（环境工程专业论文）利用藻类去除p营养物质研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，国家对城镇生活污水处理厂 出水中磷的排放标准进一步提高( t p o 5 m g l ) ，传统的除磷方法已经不能满 足要求。由于藻类的生理功能吸收氮磷等营养物质，应用藻类处理污水开 始慢慢兴起。藻类处理系统作为一项新的污水处理技术，符合生态学的原理， 既具有环保意义，又具有节约能源的意义。 试验研究了生长在喷泉池底的着生藻类在曝气搅拌条件下对污水中营养物 质的去除效果。利用s b r 反应器( 1 0 l ) 曝气搅拌，在3 0 w 的白炽灯照射下， 温度控制在2 0 左右，瞬间进水，曝气搅拌6 个小时，沉淀1 个小时，排水( 4 l ) ， 闲置的运行工况下，污水n h 3 - n 、t p 含量分别由1 7 0 8m g l 、4 3 3m g l 降至 3 7 5m g l 、o 1 7m g l ，去除率分别为7 8 0 4 、9 6 0 7 ；p h 值由7 6 0 上升至7 9 5 。 在不影响藻类正常生长的前提下，氨氮浓度、废水温度，光照强度越强，且废 水的p h 值偏酸性时，藻类对磷的去除率也会越高。 试验还发现着生藻类系统并不是单一的藻类系统，而是藻菌共生系统。 所以本系统对c o d 也有着很强的去除率：进水1 9 0 8m g l ，出水2 3 8 6m g l ， 去除率为8 7 4 9 。 与早期成熟的高效藻类塘和固定化细胞等藻类污水处理技术相比，利用着 生藻类形成的类似活性污泥法的处理系统不仅能发挥藻类对n 、p 的吸收作用， 还能发挥细菌对有机物的去除作用。故此认为，本处理系统在污水处理方面具 有较大的应用潜力。 关键词：藻类；污水处理；富营养化：n ，p 去除 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fs o c i o e c o n o m ya n dt h ei m p r o v i n go fp e o p l el i v i n g s t a n d a r d ，o u rc o u n t r ye n h a n c e dt h ee m i s s i o ns t a n d a r do fm u n i c i p a lw a s t e w a t e r p r o c e s s i n gf a c t o r y ( t p 9 5 0 0 1 7 7 l a li b e r t e e ta 1 1 9 9 4 o s w a l d1 9 8 8 a b s h e l e fe ta 1 1 9 8 0 t r a y i e s oe ta 1 1 9 9 2 y a ne ta 1 1 9 9 6 c r a g g se ta 1 1 9 9 6 a ，b h o f f m a n n ( u n p u b l ) 1 4 1 吸收营养物质实现污水资源化 一般藻类培养被建议作为二级出水后的三级处理，藻类能有效地去除引起 富营养化的氮和磷及其化合物；在此过程中，藻类进行光合作用，吸收c 0 2 放 出0 2 ，很多时候0 2 能促进好氧细菌对污水有机物的降解，降低水体b o d ；同 时藻类对c 0 2 的消耗，升高水体p h 值，可起到杀菌作用【1 7 】，而且高p h 值还可 引起磷和羟基磷灰石沉淀，降低污水的硬度和电导率，引起氨气提。 在季节气候良好的室外条件下，藻类转化太阳能的效率为4 ，这比传统的 农业系统要高一个数量级，这使我们能获得大量的藻类生物量。由于藻类富含 蛋白质、维生素和矿物质等，所有收获的藻类生物量有许多潜在的应用价值， 如：用于食料和医药业( 人和动物的营养补充物：维生素、蛋白质、脂肪酸、 多糖等) ：提取化工产品如化妆品、精细化工产品等：作为能源产生沼气、燃料： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 用于饵料和饲料业( 鱼虾、甲壳动物等水产动物的饵料，家禽饲料) ；农业上作 为土壤调节剂、肥料等。 早在1 9 4 2 年，g a f f r o n 和r u b i n 发现绿藻s c e n e d e s m u so b l i q u u s 在厌氧条件下 能产生氢气。随后的大量研究发现，很多其它微型藻类也能产氢。最近的研究 表明生物制氢特别是微藻制氢将成为以后制氢领域的研究热点，这项技术极有 可能成为解决世界能源短缺问题的有效途径【l 引。可以设想，如果微藻生物制氢 与污水的资源化结合起来，其经济、社会和生态价值不可估量。 利用基因工程手段培育优质、高产、抗逆的藻类新品种，开发资源丰富的海 藻蛋白，分离生产藻类中具有特殊活性的有用物质等，均将使藻类的大规模培养 应用于污水处理的前景更为广剧1 9 】。1 9 9 3 年中国科学院植物所与北京大学生命 科学院合作，把小鼠金属硫蛋白一i c d n a 克隆到鱼腥藻7 1 2 0 中，成功得到稳定 的转基因工程蓝藻，转基因蓝藻对金属离子吸附能力和较高重金属浓度下放氧 活性测定表明，外源基因的表达提高了蓝藻对重金属离子的抗性【2 0 1 。任黎等将 人工合成的人肝全属硫蛋白转入鱼腥藻7 1 2 0 ，得到了能耐受重金属一镉的转入 肝m 卜认基因鱼腥藻，较大程度地提高了转基因鱼腥藻的m t 表达量，它将在 清除水域中重金属污染方面发挥重要作用【2 l 】。 1 4 2 去除有害金属和有害物质 目前人类环境中金属污染相当严重，传统的处理方法有化学沉降、氧化与 还原、离子交换、电化学处理、过滤、逆渗析、溶剂萃取及蒸发回收等，这些 方法的不足之处有：金属去除不彻底，对试剂和能量要求较高，易形成需另外处 理的有毒沉积物或其它废物等。 大量研究表明，藻类对金属离子具有较强的富集能力，可作为生物吸附应 用于工业污水中有毒、放射性金属的去除及稀有、贵重金属的回收，高效、经 济、简便、选择性好，尤其是对于那些含量较低( 低于1 0m g l - 1 ) 或传统方法不 易去除的金属( 如镍) 有着重要的应用价值 2 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 藻类能富集z n 、h g 、c d 、c u 、u 、p b 等重金属离子，使这些金属在细胞 内的浓度比溶液中的高上千倍2 3 1 ，是工业污水有效的“清洁剂”。污水中一些低 浓度的重金属离子如：c u 、z n 、m n 等是藻类生长必需的微量元素，因此藻类 可从废水中获取部分营养而繁殖。而另一些金属如a u 、a g 、c d 、p b 、h g 、a i 等对生物体有较高的毒性，会导致藻体污染和失活，这时可将藻体从金属液中分 离，使其在较低金属浓度下生长，或选择拮抗性较高的藻株；若采用死亡的藻株 或相应的衍生物进行金属富集【2 4 】，即可解决金属毒性、藻体营养供给及收获等 问题，并可实现连续可逆操作。 藻类不仅能富集有害金属，而且还能富集和转化某些有机污染物质。过去 的大部分研究都集中在细菌和真菌对有机物质的降解作用，而微藻在降解有机 污染物过程中起什么作用却知之甚少。科学家曾整理过有关藻类与杀虫剂相互 作用的文献，他们发现藻类能富集和转化其中的部分有机污染物【2 5 1 。至今，科 学家们开展了：藻类异养作用与有机污染物降解的关系，藻类与水生态圈中有 机污染的相互作用，藻菌共生系统中藻类参与有机物降解过程的机理等【2 6 】方面 的研究，并取得大量有参考价值的资料。 1 4 3 水资源的再利用 利用藻类对污水进行深度处理后，其出水可以作为中水回用、农田灌溉、 工业冷却循环、市政园林绿化、建筑等部门提供用水，以及生活饮用水，很好 地实现了污水的良性生态循环。 1 。6 藻类污水处理方法的应用及研究进展 自第一篇关于藻类应用于污水处理的文献发表至今 2 7 】，科学家们对藻类大 规模培养净化污水做了大量的研究工作。根据藻细胞形态，藻类的培养可分为 悬浮培养和固定化培养两种方式，过去大部分的研究都集中于人工污水塘悬浮 微藻的培养。然而，近年来越来越多的工作强调固定化藻类的应用，无论是藻 类单种的固定化培养还是着生藻类群落( 藻类生物膜、着生藻类) 在浅水人工 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 溪流或生物转盘( r b c b i o d i s c s ) 上的培养都得到了很大的发展【1 2 】。 1 6 1 悬浮藻类污水处理系统 o s w a l d 等人1 9 5 7 年就提出了利用藻类去除污水中的氮、磷营养物以及释 放氧气供好氧微生物分解代谢所需。从此，建立在人工模拟水体藻菌共生自净 原理基础上的稳定塘技术得到广泛的应用和发展。稳定塘有好氧塘、厌氧塘、 兼性塘、曝气塘多种类型，是细菌、藻类、水生植物和其它水生动物并存的一 个生态系统，营养物质的去除主要依赖于细菌和藻类，其中细菌起主导作用。 一般说来，生物稳定塘内出现的藻类有小球藻、栅藻、衣藻等绿藻。稳定塘中 藻类浓度是有限的，因此对磷的去除效果不够理想。 藻类处理系统要达到预计的处理效果，确保藻类自身最佳生物量是关键， 所以要遵循藻类大规模培养的基本原理。特别是要高效地收获藻类从而将水中 的营养去除。虽然大量的研究和应用都证明悬浮藻类污水处理系统对污水的处 理是行之有效的，但由于其主要依靠自然生长的藻类和半人工控制手段，藻类 生长受到许多因素的限制，如光能利用率较低，约为2 左右；藻类密度较小， 生物量一不超过1 9 干重l ：污水停留时间仍过长和占地面积太大；温度、p h 和0 2 不易控制，处理效果的稳定性受到影响等。同时，处理后出水中微小( 小 于2 0m m ) 的悬浮藻类难以收获或收获费用太高。虽然很多方法，如：过滤、 浮选、絮凝、沉淀、离心、微胁变等，都被研究过用于去除这些微小的藻类细 胞，且在技术上证明是完全可行的，但是没有一种方法操作简单、费用低廉并 适合于室外藻类的大规模培养。当藻类物质不能充分从出水中去除时，b o d 、 t s s 和营养物质的出水浓度就很难达到相关标准【2 8 1 。这些不足严重地阻碍悬浮 藻类污水处理系统的进一步发展和应用。因此，研究和开发新的藻类污水处理 系统引起国内外学者的高度重视。 1 6 2 非悬浮藻类( 固定化藻类) 污水处理系统 利用非悬浮藻类( 固定化藻类) 处理污水在逻辑上就是要解决悬浮藻类难 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 以收获的问题。固定化细胞这项生物技术是从固定化酶、固定化细胞器技术发 展而来。固定化藻类，就是利用载体通过物理或化学方法将藻类细胞固定，形 成固定化藻类系统应用于污水处理。此项技术潜在的优势很多，在污水处理上 主要表现在具有藻细胞浓度高、反应速率快、运行稳定可靠、藻细胞易于收获 等优势；更好地控制藻类种类，防止被洗脱；达到更高的营养去除速率，并能 耐受更高的污水负荷率。 固定化藻类对营养物质的高去除率和对藻类收获的简易性，使其成为很好 的污水处理手段。然而到目前为止，几乎所有这些工作都只停留在实验室规模， 加之固定化载体的成本较高，使该项技术的应用与发展受到限制。不过一旦价 格低廉的载体被研制问世，藻类固定化技术必将在污水处理中得到实际运用。 1 6 3 着生藻类污水处理系统 避免藻类收获难的另一种方法是运用着生在某基质表面的着生藻类，也即 是着生藻类生物膜( p e r i p h y t o nb i o f i l m ) 。着生藻类( b e n t h i ca l g a e 或a t t a c h e d a l g a e ) 系统是通过生物自身的特性固定在基质上，广义上来说属于固定化藻类 系统的一种。由于着生藻类处理系统与本研究有着很大的相关性，涉及到选择 何种藻类作为研究对象的关键问题，所以下一章将着重探讨着生藻类的生理特 性及应用。 1 8 本文的研究意义、内容及技术路线 1 8 1 研究意义 从目前城市污水的处理现状来看，使用传统的活性污泥工艺方法居多，但 大多数出水中仍含有足以引起富营养化的氮和磷，随着我国污水排放标准中对 磷浓度的控制越来越严格，传统的生物除磷法已经不能满足要求了。考虑到藻 类的生理功能，应用藻类处理污水开始慢慢兴起。藻类处理系统作为一项新的 污水处理技术，符合生态学的原理，既具有环保意义，又具有节约能源的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 悬浮藻类污水处理系统已经非常成熟了，虽然对污水的处理是十分有效的， 但始终无法解决悬浮藻类的收获问题，当藻类物质不能充分从出水中去除时， b o d 、t s s 和营养物质的出水浓度就很难达到相关标准。固定化藻类污水处理 系统是通过物理或化学方法将藻类细胞固定在载体上，形成固定化藻类系统应 用于污水处理，具有藻细胞浓度高、反应速率快、运行稳定可靠、藻类细胞易 于收获等优势，但是固定化载体的成本较高，使该项技术的应用与发展受到限 制。着生藻类( b e n t h i ca l g a e 或a t t a c h e da l g a e ) 系统是通过生物自身的特性固定 在基质上，广义上来说属于固定化藻类系统；着生藻类处理系统具有以下特点 和优势：首先在设计上非常简单，只要提供合适的基质，污水流速以及光照就 能正常运行；其次着生藻类固着在基质上，。无需复杂的富集过程就能对藻类进 行回收和利用，但是由于着生藻类的特性处理系统一般水深很浅，着生藻类固 着在基质上，污水是从着生藻类上流过，藻与水的结合不够充分，造成有效生 物量不高，而且为了增加水力停留时间，污水的流速一般很小，水体扰动小， 这更使得藻类无法充分与污水中的营养物质的代谢与交换，因而一般只能作为 深度处理来应用。 因此本论文通过结合悬浮藻类污水处理系统与非悬浮藻类污水处理系统的 优点，通过选择合适的藻类，人工搅拌，与污水充分混合，除去污水中营养物 质，再通过沉降，实现藻水分离和藻的回收，形成类似活性污泥法的藻类处理 系统，从而为污水的深度处理提供新的技术手段，并为藻类处理污水提供新的 研究方向。 1 8 2 研究内容 本论文利用西南交通大学南门喷泉池底的底栖藻类，通过s b r 反应器，曝 气搅拌，与污水充分混合，除去污水中营养物质，研究在不同试验运行条件下 的除磷特性及效果，找出除磷规律。 主要研究内容包括： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 1 ) 通过实验室配水，模拟常规城市污水处理厂二级出水水质，进行藻类 除磷试验研究，通过一个周期内污染物变化，找出藻类去除有机物，除磷的机 理。 ( 2 ) 通过对影响藻类生长的环境因素：光照、p h 、有机物浓度、n p 等进 行试验研究，找出影响规律，提出强化藻类除磷效果的措施。 ( 3 ) 通过对金鱼藻进行对比试验研究，找出利用合适的藻类人工形成的类 似活性污泥法的藻类处理系统与普通藻类处理系统处理效果之间的差别，论证 类似活性污泥法的藻类污水处理系统的可行性及优越性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 8 3 技术路线 图1 1 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章材料与方法 2 1 着生藻类简介 避免藻类收获难的一种方法是运用着生在某基质表面的着生藻类，也即是 着生藻类生物膜( p e r i p h y t o nb i o f i l m ) 。着生藻类( b e n t h i ca l g a e 或a t t a c h e da l g a e ) 系统是通过生物自身的特性固定在基质上，广义上来说属于固定化藻类系统的 一种。 2 。1 。1 着生藻类的定义 着生藻类( p e r i p h y t o n ，a t t a c h e da l g a e ) 生长在浸没于水中的基质表面 上的低等植物；主要包括附石的e p i l i t h i c 、附植的e p i p h y t i c 、附动的e p i z o i c 、附 泥的e p i p e l i c 的群洲2 9 1 ，简单地说，是一类附着在水底、沿岸、水草或其他各 种基质上的藻类。 相对于浮游植物而言，对湖泊与河流沿岸区的着生藻类的分类、生理、生 态特征等的研究较少。这是因为着生藻类生长在十分多样性的小生境中，理化 因子的变动，比起浮游植物所处的环境要复杂得多。在浅水湖泊和小型河流的 沿岸区所占面积很大，加上沿岸区特殊的理化条件，着生藻类常可形成优势， 其生物量可远远超过浮游植物的生物量，种类数量也可占整个藻类种数的9 0 。 着生藻类作为水生态系统的一个组成部分有其特有的作用。 2 1 2 着生藻类在水生态系统中的功能 着生藻类是水体中重要的初级生产者，其中包括蓝藻门，绿藻门，硅藻门， 约有5 0 0 多种，有着丰富的物种多样性，有水中灌木和草丛之称，是水生动物 的重要食物来源，是水体物质和能量循环中的重要一环。从水体生产力的角度 来看，着生藻类可作为经济动物，如：螺、蚌、虾、鱼等的饵料。在整个水体 的初级生产量中，着生藻类的产量可占相当大的比例，甚至可超过浮游藻类的 初级生产量。如果沿岸区范围较大，高等水生植物生长茂盛，其附植藻类的初 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 级生产量可占总初级产量的4 0 5 0 2 9 1 。w e t z e l 比较了各地湖泊中浮游植物、 着生藻类、高等水生植物三者初级生产所占的比例，发现附植、附泥的着生藻 类在总的初级生产中是一个不可忽视的部分。世界上大多数湖泊都是浅水湖泊， 一般认为着生藻类的初级生产会超过浮游植物的产量【3 0 】。我国大多数湖泊都是 中、小型的浅水湖泊，水深一般都在5 m 以下。沿岸区占的比例较大，有利于 附植和附泥藻类的生长。 着生藻类是水生态系统中的化学调节者，在其生长过程中能大量吸收基质 和水体中的n ，p 营养物质。着生藻类所处的生境中营养物质较浮游植物所处 生境中的营养物质要集中得多，因此，着生藻类的代谢活性也要比浮游藻类强 盛得多，如附泥藻类附着的沉积物之间的间隙水域中溶解性营养物质的浓度要 比沉积物上面的自由水域中的大1 0 0 1 0 0 0 倍。着生藻类在溪流中是无机磷和 无机氮的原初收集者，可以从大型( 高等) 水生植物【3 1 1 和底泥【3 2 1 吸收营养。生长 于湖底表面和水草表面的着生藻类被认为是营养物质释放到水中之前的重要吸 收者。着生藻类的生物量和其所处的营养状况是随时空变化的。着生藻类在超 富营养水平的水体中也是多见，通常富营养化水体的透明度较低，而着生藻类 比浮游藻类更能适应低光强的环境，从而具有强的竞争力；同时在较高浓度氮 磷和光照充足的情况下，着生藻类生物量能达到最大，对氮磷的吸收和转化百 分率较高。氮磷循环频率高，丝状藻类消耗了占可利用氮源的9 5 ，磷源的8 5 ， 其中间生藻类所需的氮源的6 3 来自于内部的循环，这对降低水体的富营养化 水平，增加水体透明度，为水生高等植物的恢复，提高湖泊自净能力，并通过 分泌一些抑藻物质，抑制水华藻类的生长，对降低蓝藻水华暴发的频率等具有 十分重要的作用。 着生藻类在许多水生境中有稳定底泥和基质的作用。硅藻，丝状蓝藻和黄 丝草能够在沙底和沉积物表面快速生长，使得沉积物并不随着水流的增加而移 动，从而减少水体中由底泥释放的营养盐，有利于降低水体中的营养水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 着生藻类可为其他生物提供重要的生存环境和栖息场地，维持生态系统的 多样性。轮藻可以作为溪流中丰富多样的水生无脊椎动物的栖息地。刚毛藻和 其它丝状藻类不仅能供养附生植物，而且可以供养大量的小型无脊椎动物，如 摇蚊，片足类和许多小型的底栖动物。甚至由硅藻附着生长形成的很厚的藻垫 也能够保护大量的摇蚊和小型的底栖动物，从而增加水体中的生物多样性。着 生藻类绝大多数是自养的，它们是水生态系统的重要组成部分，在能量转化和 物质传递方面有着重要意义。一旦着生藻类遭到破坏，即会对整个水生生物群 落造成较大影响。 此外，着生藻类可作为理想的水质监测材料，实验结果表明，硅藻比原生 动物和大型着生无脊椎动物对有机污染物更敏感，以它作为监测材料，监测结 果更准确，更具预见性【3 3 】，主要优越性如下： 着生藻类固着生长，不能通过迁移或其他形式来躲避污染的危害。 着生藻类生物群落中的物种通常比其他群落更丰富。几平方厘米的底泥 中就可能有1 0 0 多种不同的藻类。不同的藻类有不同的环境耐受性和喜好性， 如此庞大的整体为环境监测提供了丰富的信息。 着生藻类有比较短的生命周期，对环境的变化可产生快速的反映。其群 落结构的变化能直接反应当前的环境状况。 着生藻类在空间分布上非常紧密，典型的自然生物群落只要在几立方厘 米的底泥中就可以获得。人工的基质则相对简单。 样品易于管理和处理。着生藻类标本的管理和储藏只占用很小体积。 2 1 3 着生藻类净化污水的原理 着生藻类在污水处理中的运用是从着生藻类生态学研究中得到启发的。一 般的着生藻类群落的构成因素包括藻类( 主要是蓝藻、绿藻和硅藻，其中有丝 状的、单细胞) 、真菌、细菌、黏液( 主要是藻类、细菌及其他生物分泌的胞外 多糖) 、底栖动物( 原生动物、轮虫、枝角类等) 、间隙( 充满着营养物质、酶、 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 气体等) 利用着生藻类净化污水实际上一个是强化水体自净能力的过程。如图 2 - 1 ，着生藻类净化污水的示意图。藻类的作用：通过光合作用吸收营养物质和 c 0 2 放出o z ，吸附或吸收有害金属转化有机污染，某些种类( 如一些蓝藻) 在 水体n 缺乏的情况下可直接利用空气中的n ：。藻类释放的。2 供细菌对有机无 机进行降解，转化成简单的可溶性物质继续供藻类利用。 p f b s d d t 盘0 - - 目- 一一。- ? 一n h 。_ n o ； 简单有机氮( 如尿素、简单的氨酸等) 【4 2 】。藻类消化吸收无机氮， 转化生物量的能力可以有效的进行氮化合物的解毒。许多藻类除了自养方式之 外，还可以利用有机物进行兼性营养，直接吸收多种有机氮如尿素、氨基酸等， 有些藻类能固定大气中的氮并加以利用。 从对氮的需求观点来看，城市污水富含满足藻类生长的氮源，氨态氮是城 市污水含量最高的无机氮源：其次是尿素，它可以直接或被细菌转化为氨氮后 被藻类利用。 藻细胞合成的磷仅占藻细胞干重的1 ，但磷是细胞核酸的主要成分，在 能量的转化过程中起着重要作用。研究表明磷用于能量传递和核酸合成细胞的 过程，主要d i 无机离子h ：p o ；、h p 0 2 4 一的形式被吸收。磷的消耗依赖于培养 基中的磷浓度，细胞内的磷浓度，p h 值，n a + 、k + 、m 9 2 + 等离子的浓度和温度 4 1 1 。细胞内的磷被用作合成有机或无机化合物。藻类通过底物水平磷酸化、氧 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 化磷酸化和光合磷酸化三种不同的过程将其转化成高能有机化合物。一般反应 式为：a d p + p i a t p 。前两个过程，能量来自呼吸底物的氧化，或来自线 粒体的电子转运系统。在第三个系统中，光能被转化结合进a t p 4 3 1 。 4 1 2 对金属离子的去除 金属离子对藻类的胁迫分别在生化，细胞，种群，群落水平上产生影响。 藻类细胞在响应胁迫之前，对金属离子的吸收和吸附包括代谢相关和代谢无关 两种情况，藻类的这种特性已应用于生物监测和富营养化污水的金属去除。金 属离子影响藻类细胞生长速率，发育，藻类种群的丰度。不同藻类对金属胁迫 的耐受能力各异，因为无机物质在各种细胞的胞内和细胞表面结合位点的活性 不同。化学、物理、生物等因素影响金属离子对藻类的毒性，金属离子在群落 级别上的影响就更加复杂【4 4 1 。藻类对金属离子的生物富集不同于一般简单的吸 附、沉积、或离子交换，而是一个复杂的物化与生化过程，不仅与细胞的化学 组成及代谢过程有关，还受许多其它因素的影响，是多种机理协同作用的结果。 藻类富集重金属的过程可分为胞外结合与沉淀，胞内吸收与转化两个主要步骤， 其中富集途径包括：物理吸附、表面沉积、被动扩散、生物吸附与主动运输。 包括死细胞、细胞碎屑、细胞分泌物或相应的衍生物、蛋白质、多糖、色素等 均参与溶液中金属离子的去除。 藻类去除污水中金属离子的机理主要有两方面：一种机理是被动吸收( 代 谢无关型) ，又叫生物吸附。生物吸附包括两个步骤【4 5 】：1 ) 化学物质从水膜扩 散到细胞表面和细胞骨架的间隙里；2 ) 与特异性位点结合并导致吸收能力下降 ( 位点被占用) 。生物吸附是快速和可逆的，对藻类来说通常在5 1 0 m i n 就完 成，而且不受光，温度或者代谢抑制物的影响【4 6 1 。用这种方法富集的大部分金 属很容易通过用蒸馏水或含螯合剂的蒸馏水洗脱而去除。生物吸附不受代谢抑 制剂、解偶联剂或光暗周期的影响。另一种机理是主动吸收( 代谢有关型) ，这 种情况一般比较缓慢( 能持续几个小时或几天) 。在藻类的生长过程中消耗重金 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 属离子或胞内积累金属离子时，即发生这种机制，此外重金属也可被分泌的次 生代谢产物沉淀。这些过程是能量依赖的，可被低温、能量缺乏( 光) 、代谢抑 制剂、解偶联剂所抑制，并受到细胞健康和培养基特性的影响。两种机制在藻 类污水处理中同时起作用，它们的相对重要性依据藻类种类、培养条件、金属 的化学性质而定。 4 2 试验系统在污水处理中的生态学原理 传统的污水处理技术主要是利用活性污泥对水中污染物质的降解，这个体 系中发挥主要作用的细菌。所以从生态学的观点上看，如果把这个体系看成生 态系统的话，这个生态系统并不完整，因为体系中生产者基本上没有。而着生 藻类系统却是一个天然的完整系统，在这个系统中有生产者藻类，消费者 底栖动物，分解者细菌。着生藻类系统比活性污泥体系更能实现物质 与能量的流动。从实际情况来看，现在大多数城市污水厂处理池池壁和出水口 这些地方都滋生着很多藻类，而且长势之快，每天都需要派专人进行清理。这 证明了活性污泥这个体系并不完整，需要生产者的加入。 着生藻类并不是一个单一的藻类群落，而是包括细菌等微生物的复杂体系， 藻类通过光合作用吸收营养物质和c 0 2 放出0 2 ，吸附或吸收有害金属转化有机 污染，某些种类( 如一些蓝藻) 在水体n 缺乏的情况下可直接利用空气中的n 2 。 藻类释放的0 2 供细菌对有机无机进行降解，转化成简单的可溶性物质继续供藻 类利用。不仅如此，着生藻类系统中藻类由于有很大的比表面积，为细菌等的 生产提供了良好的温床，这相当于生物膜的作用；而细菌能分泌粘性物质，将 水体中的无机物聚集起来，为藻类创造良好的附着生存环境。着生藻类较大的 比表面积和细菌分泌的泌粘性物质还能让次生的浮游藻类也聚集在着生藻类 上。所以，着生藻类系统这个共生体系使得藻类和细菌在互相支持下更好的生 长繁殖，对污水的进化也比传统的活性污泥法好。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 4 3 试验系统在污水处理中的物理化学原理 着生藻类需要附着在一定基质上生长，在多数情况下，着生藻类附着在浅 水型湖泊水底的底泥上生长，底泥为着生藻类的生长提供了丰富的营养物质。 但是在无基质可附着的情况下，比如在一般喷泉的池底，也可滋生大量的着生 藻类。这个原因可能是：虽然喷泉池底光滑的瓷砖无法像底泥一样为藻类提供 丰富的营养物质，但是由于细菌的存在，它们可以像在活性污泥法中的作用一 样，通过分泌粘性物质将彼此及无机物聚集成团，这时，我们可以看见池底有 很多类似于泥土的“脏”东西。有了泥土这个可以为藻类提供营养物质的着生 条件后，在光照和温度充足的情况下，就长出了大量的藻类，而藻类的生长又 为细菌提供了更好的生存环境，相当于温床的作用，更有利于细菌的生长繁殖 了，彼此形成良好物质与能量流动的共生体系。共生系统形成后，体系就拥有 更大的比表面积，因而也就拥有更大的表面张力，可以吸附污水中很多物质共 体系生长，并且可以吸附次生生长的浮游藻类，所以体系更加的稳定，更好的 生长。 4 4 试验系统中藻类的吸磷原理 藻类对p 的吸收，主要是用于合成细胞的核酸，本研究发现，藻类在高磷 条件下，对p 的吸收并不能一直保持较高水平。这可能是由于藻类的生长并不 能赶上磷的吸收，藻类将污水中的磷吸收进体内，但是自己的细胞分裂并不能 赶上磷的吸收，这就造成了磷在藻类体内的积累，当藻类体内的磷积累到一定 程度时，藻类对外界p 的吸收就大大减少了。 4 5 本试验系统与几种常见藻类处理系统的对比 4 。5 1 几种常见藻类处理系统简介 高效藻类塘污水处理系统：高效藻类塘是悬浮藻类污水处理系统的典型代 表。高效藻类塘是从传统氧化塘演化过来的f 1 2 】，与传统塘系统的主要区别体现 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 在以下几个方面：塘更浅，一般为0 3 - - - 0 6 m ，而传统塘系统的其深度根据类型 不同一般在0 5 - 2 0 m ；污水停留时间更短，随季节变化为4 1 0 天，一般小于 1 2 天，比一般的塘系统短7 l o 倍；有一垂直于塘内廊道的连续搅拌装置；通 常把塘分成几个狭长的廊道，因而高效藻类塘的宽度一般较窄。高效藻类塘的 结构特点有利于促进藻类生长，从而能最大限度地利用藻类所产生的氧气，因 而将其称为高效藻类塘。到目前为止，几乎所有的用于污水处理的藻类系统就 是普通氧化塘和高效藻类塘。它们在城市和农业污水中b o d 、t s s 、n 、p 和金 属的去除方面，显示出较高的处理效果【4 7 4 8 1 。而且h r a p 系统中的藻类收获后 可达到资源回收的效果。有报道证实，利用微藻回收畜牧粪便的n 是可行性的 【l 引。h r a p 系统的细节及最优设计各种参数的标准( 规模大小、污水深度、水 力负荷、污水流速等) 已非常成熟，并在不断修改和完善。h r a p 在一年的运 行中，藻类多样性比较低( 通常少于1 2 种) ，小球藻属( 增代时间短) 和栅藻 属( 对捕食有较强的抗性) 在一年的不同时间里分别在藻类群落中占优势 4 9 】。 科学家们在h r a p 的建模方面做了相当多的工作，其目的包括预测藻类生物量 的浓度、藻类生产力、以及藻类放氧能力；分析设计上参数对运行成本的影响【5 0 】； 最优化藻类生产力，探索系统去除磷的机制 5 1 】等。动态的计算机模型揭示了 h r a p 系统中藻类营养吸收动力学以及藻类代谢的细节，并可以精确预测藻类 生产力和污水处理效果【5 引。可以说h r a p 现在已经相当成熟。 固定化藻类污水处理系统：自上世纪8 0 年代以来，许多学者进行了有益的 尝试。藻类细胞固定主要采用吸附法和包埋法，一般采用的载体材料有褐藻酸 钙、角叉菜聚糖、琼脂、聚丙烯酰胺、多孔硅胶、聚乙烯和聚氨基甲酸乙酯泡 沫等。陈耀璋等在氧化塘中设置软性填料，吸附固定多种藻类形成藻膜，从而 使氧化塘氨氮去除率提高到8 2 或9 0 以上( 2 0 ) ，停留时间缩短到2 d 。 由于吸附法固定的藻类很容易脱落，包埋法继而成为目前研究最多的固定方法。 几乎所有的研究都指出，固定化藻类只有在一定的温度、p h 和光强范围内才能 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 快速去除污水氮磷 1 2 1 。很多试验表明固定化藻类在小于2 4 h 的期间里n 、p 的 去除率大于9 0 。用于固定的藻类很多，一些蓝藻和绿藻都曾运用于此技术， 其中包括鱼腥藻、席藻、螺旋藻、衣藻、小球藻和栅藻。角叉菜聚糖，壳多糖 和褐藻酸钙可作为载体用于藻类固定化系统。对这些载体进行比较发现，壳多 糖能提高对阴离子的去除效果，而角叉菜聚糖则能提高对阳离子的去除效果。 运用固定化藻类去除重金属也有报道，d ac o s t a 的研究证明，固定化藻类对镉 和锌的去除率几乎可达1 0 0 0 6 0 5 3 1 。 水力藻类床( a t s ) 污水处理系统：a t s ( a l g a lt u r f s c r u b b e r s ) 成为最常见 的着生藻类处理系统。最简单的a t s 体系由三部分组成：供着生藻类生长的载 体、波浪和光照。a t s 在设计上的特点就是促进污水的自净过程，其净水原理 是让污水以浅水溪流的方式流经稍稍倾斜沟渠，沟渠表面是由天然的异质性着 生藻类构成的集合体，这些藻类包括蓝藻、丝状绿藻、附植硅藻以及真菌和好 氧细菌。藻类的光合作用为异养菌提供氧气用于对废水中的物质进行需氧分解。 同时，污水中的污染物通过吸收、吸附、过滤和沉淀等过程而得到去除。周期 性地对藻类进行收获，既可去除过密积累的藻类细胞，亦可带走部分连带的污 染物。a t s 一般用于经过二级处理而营