活污水除 氮脱磷的工艺路线。一方面提高n 、p 的去除率及氧的保存效率；另一方面解决 了藻类细胞的流失现象。实验结果表明，在藻类固定化过程中，当藻体用量为 0 7 5g v s s l 且a s ，p v a ，c a c l 2 分别为1 0 ，0 6 ，2 时，藻体的机械强度、 传质及除氮脱磷效果好。徐位镜等【3 5 】对固定化藻菌流态化去除废水中氮磷及有 机物进行了研究，并探讨了藻菌比、水流速及回流比对c o d 和氮磷去除率的影 响，试验表明合适的藻菌比、流态化状态和高的回流比能获得较高的c o d 和氮 磷去除率，其对c o d 和氨氮的去除能达到9 0 以上，对磷的去除率能达到6 5 以上，因此利用固定化藻菌流态化处理有机废水能达到较好的效果。王秀等【3 6 】 在自制的流化床光生物反应器中加入固定化藻菌小球来处理高浓度有机废水， 通过水泵调节液体流速，使固定化藻菌小球达到流态化，试验考察了废水浓度、 光照强度、固定化藻菌小球浓度等因素对有机废水中c o d 、n h 4 + - n 以及p 0 4 3 p 去除的影响，结果表明：在室温条件下，c o d 的去除率最高可达到7 9 2 ，对 n h 4 + - n 和p 0 4 3 。p 的去除也有较好的效果，最高去除率分别可达到8 0 1 和 8 2 4 。 吕福荣等7 _ 3 8 】研究表明，小球藻在自养条件下对氮、磷的吸收在开始的前 1 2h 内速度比较快，利用率达7 0 和6 0 左右，而吸收2d 后，利用率可分别达 到7 5 和6 2 ，并且低浓度的氮、磷组合更有利于小球藻对氮的吸收，磷浓度 5 0 - 1 0 0m g l 范围内则小球藻藻细胞可以有效地吸收磷，吸收率接近6 0 ，温度 的升高有利于小球藻对磷、氮的吸收。随着藻细胞固定化技术的发展，部分科 学家认为固定化小球藻对污水的净化能力比悬浮小球藻的更强一些，研究表明， 把小球藻固定到多聚糖凝胶中对生活污水进行一级处理，3d 内对n h 。+ 的去除率 可达9 5 以上，p 0 4 3 的去除率则为9 9 t 3 9 l ，同等条件下悬浮态的藻细胞对污水 6 第1 章绪论 处理时氮、磷的去除率均只为5 0 4 0 。蒋培森等1 4 l 】则选用蛋白核小球藻对啤酒 厂废水污泥进行处理，将废水污泥的抽提液以不同比例与培养基混合，再以不 加抽提液的培养基为对照，两种培养基中分别接种等量的蛋白核小球藻，培养 条件为2 5 、5 0 0 0i x 、1 0h 光照d 及每天摇动两次，1 0d 后发现在废水污泥 抽提液与培养基之比为8 0 ：2 0 时，藻细胞生物量和粗蛋白含量在实验组中是最高 的，与对照组相近。 1 2 4 利用非活体藻处理污水 研究发现，死亡的藻细胞比活的藻细胞具有更强的吸附能力，而利用死的 藻体吸附微量元素比利用活体更为经济、高效。由于活藻体易受污水中有毒元 素的影响，生长受到抑制，因而生长缓慢，处理周期长，而利用死亡藻体无上 述缺陷，且不需在污水中添加营养源，可以反复使用。此外，活藻细胞膜具有 高度选择性，一般只允许中性分子通过而离子不易通过，而死亡藻细胞壁破碎 较多，有更多的内部功能团暴露出来与金属离子结合，且细胞膜失去选择透性 功能而更容易让离子通过。死亡藻体主要通过与代谢过程无关的生物吸附来富 集金属，虽然丧失了主动运输等富集途径，但蛋白质与多糖在这个过程中起重 要作用，生物吸附能力显著提高，总的富集量有所增加【4 2 】。 邓莉萍【4 3 】通过分批实验，研究了非活体刚毛藻对水体中重金属c u 寸、p b 2 + 和c d 2 + 的吸附影响因子、吸附热力学、吸附动力学及吸附机理，得到了平衡等 温线及动力学数据。吸附过程的最佳p h 值为5 0 ，吸附量随温度的升高而增加。 刚毛藻对重金属c u 2 + 、p b 2 + 和c d 2 + 的吸附容量很高，2 5 ( 2 时，对c u 2 + 、p b 2 + 和 c d 2 + 的最大吸附容量分别为1 6 1m m o l g 、o 9 6m m o l g 和o 9 8m m o l g ，且吸附过 程为吸热反应。解吸试验表明，用e d t a 可以对重金属进行回收，刚毛藻可以 循环利用。实验结果表明刚毛藻是一种高效、经济实用的生物吸附材料，可用 来吸附回收水体中的重金属c u 寸、p b 2 + 和c d 2 + 等。h a s s e n 等m 】在用藻类活细胞 和预先用热水杀死的细胞对c a 2 + 进行吸附对比实验中发现，尽管最终吸附量相 同，但死亡细胞对c u 2 + 的吸附速度要大于活细胞。 1 2 5 利用光生物反应器处理污水 我国的微藻生物技术起步较晚，于2 0 世纪5 0 年代中期才开始对小球藻和 栅藻等微藻进行相关研究；7 0 - - - 8 0 年代主要对螺旋藻、盐藻及一些固氮蓝绿藻的 7 第1 章绪论 大量培养及应用进行了研究，并取得了一定的成绩；9 0 年代是我国微藻生物技 术发展的快速时期。目前，藻类生物反应器已成为高效、快速、大量培养藻类 的关键设备。藻类光生物反应器具有很多优点：结构简单，微生物在其中繁 殖快；光合自养，是光合基因研究的理想模式宿主；培养成本低廉；可 保存优质的基因库；无毒，且营养丰富，有避免提纯、直接应用的潜力，是 有开发前景的新型生物反应器。 目前，国内外对藻类光生物反应器的应用主要集中在藻类培养条件的优化 及规模化培养上【4 5 删，微藻光生物反应器在废水处理中的应用也有少量报道。 朱国洪【3 】利用改进的藻光生物反应器培养螺旋藻，并提出了用培养螺旋藻的 方法处理啤酒废水的工艺，对c o d c r 总去除率达9 8 5 ，排放水达到国家排放 标准。马冬冬等【5 0 j 将亚心形扁藻( p l a t y m o n a ss u b c o r d i f o r m i s ) 引入光膜反应器， 构建了一台光膜组合式生物反应器，用于去除南美白对虾养殖废水中的氮磷营 养盐。结果表明，废水中无机氮和无机磷的去除率均在8 0 以上，达到海水 水质标准二类以上水质要求。该技术可以用来对海水养殖业废水进行深度处 理以达到循环利用的目的。程丽华【1 2 】在原1 0l 光生物反应器上串联中空纤维膜 组件，采用中空纤维死端流曝气法改善了小球藻供碳方式，并建立气升式光生 物反应器去除c 0 2 的动力学模型，推导出模型的两种简化形式，并用于模拟气 升式柱型光生物反应器藻液中p h 、d o 随时间变化情况和进气c 0 2 浓度影响， 预测光照条件下出气c 0 2 、0 2 浓度变化趋势，其预测结果与实验数据基本吻合， 该模型对于光生物反应器的优化设计和微藻的高密度培养、用于密闭空气中微 量c 0 2 去除的模拟和预测具有指导意义。高春燕【5 l 】采用自制的光生物反应器， 研究了不同条件对小球藻脱除空气中c 0 2 效果的影响。光生物反应器为圆柱形 有机玻璃容器，底面积0 0 1 5 4m 2 ，高o 2m ，容积为3l ，反应器内小球藻藻体 干重约为7 2g 。实验结果表明，用小球藻来固定c 0 2 不仅能脱除通入气体中的 c 0 2 ，而且可以促进小球藻生长。通入气体的流量和c 0 2 浓度对c 0 2 的脱除率 有很大影响。在适宜的实验条件下( 通入气体流速为0 6l m i n 、c 0 2 浓度约1 、 温度2 5 3 0 、光强3 5 0 0l x 、p h 9 5 8 5 ) ，入口气体中c 0 2 约有5 0 被脱除， 该光生物反应器脱除c 0 2 的能力约为o 1 1 8 ( l h ) 。 姜建国等【4 5 】将1 0l 容积的光生物反应器外观设计为三层框架式结构，螺旋 管光照单元为1 6 个。并利用此反应器对盐藻进行了连续培养试验，通过逐渐增 大稀释率的方法，测定培养过程中生物量和伊胡萝卜素产量的变化情况，最终 8 第1 章绪论 确定该光生物反应器连续培养过程中的最适宜采收量为1 5l d 左右。许波等【4 8 】 在平板式光生物反应器中对微藻p a r i e t o c h l o r i si n c i s a 进行了放大培养，结果表 明，通气速率和培养密度对藻体细胞的生长速度有直接的影响；并且其最适培 养密度和细胞生物量产率随着通气率的增加而增加。在相对稳态的半连续培养 模式下，通气率与采收率对藻体细胞的生长也有很大的影响：其细胞生物量的 产量和产率随着采收率的增加而增加，当采收率为2 0 时达到最大值。田治立【5 2 】 在p h r - l 2 0 c 气升内环流式光生物反应器中通过正交实验就影响纤细角毛藻生 长的光照强度、通气率、培养温度等主要因素进行探讨，结果表明：光照强度 和通气率对纤细角毛藻体细胞的生长具有显著的影响。最后，在光生物反应器 中，采用优化配方，在光强8m w e m 也、通气率0 6v v n l 、培养温度2 3 等优 化条件下，经过5d 的培养，纤细角毛藻细胞的生物量产量和细胞密度分别达到 了1 1 3g l 和8 1 x 1 0 。7 c e l l s m l 的较高水平。肖恒哆3 】证明用气升式生物反应器进行 小球藻异养的液体培养是可行的，在d i ：d e = 0 7 的气升式生物反应器中小球藻产 量较高。在生物反应器中进行小球藻异养培养的细胞转化率为4 9 5g 1 0 g g l u c o s e 。朱国洪【3 】提出了光生物反应器的设计原则，根据已获专利的浅层溢流 光生物反应器放大设计了一种可用于培养螺旋藻等光合自养型微生物的溢流喷 射光生物反应器此反应器的光照表面积与体积之比大于2 2 0 m ，溢流喷射器出 口流量为2 5 0l h 时吸气稳定，吸气量为1 2l h 。溢流喷射光生物反应器系统首 次将溢流喷射器与光生物反应器结合，同时实现对藻液的搅拌和通气，简化了 流程，且气液混合更均匀。消毒手段和过滤措施的采用，使整个培养系统受外 界污染的可能性大为减小；反应器向空间发展的结果，也极大地节约了占地面 积。 马冬冬1 5 0 j 将亚心形扁藻引入生物反应器处理工艺中，构建了一台光膜组合 式生物反应器，主要由反应器主体、循坏系统、光照系统、控温装置、c 0 2 供料 系统、膜分离系统、p h 值监测装置等单元组成。通过研究光在藻液中的衰减规 律以及入射光强与平均光强的关系，确定反应器中适于微藻生长的最适入射光 强为2 6 耻e ( m 2 s ) 。通气量为8 0l h 时，可以保证反应器内液体混合均匀。在 c 0 2 的混合比为1 的情况下，可获得并保持高密度的微藻生物量( 藻密度达到 2 5 1 x 1 0 7 c e l l s m l ，单位体积细胞干重为5 2 5g l 。) 。反应器中的聚砜中空纤维超 滤膜组件具有良好的分离性能。膜分离系统最佳运行参数：浓水流量5 0l h ，透 水率降幅为8 时进行清洗。赵琪【5 4 】在5l 光生物反应器的研究基础上，放大并 9 第1 章绪论 设计了2 0l 矩形气升式光生物反应器，并对其设计做了相应改进。建立光强在 2 0l 光生物反应器中光衰减模型，并对影响螺旋藻培养的光强、循环速度和填 料量三个参数进行了优化得出螺旋藻培养的最优化条件是5 0 0 0i x 光照强度，1 0 0 l h 循环速度，8 0 填料量。 1 2 6 微藻生理生长影响因素研究现状 培养微藻的影响因素众多，主要集中在p h 、温度、光照、营养物质、补料 方式、通气方式及搅拌方式等。 王巍杰等【5 6 】研究了钝顶螺旋藻的培养条件，确定适合螺旋藻生长的p h 值为 9 l o ，p h 值小于9 或大于1 0 都不利于螺旋藻的生长，以及5 0 x 1 0 5g l 的维生 素b 6 促进螺旋藻的生长，维生素b 6 浓度过大或过小都不利于螺旋藻的生长。 温度是微藻生长的重要影响因素，不同的微藻对温度的要求各有不同，温 度不适宜时，细胞生长会受到影响，甚至死亡。目前已有不少报道微藻生长的 最佳温度。 ， 郑忠明等【5 5 】在实验室条件下，对铜绿微囊( m i c r o c 2 s t i sa e r u g i n o s a ) 和四尾 栅藻( s c e n d e s m u sq u a d r i c a u d a ) 分别在温度2 2 、2 6 和3 0 下进行了纯 培养和混合培养，实验结果显示温度对两种藻类的生长和竞争都有显著影响。 微囊藻在2 2 、2 6 和3 0 纯培养下的最大生物量及平均特定增长率( ) 分别为4 4 4 、1 1 8 0 和9 9 8 ( x 1 0 4c e l l s m l ) 及0 3 3 、0 3 8 和o 3 7 d ，说明微囊藻 在2 6 和3 0 下生长较好；混合培养下的最大生物量及平均特定增长率分别 为2 7 0 、7 7 8 和6 4 7 ( x 1 0 4c e l l s m l ) 及o 3 4 、0 4 3 和o 4 6 d ，显示微囊藻在混合 培养下受到了栅藻一定程度的竞争抑制。栅藻在2 2 、2 6 和3 0 纯培养 下的最大生物量及平均特定增长率分别为8 3 0 、9 8 4 和4 6 4 ( x 1 0 4c e l l s m l ) 及 o 3 6 、o 3 4 和o 3 2 d ；混合培养下的最大生物及平均特定增长率分别为5 3 8 、5 5 4 和3 8 7 ( x 1 0 4c e l l s m l ) 及o 4 3 、0 4 0 和0 3 9 d ，说明栅藻在温度2 2 、2 6 下生长较好，混合培养下栅藻的生长受微囊藻影响较大。各温度下两种藻类的 生长都可以用l o g i s t i c 方程拟合。微囊藻对栅藻的抑制参数a 分别为1 6 8 ( 2 2 ) 、o 6 5 ( 2 6 ) 和0 7 6 ( 3 0 ) ，而栅藻对微囊藻的抑制参数矽依次为o 4 3 ( 2 2 ) 、o 5 1 ( 2 6 ) 和0 2 5 ( 3 0 ) ，三个温度下a 均大于口，产生这一 结果的原因可能是由于微囊藻与栅藻在竞争过程中不仅表现为资源竞争，同时 还存在着明显的他感作用，且可推测微囊藻对栅藻的他感作用大于栅藻对微囊 1 0 第1 章绪论 藻的，且在2 2 时为最大。王巍杰等【5 6 l 研究了钝顶螺旋藻的培养条件，确定最 佳培养温度为3 3 。 光照是藻细胞进行光合作用的能量来源，包括光强度和光周期两个参数。 光强度的国际统一单位是l f e ( m 2 s ) ，常用单位是i x ，一般对于荧光灯而言，i # e ( m 2 s ) = 5 2l x 4 6 1 。光强度必须满足细胞进行光合作用的需要，否则将影响光合 作用效率。长期以来，国内一直采用2 0 0 0 - - - 3 0 0 01 ) 【的光强度培养日本海带配子 体【5 7 】；杨迎霞【5 8 】等指出，4 5 0 0i x 充气悬浮培养条件下可以获得更大的生物量。 光照的另一个参数是光周期，即人工白昼黑夜时间之比，国内以日光照时 数( d a y l e n g t hh o u r s ，d h ) 表示。在适宜的光周期下，可观察到藻体生长最快( 最大) ，或者进行光合速率最大( p o 最大) 】。 陈必链等【5 9 】研究在光生物反应器中搅拌速度、通气量、光照强度和装液量 对紫球藻生长的影响。实验结果表明：在摇床培养过程中，紫球藻的生物量和 胞外多糖随着三角瓶装液量的减少而增加。通过正交试验对搅拌式光生物反应 器的三个培养条件通气量、搅拌转速和光照强度进行优化，获得搅拌式光生物 反应器培养紫球藻的最佳条件为通气量1 2 0l h 、搅拌转速2 0 0r m i n 和光照强度 5 0 0 0i x ，在该条件下紫球藻的生物量为2 5 4 8g l 、胞外多糖5 5 7 2m g l 。正交 试验分析表明，三个培养条件中通气量对藻生物量和胞外多糖含量的影响最明 显。 许波等【4 s 】在平板式光生物反应器中对微藻( p a r i e t o c h l o r i si n c 豇a ) 进行了放 大培养。结果表明，通气速率和培养密度对藻体细胞的生长速度有直接的影响； 并且其最适培养密度和细胞生物量产率随着通气率的增加而增加。当通气率从 7 0 0m l l 增加到3 0 0 0m l l 时，该微藻的最适培养密度从o 8 5g l 提高到了2 5 1 g l ，其培养密度、单位体积和单位面积的细胞生物量产率也分别达到了4 6 5g l 、 0 3g ( l d ) 和3 4 7g ( m 2 d ) 。在相对稳态的半连续培养模式下，通气率与采 收率对藻体细胞的生长也有很大的影响；其细胞生物量的产量和产率随着采收 率的增加而增加，当采收率为2 0 时达到最大值。在通气率为1 9 0 0m i ，i 、采收 率为2 0 的条件下，微藻细胞的培养密度达到了5 1 5g l ；其单位体积和面积的 细胞生物量产率分别提高到了o 7 3 ( l d ) 和7 0 1g ( i n 2 d ) 。 姜建国等【4 5 】在光生物反应器连续培养盐藻的研究中指出利用外观设计为三 层框架式结构、螺旋管光照单元为1 6 个的1 0l 容积的光生物反应器对盐藻进行