（环境工程专业论文）絮凝处理水华的环境安全性研究.pdf

摘要 我国水体富营养化现象同益严重，引起蓝藻水华频繁爆发，给淡水，态系 统及其功能造成严重破坏，甚至还会威胁人类的健康。在各种治理水华的技术 与措施中，絮凝沉降法由于具有快速、有效的优点而被广泛应用，其中天然矿 物絮凝法由于粘土来源丰富并且没有二次污染，尤其经过改性后粘土投加量也 显著降低，被认为是一种具有发展前景的防治技术方法之一。但是絮凝法处理 水华只是将藻细胞从水体中转移到沉积物中，并没有彻底将藻细胞消除。絮凝 处理后的藻细胞在沉积物中的死亡分解及藻毒素的释放很可能会对环境产生危 害，因此有必要对絮凝处理水华的环境安全性进行研究。本文以水华优势藻类 铜绿微囊藻为研究对象，通过模拟絮凝处理水华的过程，研究了铜绿微囊藻经 絮凝沉降之后在水沉积物中的分布和细胞分解过程，以及细胞内微囊藻毒素 ( m c ) 在沉积物中的释放和降解规律，进而对絮凝法应急处理水华的有效性及 环境安全性进行评价。具体研究内容和结果如下： 1 沉积物中m c 提取方法的优化 沉积物中m c 的提取是研究m c 在沉积物中迁移转化规律的基础，为了能对 m c 进行有效提取，对m c 的提取方法进行了优化。分别从提取剂甲醇的浓度、 提取剂用量、提取时问、提取次数进行优化，最终得到最优的提取方法为：使 用浓度为7 5 的甲醇进行提取，提取剂用量为7m l ，提取时间为2 0m i n ，重复提 取三次，提取率可达9 5 以上。 2 有氧条件下絮凝处理水华的环境安全性研究 以水华优势藻类铜绿微囊藻作为研究对象，通过模拟絮凝应急处理水华的 过程，研究了有氧条件下铜绿微囊藻经絮凝沉降后藻细胞在水沉积物中的分布 和细胞分解过程，以及细胞内m c 在沉积物中的释放和降解规律。结果表明，p a c 、 海泡石和p a c 海泡石联用均可有效去除水华藻类，除藻率都可以达到9 9 以上。 其中p a c 海泡石联用不仅能快速沉降藻细胞，还能有效防止藻细胞重悬浮，避 免水华的再次爆发。沉积物中的藻细胞经过约2 8 天逐渐死亡分解，而絮凝处理 既不会加速细胞的分解，也不会延缓细胞的死亡。m c 在经过9 天左右的滞后期 后，开始缓慢降解，在2 0 2 8 天左右降低到检测限以下，不同絮凝剂处理对m c 的降解规律没有显著性影响。絮凝处理对水相中t o c 和t n 的变化也没有显著性 影响，只是在实验后期( 2 0 天左右) ，水相中t o c 和t n 浓度会大幅增加，需加强 水质的检测与管理。 3 厌氧条件下絮凝处理水华的环境安全性研究 在完全厌氧的条件下，研究了铜绿微囊藻经絮凝沉降后藻细胞在水沉积物 中的分布和细胞分解过程，以及细胞内m c 在沉积物中的释放和降解规律。结果 表明，在厌氧条件下，藻细胞生物量经过8 天左右的滞后期后开始快速减少，第 2 4 天已检测不到藻细胞的存在。絮凝处理及不同的絮凝剂对藻细胞的分解没有 显著影响。厌氧条件下沉积物中藻细胞分解较快，这有利于有害藻类的去除。p a c 和p a c 海泡石联用在厌氧条件小均可有效抑制藻细胞的重悬浮，对防止水华的 再次爆发有较好的效果。m c 经过约8 天的滞后期后快速降解，第2 4 天降低到检 测限以下。厌氧条件下m c 在4 天时间内可以降解9 0 以上，说明厌氧条件下沉积 物中m c 的降解菌活性较强。水相中t o c 及t n 含量在2 0 天后会大幅增加，需加强 检测与管理。 关键词：水华，铜绿微囊藻，絮凝，重悬浮，环境安全性 a b s t r a c t 1 1 1 ef r e q u e n c yo fc y a n o b a c t e r i ab l o o m sh a sb e e ni n c r e a s i n gi nr e c e n ty e a r si n c h i n a ，w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h ee u t r o p h i c a t i o no ff r e s hw a t e rb o d i e s c y a n o b a c t e r i a b l o o m sp o s eas e r i e so fp r o b l e m so nt h ef u n c t i o n so fw a t e rb o d y , a n de v e nt h r e a t e n h u m a nh e a l t h n u m e r o u st e c h n i q u e sh a v eb e e ns t u d y e df o rt h ec o n t r o lo fw a t e r b l o o m f l o c c u l a t i o ni sa l le f f i c i e n ta n di n e x p e n s i v et e c h n i q u ea n dh a sb e e nw i d e l y u s e di nw a t e rt r e a t m e n t p r e v i o u ss t u d i e ss h o w e dt h a ti tc a nb eu s e dt oc o n t r o lw a t e r b l o o m s ，e s p e c i a l l yw i t ht h en a t u r a lo rm o d i t i e dc l a y sa sf l o c c u l a t o r h o w e v e r , t h e a l g a lc e l l sa r en o tr e m o v e dc o m p l e t e l yf r o mw a t e rb o d i e sa f t e rf l o c c u l a t i o n , a n dt h e y s t i l la c c u m u l a t ei nt h es e d i m e n to fw a t e rb o d i e s t h ed e c o m p o s i t i o no ft h ea l g a lc e l l s i nt h es e d i m e n t , o rt h er e l e a s eo fa l g a lt o x i nm a yc a u s en e we n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a tt h ee n v i r o n m e n t a ls a f e t yo fw a t e rb l o o mc o r t r o lb y f l o c c u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o na n dd e c o m p o s i t i o no ft h e m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ai nt h ew a t e r - s e d i m e n tp h a s e ，a n dt h er e l e a s ea n dd e g r a d a t i o n o fm i c r o c y s t i n ( m c ) i nt h es e d i m e n tt oe v a l u a t et h ee f f e c t i v e n e s sa n d e n v i r o n m e n t a l s a f e t yo ft h i sp r o c e s sb ys i m u l a t i n gt h ep r o c e s so fu s i n gf l o c c u l a t i o n i ne m e r g e n t c o n t r o lo fa l g a lb l o o m t h em a i nc o n t e n ta n dr e s u l t sw e r e a sf o l l o w s ： 1 t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o df o re x t r a c t i n gm ci ns e d i m e n t s t h ee x t r a c t i o nm e t h o do fm cf r o ms e d i m e n ti sap r e c o n d i t i o nf o rt h er e s e a r c ho f m c i no r d e rt oe x t r a c tm cf r o ms e d i m e n te f f e c t i v e l y , i t sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h e e x t r a c t i o nm e t h o d t h ec o n c e n t r a t i o no fm e t h a n o l ，v o l u m eo fe x t r a c t i o nr e a g e n t , e x t r a c t i o nt i m e n u m b e ro fe x t r a c t i o n sw a so p t i m i z e di nt h i ss t u d y 1 1 1 er e s u l ts h o w e d t h a to p t i m a le x t r a c t i o nm e t h o dw a s 7 5 o fm e t h a n o l ，7m l ，2 0m i n ，r e p e a tt h r e e t i m e s a n dt h ee x t r a c t i o ny i e l dc o u l do v e r9 5 2 r e s e a r c ho nt h ee n v i r o n m e n t a ls a f e t yo fw a t e rb l o o mc o n t r o lb yf l o c c u l a t i o nu n d e r a e r o b i cc o n d i t i o n s t h ed i s t r i b u t i o na n dd e c o m p o s i t i o no fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ac e l l s ，a n dt h e r e l e a s ea n dd e g r a d a t i o no fi n t r a c e l l u l a rm i c r o c y s t i nu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g h s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t oe v a l u a t et h ee f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t a ls a f e t yo ft h i st r e a t m e n tp r o c e s s r e s u l t ss h o w e dt h a tc e l l s w e r e e f f i c i e n t l yr e m o v e df r o mw a t e rc o l u m nw i t hp o l y m e r i ca l u m i n u mc h l o r i d e ( p a c ) ， s e p i o l i t eo rb o t ho ft h e m ，a m dt h er e m o v a lr a t ew e r em o r et h a n9 9 f u r t h e r m o r e ， p a ct o g e t h e rw i t hs e p i o l i t ee f f e c t i v e l yp r e v e n t e dt h er e c r u i t m e n to fd e p o s i t e dc e l l s t h ec e l l si ns e d i m e n t sd e c o m p o s e dg r a d u a l l ya f t e r2 4 - 2 8d a y s f l o c c u l a t i o np r o c e s s n e i t h e ra c c e l e r a t e dc e l l sd e c o m p o s i t i o nn o rs l o w e dc e l ld e a t h m cw a sd e g r a d e dt o b eb e l o wt h ed e t e c t e dl i m i tw i t h i n2 0t o2 8d a y sa f t e rn i n ed a y sd e l a y f l o c c u l a t i o n h a dn on e g a t i v ee f f e c to nt h er e l e a s ea n dd e g r a d a t i o no fm c n o rt h et o ca n dt n c o n c e n t r a t i o ni nt h ew a t e rp h a s e b u ti nt h el a t es t a g eo fe x p e r i m e n t ( a b o u t2 0d a y s ) ， t na n dt o cc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , i tw a sn e e dm o r ea t t e n t i o n 3 r e s e a r c ho nt h ee n v i r o n m e n t a ls a f e t yo fw a t e rb l o o mc o n t r o lb yf l o c c u l a t i o nu n d e r a n a e r o b i cc o n d i t i o n s t h ed i s t r i b u t i o na n dd e c o m p o s i t i o no ft h ec e l l s a n dt h er e l e a s ea n dd e g r a d a t i o n o fi n t r a c e l l u l a rm i c r o c y s t i nu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e dt oe v a l u a t e t h ee f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a ls a f e t yo ft h i st r e a t m e n tp r o c e s s r e s u l t ss h o w e dt h a t c e l l sw e r ed e g r a d e dt ob eb e l o wt h ed e t e c t e dl i m i tw i t h i n2 4d a y sa f t e re i g h td a y s d e l a yu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s f l o c c u l a t i o np r o c e s sh a dn os i g n i f i c a n t l ya f f e c t e d o nt h ed e c o m p o s i t i o no fc e l l s t 1 1 er a p i dd e c o m p o s i t i o no fc e l l sf a v o r e dt h er e m o v a l o fh a r m f u la l g a e f u r t h e r m o r e ，p a ca n dp a ct o g e t h e rw i t hs e p i o l i t ee f f e c t i v e l y p r e v e n t e dt h er e c r u i t m e n to fd e p o s i t e dc e l l s m cw a sd e g r a d e dt ob eb e l o wt h e d e t e c t e dl i m i tw i t h i n2 4d a y sa i d e re i g h td a y sd e l a yu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s n i n e t yp e r c e n to fm cw a sd e g r a d e di n f o u rd a y s ，d e m o n s t r a t i n gt h a tt h e m i c r o o r g a n i s m sc a ne f f i c i e n t l yd e g r a d em cu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s t na n dt o c c o n c e n t r a t i o n si nt h ew a t e rp h a s ew o u l di n c r e a s es i g n i f i c a n t l y ( a f t e r2 0d a y s ) ，i tw a s n e e dm o r ea t t e n t i o n k e yw o r d s ： w a t e rb l o o m ；m i e r o c y s t i n s ；f l o c c u l a t i o n ；r e c r u i t m e n t ；e n v i r o n m e n t a l s a f e t y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈因导师签名了隧：堕! 雪同期：龇如 武汉理i ：人学硕：t 学位论文 第1 章绪论 近年来，随着经济的快速发展，我国水体富营养化现象r 益严重，各大淡 水水体都频繁爆发水华，严重影响了水资源的开发与利用。发生水华的藻类会 大量消耗水体中的溶解氧，引起水生动植物死亡，并最终导致水生态系统的破 坏。其中蓝藻水华还能够产生微囊藻毒素，严重威胁饮用水安全和人类健康。 针对水华问题，现已有多种治理的方案与措施，如物理法、化学法和生物法等。 其中絮凝法由于能够快速且有效的处理水华而具有较好的应用前景。但是絮凝 沉降只是将藻细胞从水体中转移到沉积物中，进入沉积物中的藻细胞可能死亡 分解并释放出藻毒素，进而危害水体安全；而且有些絮凝剂存在二次污染的问 题，所以对絮凝处理水华的的环境安全性目前尚不清楚，有待于进一步研究。 本章简述了水华的形成、危害及治理技术，并对其存在的问题进行了评述。 1 1 富营养化及蓝藻水华 1 1 1 我国富营养化现状 在湖泊、水库和海湾等封闭或半封闭性水体中，氮、磷等营养物质的富集， 会使水体的生产力提高，导致藻类异常增殖，水体的透明度下降，溶解氧降低， 水质恶化，严重的甚至发生水华，使水域生态和水功能受到阻碍和破坏，这就 是水体的富营养化【。 富营养化本来就是水体整个生命史一个必经的过程，但是在自然条件下其 过程非常漫长，需要千年甚至更长的时间。自然状态下，由于地表径流的冲刷 和雨水对大气的淋洗，营养物质逐渐汇集到水体中，使得营养物质的输入与输 出不平衡，导致水体中的氮、磷等营养元素大大增加，造成水体富营养化【2 j 。近 年来由于经济的高速发展，工业和农业现代化进程的加快，各种未经处理的废 水、污水、化肥及有机物等直接排入水体，使得水体中氮、磷等营养物质的含 量大大增加，成为水体富营养化的主要原斟引。水体富营养化的发生除了和外来 营养盐的大量输入有直接关系外，生物群落结构的破坏而导致的水体中自净能 力的降低，也是加速水体富营养化的一个重要原因。因为合理的生物群落结构， 武汉理jf ：人学硕+ 学位论文 既是健康水生态系统的良好指示，同时又对维护生态系统的稳定起到重要的保 障作用，是水体生物自净的基础。一旦这种群落结构遭到破坏，水体的自净能 力随之降低，从而使富营养化的症状提前出现。 近十年来，工业、农业和渔业的快速发展导致大量的营养物质流入水体中， 增加了营养物质的负荷量【4 】，使得我国湖泊水库等水体的水质下降，富营养化程 度不断加重。国家重点治理的“三湖 ( 太湖、巢湖和滇池) 由于水体富营养化 造成的藻害日益严重，虽耗巨资治理但效果仍不理想，其它湖泊如东湖、西湖、 洞庭湖、洪湖、鄱阳湖、洪泽湖等也不容乐观。m o s s 等【5 】认为蓝藻成为优势藻种 或水华的形成是水体富营养化加剧的最明显特征。目前我国处于富营养化的湖 泊占湖泊总量的6 5 ，处于中营养转富营养化的湖泊占湖泊总量的2 0 6 j j 。 衡量湖泊富营养化的指标可以用物理、化学和生物学来评价。目前常用来 判断水体富营养化的一般标准是：氮含量超过0 2 o 3m g l ，磷含量大于0 0 1 o 0 2m g l ，b o d 大于1 0m g l ，p h 值7 - - 9 的淡水中细菌总数超过1 0c e l l s m l ，叶 绿素a 含量大于1 0t x g l t 引。我国五大淡水湖泊的营养状况如表1 1 所示，可以看出， 我国五大淡水湖的总氮、总磷都明显超标，叶绿素a 更是超出几百倍，说明这五 大淡水湖泊富营养化情况已经很严重。 表l - 1 我国五大淡水湖泊的营养状况( 单位：r a g l ) ( 引自刘光钊，2 0 0 5 ) t a b l e1 lt h en u t r i t i o n a ls t a t u so ff i v ef r e s h w a t e rl a k e si no u rc o u n t r y 注：s d 为水体透明度，单位为m ，其余单位为m g l 。 1 1 2 蓝藻水华 蓝藻水华的暴发是水体富营养化发展到最高阶段的一种重要现象。近几十 年来，蓝藻水华的发生频率、发生规模以及持续时间均呈现增加的趋势，给淡 水水体的功能与生态系统造成了很多有害的影响。 2 武汉理l ：人学硕 ：学f 移论文 1 1 2 1 蓝藻水华的形成 所谓水华( w a t e r b l o o m s ) ，就是淡水水体中藻类大量繁殖的一种自然生态现 象，是水体富营养化的一种特征，主要由于生活及工农业生产废污水中大量的 氮、磷进入水体后，蓝藻( 严格意义上应称为蓝细菌) 、绿藻、硅藻等藻类成为 水体中的优势种群，大量繁殖后使水体呈现蓝色或绿色的现象。“水华”现象在 我国古代历史上就有记载。而如果海水中出现此现象( 一般呈红色) 则为赤潮。 常见的水华藻类多属蓝藻门，有微囊藻属( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻属 ( a n a b a e n a ) 、束丝藻属( a p h a n i z o m e n o n ) 、节球藻属( n o d u l a r i a ) 、筒胞藻属 ( c y l i n d r o s p e r m o p s i s ) 、颤藻属( o s c i l l a t o r i a ) 、念珠藻属( n o s t o c ) 、和螺旋藻 属( s p i r u l i n a ) 等。其中铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 在数量和发生频率 上占绝对优势。 蓝藻是一类好氧的光合自养藻类，其唯一的繁殖方式是无性繁殖。蓝藻能 够进行固氮作用，因而对养分的需求简单。而且大多数蓝藻具有伪空胞，能够 调节藻细胞在水体中的垂直位置，使蓝藻在水中处于最有利的位置，得到更好 光照或营养。因此蓝藻易于成为水体中的优势藻种，大规模繁殖而形成水华。 1 1 2 2 影响水华形成的因素 在适宜的条件下，蓝藻能够在短时问内大量繁殖形成水华。影响蓝藻形成 水华的主要因素有：温度、光照强度、氮和磷等。 ( 1 ) 温度 大多数蓝藻的最适宜生长温度在2 5 以上，由于其最适宜的生长温度高于 其他藻类【9 1 0 l ，所以在夏季适宜的水体中蓝藻容易发生水华。 ( 2 ) 光照强度 光照强度可以影响蓝藻与其它浮游生物在水体中的竞争。蓝藻除含有叶绿 素a 之外，同时也含藻蓝素、藻红素等其他色素。这些色素可以获取光谱中绿、 黄和橙色部分的光，但这些光却很少能为其他浮游生物所利用【1 1 , 1 2 】。因此蓝藻相 对于其他浮游生物，具有更宽的光吸收波段，从而具有更强的竞争优势。 蓝藻能够通过增加细胞内类胡萝卜素的含量而保护细胞免受强光的抑制， 因此对强光有较大的忍受性【l3 1 。加之蓝藻只要很少的能量即可维持细胞功能和 结构，因此与其他浮游生物相比，当光强度很低时，蓝藻可以保持相对较高的 生长率【1 4 】。所以蓝藻在强光、弱光下都能保持较强的竞争优势，有利于水华的 形成。 武汉理i ：人学硕十学位论文 ( 3 ) 伪空胞 许多浮游性蓝藻具有伪空胞，它们是充满气体的囊状聚合体。伪空胞可以 通过调节浮力来控制蓝藻细胞在水体中的垂直位置或足控制蓝藻的昼夜迁移能 力，使蓝藻能够迁移到条件适宜的位置，获得更好的光照条件或者更适宜的营 养物质1 5 , 1 6 】。所以蓝藻能够比其他藻类更容易获得适宜的生长条件，能够快速的 大量繁殖。 ( 4 ) 氮和磷 蓝藻水华的形成与水体富营养化密切相关，而富营养化是由于氮磷的富集 形成的，因此蓝藻水华的形成受水体中氮磷浓度的影响。研究表明，蓝藻具有 储备磷的巨大能力【1 7 】，它们能够存储足够的磷来为2 4 个细胞分裂提供能量， 而这可使其生物量增j j i j 4 , - , 3 2 倍 1 8 a 9 】。因此在氮磷浓度较低的水体中也可时常见 到蓝藻水华。水体中总氮总磷比( t n ：t p ) 也会影响浮游植物的种群组成，研 究表明较低的氮磷比有利于蓝藻水华的发展，当t n ：t p 0 0 5 ) ， 说明絮凝处理对水体中t o c 和t n 的变化没有显著影响。但是f l f 藻类的死亡分 解，实验后期t o c 和t n 的含量会有大幅增加，对水质会造成。定影响，因此在 水华后期要加强水质的监测与管理。 删 图3 6 水相中t o c 的变化 f i g3 - 6v a r i a t i o n so f t o c i nt h ew a t e rp h a s e 武汉理i ：人学硕卜学位论文 3 5 本章小结 时间胞 图3 7 水相中t n 的变化 f i g3 - 7v a r i a t i o n so f t ni nt h ew a t e rp h a s e ( 1 ) p a c 、海泡石和p a c 海泡石联用8h 除藻率都可达到9 9 以上，因此均可 有效去除水华藻类。其中p a c 海泡石联用除藻效果最好，在水华应急处理方面 具有较大的应用潜力。 ( 2 ) 絮凝处理后，沉积物中藻细胞的死亡分解规律与自然沉降组没有显著差 异，说明絮凝处理不会造成藻细胞的集中死亡分解或长期积累，因此不会对水 质造成较大冲击。 ( 3 ) 经过絮凝处理的藻细胞絮体，经扰动后絮体会被打破，造成藻细胞的重 悬浮，而p a c 海泡石联用形成的絮体不易被破碎，能够有效防止由扰动引起的 藻细胞的重悬浮，这对抑制水华的再次爆发具有较好的抑制作用。 ( 4 ) 絮凝处理对m c 的降解过程无抑制作用，也不会导致m c 的积累而影响水 质。 ( 5 ) 絮凝处理水相的t o c 和t n 的变化没有显著影响，但在2 0 天以后，水体中 t o c 及t n 含量会大幅增加，需要加强水质的监测与管理。 3 5 武汉理l ：人学硕卜z 位论文 第4 章厌氧条件下絮凝处理水华环境安全性的研究 4 1 引言 由于天然水体的沉积物中常常存在着厌氧条件，而当藻细胞沉降到沉积物 中后，很可能处于厌氧状态下，所以有必要研究厌氧条件下絮凝处理的环境安 全性。厌氧条件下，絮凝处理对藻细胞在沉积物中的活性及细胞内m c 释放与降 解的影响目前尚未报道：使用不同絮凝剂对藻细胞的活性及m c 的释放降解影响 的差别也没有研究。因此本章以水华优势藻类铜绿微囊藻作为研究对象，通过 模拟絮凝应急处理水华的过程，研究了铜绿微囊藻在完全厌氧条件下，经絮凝 沉降后藻细胞在水一沉积物中的分布和细胞分解过程，以及细胞内m c 在沉积物中 的释放和降解规律，并与有氧条件下的情况进行对比，进而对完全厌氧条件下 絮凝法应急处理水华的有效性及环境安全性进行评价。 4 2 实验材料与方法 4 2 1 实验仪器 本章实验所使用的实验仪器见表4 1 所示。 武汉理i ：人学硕一 ：学位论文 l高效液相色谱仪 2总有机碳测定仪 3 厌氧培养箱 4 人联搅拌仪 5 立式压力蒸汽灭菌器 6台式高速离心机 7旋转蒸发仪 8超声波振荡仪 9 生化培养箱 1 0 超低温冰箱 l l 电子天平 1 2磁力搅拌器 1 3普通光学显微镜 a g i l e n t11 0 0 m u l t i n c 21 0 0 y q x - i i k b j 6 2 3 y x q l s 5 0 s i t g l ，1 6 l 墟o r o t a 4 0 0 0 k q 3 2 0 0 l r h 2 5 0 a b c d 2 3 7 f s a r t o r i u s i k a l a b d i x s p 2 4 s 安捷伦科技有限公司 德国耶拿分析仪器股份公司 上海新苗医疗器械制造有限公司 中国人比解放军第四二三二工厂 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 江苏省金坛i 订医疗仪器厂 德国h e i d o l p h 江苏省昆山市超声仪器有限公司 j 尔省跃疗器械厂 海尔集团 北京赛多利斯仪器系统有限公司 德国i k a 集团 江南光电( 集团) 股份有限公司 4 2 2 实验试剂及材料 4 2 2 1 实验试剂 本章实验所使用的试剂见表4 2 所示。 表4 - 2 实验试剂 t a b l e4 - 2 e x p e r i m e n t a lr e a g e n t s 4 2 2 2 铜绿微囊藻 3 7 武汉理j ：人学硕十学位论文 见3 2 2 2 。 4 2 2 3 海泡石 见3 2 2 3 4 2 2 4 沉积物 见2 2 2 3 。 4 3 实验方法 4 3 1 实验设计 使用实验室培养的铜绿微囊藻，在其对数生长末期离心( 4 0 0 0r p m ，1 0r a i n ) 收集藻细胞，配置成细胞浓度为9 9 x 1 07 个m l 的藻液( 此时藻液中m c 的含量为3 m g l ) ，用于絮凝实验。 实验设计分为4 组，其中三组为絮凝实验组，分别用聚合氯化铝( p a c ) 、海 泡石、聚合氯化铝海泡石联用对实验藻液进行絮凝；另外一组做为对照组，不 加絮凝剂，进行自然沉降。 絮凝实验采用烧杯实验来进行。p a c 絮凝实验组中，取实验藻液约4 0 0m l 于8 0 0m l 的烧杯中，加入p a c 絮凝剂( p a c j i 入量为2 5 0m g l ) ，在k b j 6 2 3 型六 联搅拌仪上进行搅拌。先快速搅拌( 2 0 0r p m ) 1m i n ，再慢速搅拌( 5 0r p m ) 1 0 m i n 。在慢速搅拌的后期，用虹吸的方法将絮凝后的絮体及水的混合物均匀的分 装到9 个盛有0 4g 沉积物的广口玻璃瓶中，每个小瓶分装4 0m l 。以上实验均重复 3 7 r 。 海泡石絮凝实验组，实验方法同p a c 实验组。海泡石加入量为7 9 l 。以上实 验均重复3 次。 p a c 海泡石联用实验组，实验方法同p a c 实验组。p a c 及海泡石加入量分别 为2 5 0 m g l 和2 8 9 l 。以上实验均重复3 次。 对照组不加絮凝剂，实验藻液直接沉降n o 4g 沉积物中，每个广口玻璃瓶 中4 0m l 实验藻液。以上实验均重复3 次。 按4 3 2 的方法控制厌氧培养箱的厌氧条件，将以上所有的广口玻璃瓶( 1 0 8 个) 放入2 5 的厌氧培养箱内，放置2 4 h ，以美蓝做指示剂，当样品达到厌氧状 态后，在厌氧培养箱内用橡胶塞封口，加蜡密封，以保持玻璃瓶内的厌氧状态。 武汉理i ：人。硕卜z 何论文 然后将所有广口玻璃瓶取出，置于2 5 恒温培养箱内避光静置培养。 以上4 组实验的每组平行样中，分别于第0 ，4 ，8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，2 8 天 取出一个广口玻璃瓶进行分析。首先在液面下1c m 处取上清液0 5m l ，按4 3 3 所述方法进行活细胞计数，用于计算上清液中藻类的生物量。其余上清液过0 2 2 l a m 的滤膜，用总有机碳测定仪检测总有机碳( t o c ) 及总氮( t n ) 含量。沉积 物经4 0 0 0r p m 离，t 二, l om i n 后，向沉淀中定量加入1 0m l 蒸馏水，充分搅拌后立即 取样4 0 01 t l 样品进行活细胞计数，用于计算沉积物中藻类的生物量；停止搅拌后 沉降5m i n ，取上部液体4 0 0l , t l 再次进行活细胞计数，用于计算可重悬浮藻类的 生物量。 剩余沉积物按4 3 4 的方法提取并测定沉积物中的m c 。 4 3 2 厌氧条件的控制 本实验通过厌y q x - i i 型厌氧培养箱控制厌氧条件。先用高纯氮气( 纯度为 9 9 9 9 ) 和混合气体( n 2 ：h 2 ：c 0 2 = 8 5 ：1 0 ：5 ) 连续多次置换厌氧培养箱中 的空气，然后采用钯催化剂催化去除剩余氧气来创造厌氧环境，并用美蓝指示 剂进行确认。实验过程中持续向厌氧培养箱中通入微量混合气体，以保持箱内 的厌氧环境。 厌氧条件的创造：( 1 ) 检查厌氧培养箱的密封性。( 2 ) 将两个特制的大塑料袋 放入厌氧培养箱中，一边通过真空泵抽真空，一边向特制的大塑料袋中通入纯 氮气，以排出厌氧培养箱中的空气。( 3 ) 待氮气充满大塑料袋后，关闭真空泵， 踩踏脚踏板开关，将塑料袋中的氮气排出。( 4 ) 如此反复2 次，第3 次将一个塑料 袋充满氮气，另一个塑料袋中充满氮氢混合气。( 5 ) 以在1 4 0 。c 的烘箱内活化2h 的钯粒作为除氧催化剂，以变色硅胶作为干燥剂，以美蓝作为指示剂，将它们 放入厌氧培养箱中。( 6 ) 两小时后，打开美蓝指示剂的瓶塞的盖子，指示剂不变 色说明箱内厌氧条件良好，如果指示剂变色，则继续用上述方法排除箱内空气， 直到美蓝不变色。( 7 ) 打开紫外灭菌灯，操作室内进行灭菌处理。灭菌时间约2 0 分钟后进行实验操作。 4 3 3 藻细胞计数方法 见3 3 2 。 4 3 4m c 的提取及测定方法 3 9 武汉理f ：人学硕十学位论文 见3 3 3 。 4 3 5 总有机碳及总氮的测定方法 见3 3 4 。 4 3 6 统计分析 用s p s s1 7 0 统计软件对实验结果进行重复测量方差分析。 4 4 结果与讨论 4 4 1 絮凝处理的效果 各种絮凝剂的絮凝沉降效果如表4 3 所示。由于絮凝实验是在好氧条件下进 行的，所以沉降效果与有氧条件下的结果相似。可以看出仍是p a c 与p a c 海泡石 联用去除效果较好，在0 5h 沉降速率即达到9 9 以上；海泡石效果稍差，但在8h 时沉降速率也可达到9 9 以上。 表4 3不同絮凝剂的除藻效果 t a b l e4 - 3r e m o v a lo f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ab yd i f f e r e n tf l o c c u l a n t s 厌氧条件下，检测了水相中藻细胞的生物量随时间的变化情况，结果如图 4 1 所示。由图可知，自然沉降组经过4 天后，藻细胞已基本上完全沉降( 沉降率 达至1 j 9 9 ) ，自此之后到实验结束，四个实验组水相中都没有检测到微囊藻细胞。 说明在厌氧条件并且避光、静冕条件下，沉降后的藻细胞不易上升进入水体， 这同有氧条件下的结论一致。 武汉理l ：人学硕 ：学位论文 j e 牛 o 蒯 器 廿 粼 辎 图4 1水相中藻类生物量的变化 f i g4 - ld y n a m i c so f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ap o p u l a t i o n si nw a t e rp h a s e 4 4 2 絮凝处理对藻细胞的影响 图4 2 是厌氧条件下，絮凝沉降水华藻类后，沉积物中藻细胞生物量的随时 间变化。由图可以看出，4 个实验组中藻细胞生物量变化的规律一致，都是经过 8 天左右的滞后期后，开始快速减少，并在第2 4 天时降低到检测限以下。说明藻 细胞在沉积物中不会长期积累。从第8 天到第1 6 天，8 天的时间内，各实验组沉 积物中藻细胞的数量就减少了9 0 以上，说明在完全厌氧条件下沉积物中的藻细 胞能够在短时间内发生大量分解。统计分析表明，絮凝实验组与对照组之间均 有没有显著性差异( p o 0 5 ) ，说明絮凝处理对藻细胞在沉积物中的死亡分解情 况没有显著影响，絮凝处理既不会加速也不会延缓藻细胞在沉积物中的分解速 率。 与有氧条件下的结果相比，在厌氧条件下沉积物中的藻细胞的生物量是一 直减少的，在实验初期没有发生生物量增加的现象，可能是因为完全厌氧条件 不适宜藻细胞的生长繁殖。厌氧条件下藻细胞在微生物作用下分解迅速，短期 内就有大量细胞( 9 0 ) 发生分解；而在有氧条件下，藻细胞没有快速集中的分 解，说明在完全厌氧条件下，沉积物中的藻细胞能够快速分解，这一方面有利 于有害藻类的去除，但另一方面可能也可能会造成细胞内毒素的集中释放。 4 1 武汉理l ：人学硕 ：学f 节沦文 牛 o 捌 霹 廿 粼 麟 图4 2 沉积物中藻类，物量的变化 f i g4 - 2d y n a m i c so fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ap o p u l a t i o n si ns e d i m e n t 4 4 3 絮凝处理对细胞重悬浮的影响 藻细胞经絮凝沉降后进入沉积物，而沉积物中存在大量的厌氧环境，为此 我们考察了完全厌氧条件下，絮凝沉降对藻细胞可重悬浮性的影响，结果如图 4 3 所示。对照组中可重悬浮藻类的生物量在8 天之后开始迅速减少，到第2 4 天降 低到检测限以下。海泡石絮凝实验组可重悬浮藻细胞的变化规律与对照组相似， 经统计学分析，两者没有显著性差异( p 0 0 5 ) ，说明经海泡石絮凝后，絮体容 易破碎，藻细容易重新悬浮起来。而p a c 实验组和p a c 海泡石联用实验组中藻细 胞可重悬浮的生物量远远小于对照组，并且两者均与对照组有极显著性差异( p o 0 5 ) ，说明絮凝处理对水体中t o c 和t n 的变化没有显著影响。在絮凝处 理后期或水华自然沉降后期水体中的t o c 及t n 含量会很高，可能会对水质造成 冲击，要加强水质的监测与管理。 与有氧条件下的结果不同，水相中t o c 和t n 的含量在实验末期不但没有减 少，反而仍然大幅增加。在有氧条件下的实验木期( 第2 4 天之后，藻细胞未完 全分解) t o c 和t n 含量已经有所降低，而厌氧条件下在实验已结束后的8 天( 藻 细胞已完全分解后的8 天) 内t o c 和t n 含量仍是呈大幅增加的趋势。可能是由于 有些有机物在厌氧条件下难以被降解，因此使水体中的高浓度的t o c 和t n 持续 一段较长的时间，所以厌氧条件下更需要加强对水质的管理。 删 图4 6 水相中t o c 含量的变化 f i 9 4 - 6 v a r i a t i o n so ft o ci nt h ew a t e rp h a s e 4 5 武汉理f ：人学硕斗：学位沦文 。一 i j b o g 删 m z _ 4 5 本章小结 时间d 图4 - 7 水相中t n 含量的变化 f i g4 - 7v a r i a t i o n so f t ni nt h ew a t e rp h a s e ( 1 ) 絮凝处理后，无论有氧条件还