（环境科学专业论文）固定化硝化反硝化菌对富营养化水体原位脱氮技术的研究.pdf

a bs t r a c t a tp r e s e n t ，e u t r o p h i c a t i o nh a sb e e ns e r i o u sd a yb yd a y , s oa ne c o n o m i ca n d e f f e c t i v er e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yi sc r i t i c a l l yn e e d e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h i sp a p e r t r i e st om a k ea n i m p r o v e m e n ti n t h i s f i e l d c o i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m d e n i t r i f i c a t i o na n di t sa p p l i c a t i o no fi ns i t ur e m e d i a t i o ni na ne n t r o p h i cw a t e r b o d y w e r es t u d i e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w e d ： n i t r o b a c t e r i aa n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r ea c t i v a t e da n de n r i c h e df i r s t l y d u r i n gt h i sp r o c e s s ，n i t r o b a c t e r i ar e m o v e da m m o n i an i t r o g e ne f f i c i e n t l ya n dt h e r e m o v a lr a t ek e p ts t e a d i l ya n dw a sa b o v e9 0 a f t e r2 3d a yc u l t i v a t i o ni nag i v e n c u l t u r em e d i u ma n dc o n d i t i o n s a sf o rd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a , n i t r a t er e m o v a lr a t ew a s s t e a d y g o i n ga n du pt o9 0 a f t e r8w e e kc u l t i v a t i o n n i t r i t er e g r e s s e da f t e ra s h o r t l i v e da c c u m u l a t i o ni nt h ep r o c e s s ，a n dt h i si sp r o b a b l yr e l a t e dt op ha n dc a r b o n s o u r c e t h e r e f o r e ，m o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so fp h a n dc a r b o ns o u r c e e n t r a p p i n gm e t h o d sw i t hp o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) c a r r i e ra n ds o d i u ma l g i n a t e ( s a ) c a r d e rw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o no fi m m o b i l i z a t i o n w i t hp v ac a r d e ra p p e a r e dw h e nc o n c e n t r a t i o n so fp v a s aa n da c t i v ec a r b o nw e r e 7 5 o 5 a n dl r e s p e c t i v e l yw i t h2 4 hc r o s s l i n kt i m e a n dt h a tt h eo p t i m a l c o n d i t i o n so fi m m o b i l i z a t i o nw i t hs ac a r r i e ro c c u r r e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so fs a ， a c t i v ec a r b o na n dc a c l 2w e r e4 ，l a n d4 r e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h e c a p a b i l i t yo fi m m o b i l i z e db e a d s ，e n t r a p m e n tw i t hp v ac a r r i e ri ss u p e r i o rt ot h a tw i t h s ac a r d e ra sw a ss h o w ni nt h ee x p e r i m e n t t h r e ek i n d so fi m m o b i l i z a t i o nb e a d sw i t hp v ac a r r i e rw e r em a d eo fn i t r i r y i n g b a c t e r i aa n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa tt h er a t i oo f1 ：1 2 ：1a n d3 ：1r e s p e c t i v e l y t h e nt h e f e a s i b i l i t yo fn i t r a t er e m o v a lb yt h et h r e ed i f f e r e n ti m m o b i l i z a t i o nb e a d sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t o t a ln i t r o g e na n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t e so f i m m o b i l i z a t i o nb e a d sw i t hr a t i oo f2 ：1w e r eh i g h e rt h a nt h eo t h e rt w om a r k e d l y t h ed e n i t r i f i c a t i o no fi n s i t ub i o r e m e d i a t i o ni nae u t r o p h i cw a t e r b o d yb y c o - i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mw a ss t u d i e d t h er e s u l t so ff i e l dm o n i t o r i n gs h o w e d t h a tc o n c e n t r a t i o n so ft na n dt pr a n g e df r o m4 1t o6 2m g l a n d0 12t oo 18m g l r e s p e c t i v e l y , a n dp hr a n g e df r o m8 5t o9 2 ，w h i c hi n d i c a t e dt h ew a t e rw a se u t r o p h i c s e r i o u s l y t h r e em o n i t o r i n gs y s t e m sw e r es e tu pt os t u d yt h ec h a n g et r e n do fn i t r o g e n t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t e do fs u r f a c es e d i m e n t sa n dt h eo v e r l y i n gw a t e r , a n dt h e o t h e rt w oe n v i r o n m e n t sm a d eb y a d d i n gc u l t i v a t e db a c t e r i aa n dc o - i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s mi nt h em i x t u r e ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt nc o n c e n t r a t i o n i nt h ec o n t r o ls y s t e md e c r e a s e db y3 4 ( f r o m14 0m 【e d lt o9 2m g l ) ，i n d i c a t i n gt h a t t h ew a t e r b o d yh a st h es e l f - r e p a i r i n gc a p a b i l i t ya n dc a nk e e pb a l a n c et oad e g r e e a s f o rt h eo t h e rt w os y s t e m s ，5d a y sl a t e r , t nr e m o v a le f f i c i e n c yo fi m m o b i l i z e db e a d s w a s5 9 w h e r e a st h a to ft h ec u l t i v a t e db a c t e r i aw a s31 m e r e l y 7d a y sl a t e r , n h ；- nr e m o v a le f f i c i e n c yo fi m m o b i l i z e db e a d sw a s9 8 ，w h i l et h a to fc u l t i v a t e d b a c t e r i aw a sal i t t l el o w e r ( 9 4 ) t h e r ew a sn oa c c u m u l a t i o no fn 0 3 - na n dn 0 2 一n i nt h e s y s t e m o fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m ，w h i l et h e r ew a sal o n g - t i m e a c c u m u l a t i o no fn 0 3 。- na n dn 0 2 。- ni nt h es y s t e mw i t hc u l t i v a t e db a c t e r i a k e y w o r d s e u t r o p h i c a t i o n ，l a k e ，c o i m m o b i l i z e db a c t e r i a , i n s i t ur e m e d i a t i o n n i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：私建望箩 签字日期：7 7 年占月，乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权本鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：坛熟 签字日期：确9 年易月，够日 导师签名： 签字日期砷年6 月f 牛日 天津大学硕 j 学位论文第一章绪论 1 1 我国水资源现状 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 1 我国水资源及利用概况 水是地球上最宝贵的财富，是人类和一切生物生存和发展必不可少、不可替 代的物质。目前，地球上的水资源约为l3 8 xl0 8k m 3 【卜引，其中淡水资源仅占2 5 ，约0 3 5 x 1 0 8k m 3 ，而地表水的一半存在于深度高于8 0 0m 的地下蓄水层中。 江河与湖泊的淡水和浅层地表水大约为3 0 0 x 1 0 4k m 3 ，仅占地球总水量的0 2 m 】，这一部分水是可供人们利用的，综合看来，真正可以用于人类生活和生产 的水资源，实际上只是全球水量中的极少部分【6 j 。在2 0 0 1 年3 月2 2 日世界水日 到来之际，联合国环境规划署发表的报告强调指出世界水危机已严重威胁人类生 存，全世界1 5 以上的人口面临“中高度到高度缺水的压力”，全球已经发出缺水 警报【7 1 。 我国人均淡水资源只有2 3 5 0m 3 a ，约为世界人均量的1 4 ，居世界第8 8 位， 被联合国卫生组织列为1 3 个贫水国之一。我国不仅水资源短缺，且分布不均。 长江以北，中国2 5 的人口中，人均淡水资源只有7 0 0m 3 ，占3 8 耕地的南方 拥有全国8 3 的水资源，而黄河、淮河、海河、辽河流域虽占有4 2 的耕地， 却只有9 的水资源。 据统计，我国有3 0 0 个城市缺水，5 0 多个城市严重缺水，有1 8 0 个城市平 均日缺水1 2 0 0 x 1 0 4m 3 。我国目前水资源缺口为4 0 0 x 1 0 8m 3 ，仅四川一个省就缺 水8 1 x 1 0 8m 3 。随着人口的不断增长和工业的快速发展，到2 l 世纪中叶，我国的 用水量预计达到8 0 0 0 x 1 0 8m 3 多，占到我国可利用水资源的2 8 。按照国际惯例， 一个国家的用水量达到该国水资源的2 8 时，易产生水危机。亦即到2 1 世纪中 叶，我国将面临着有史以来最为严重的水资源危机，它将是2 1 世纪影响我国经 济可持续增长的第一制约因素。 我国淡水资源本来就十分短缺，然而却又面临着非常严重的浪费现象。工业 用水重复利用率低，仅为2 0 - - 4 0 ，单位产品用水定额高于发达国家的1 0 倍以 上，农业用水利用率近4 0 - - - 5 0 ，用水定额高达1 5 0 0 0m 3 ( h m z a ) ，水的浪费 现象十分惊人博j 。国家环保局的一份报告显示，2 0 0 0 年全国排放污水达6 0 0 亿 m 3 ，其中8 0 没有经过处理，造成全国9 0 以上城市水域污染严重，6 3 0 多座城 天津大学硕士学位论文第章绪论 市近3 亿居民生活因此受到影响。相对于发达国家来说，我国海水利用率也很低， 只有8 5 1 0 8 m 3 ，而日本为1 2 0 0 x 1 0 8 m 3 ，美国的工业用水中有1 3 利用了海水。 总之，我国的低用水率更加剧了水资源的短缺并造成了有限水资源的严重污染， 使我国优质水资源日趋短缺、锐减，自2 0 世纪8 0 年代末以来，我国水体富营养 化日趋加剧，水产养殖面积减产、海洋生物死亡，严重威胁着经济发展和人们的 生活质量。 1 1 2 水体富营养化现状及其危害 在2 0 0 0 年，美国对本国的河口富营养化做调查发现，6 5 的水域都达到了 中营养化和富营养化，最为显著的地带是墨西哥海湾到大西洋的中部地带【9 】。 2 0 0 4 年，英国环境署对本国河流状况的调查表明，5 3 河流的磷浓度已超过了 0 1m g l ，2 9 河流的氮浓度超过了3 0m g t , t l o j 。 目前，我国的水资源污染状况也十分严峻，从1 9 8 9 年至2 0 0 5 年中国环境 状况公报中对七大水系( 长江、黄河、珠江、淮河、松花江、海河、辽河) 、 海域和全国主要湖泊的监测结果可以看出，氨氮已成为主要污染物之一，并且呈 逐年增加的趋势。在近十年来的水质监测资料的基础上，对我国6 7 个主要湖泊 的富营养状况现状评价如表卜1 和表1 2 。从表中可以看出，有8 0 以上的湖泊 面积受到污染( i v 劣v 类) ，从湖泊数量上来看，有近3 4 的湖泊已达富营养程 度，表明当前我同湖泊水质污染十分严峻j 。特别值得重视的是，近十几年来， 我国富营养化的湖泊、水库的比例已经从5 0 上升到5 5 左右，而贫营养化的 湖泊、水库的比例由3 2 减少到了0 5 3 8 , 1 2 1 。 表1 12 0 0 0 年代初中国主要湖泊水质类别评价结果统计 2 天津大学硕： j 学位论文第一章绪论 湖泊个数( 个) 占调查数量的百分比( ) 湖泊面积( k m 2 ) 占调杏数罱的百分比( ) 1 8 2 6 9 7 0 1 3 1 3 7 6 水体中的氮的来源是多方面的，主要由城市生活污水、工业废水和农业灌溉 污水组成。城市生活污水中的氮主要由厨房冲洗、厕所冲洗、淋浴、洗衣等带入， 城市垃圾的渗滤液中也含有较高的氮；人工合成的含氮化肥是水体中氨氮营养元 素的主要来源，目前，我国的氮肥产量居世界首位，据统计，我国化工废水仅有 7 2 的处理率，而这7 2 的处理率中又只有5 l 左右的处理出水能达标排放，因 此，我国因工业废水排入水体的氮是十分可观的；农业上主要是大量施用氮肥和 有机氮农药，随雨水冲淋、农业排水和地表径流流入河道等水体中。氮、磷是植 物和微生物的主要营养物质，当水体中氮、磷积累到一定水平，即会促使水生植 物旺盛生长，形成营养化污染。一般认为，水体富营养化的指标是：水体中含氮 量大于0 2m g l 、含磷量大于0 0 1 - 0 0 2m g l 、生化需氧量( b i o - c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ，b o d s ) 大于1 0m g l 。 富营养化的危害很大，意义深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类 健康，其主要危害有： ( 1 ) 使水味变得难闻。水体富营养化后会引起某些藻类的恶性繁殖，一方 面有些藻类本身的藻腥味会引起水质恶化，使水体变得腥臭难闻，特别在春末和 夏季，秋天温度较高的时期，水藻大量增殖，成团的藻类死亡分解腐烂时，经过 放线菌等微生物的分解作用，使这些水藻散发出更加浓烈的使人恶心的腥臭，并 且向四周的空气中扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉， 同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水的质量。 ( 2 ) 降低水体的透明度。在富营养水体中，大量水藻特别是优势种类蓝藻、 绿藻浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”。经过风吹，绿色浮渣不断被密集、浓 缩，看上去就像一湖绿色的“豌豆汤”，从而使水质变得浑浊，透明度降低，富营 养化严重时透明度仅0 2m ，湖水感官性状大大下降。在我国的巢湖，这种情况 相当典型i j 引。 ( 3 ) 向水体中释放有毒物质，危害人类及生物的生存。富营养化水体中许 多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物，而且对人类健康产生严重 影响。蓝藻中的丝状藻类如微囊藻属( m i c r o c y s t i s ) 等及其他藻类如海生腰鞭毛 钙 卯 m i 窖 8弱 钞 眈 似 天津大学硕二i j 学位论文第一章绪论 目生物( d i n o f l a g e l l a t a ) 所产生的毒素会富集在水产物体内，并通过食物链影响 人体的健康，引起严重的胃病甚至死亡。 4 消耗水体的溶解氧。在富营养湖泊深层，由于表层藻类阻隔阳光，致使 深层水体中藻类的光合作用明显受限而减弱，从而减少了溶解氧的来源。同时， 湖泊藻类死亡后沉积到湖底并且不断腐烂，也会消耗溶解氧。另外还原态氮排入 水体会因硝化作用而耗去大量氧，lm o ln h 3 氧化成2m o l n 0 3 需消耗2m o i 0 2 i l 引。 这些因素将使鱼类等需氧生物凶缺氧而窒息死亡，导致水产养殖减产，甚至完全 破产。 5 影响供水水质并增加饮用水处理的困难。湖泊和水库是重要的城市供水 水源，约占我国城市日供水量的四分之一。被氮素严重污染的水体，会给水的净 化处理带来许多困难，进而严重影响饮用水水质( 当饮用水中硝化氮超过1 0m g l 会引起婴儿的高铁血红蛋白症) i s 】。首先是在夏日高温季节藻类增殖旺盛，过量 的藻类堵塞滤池，而且还会穿透滤池在配水系统中繁殖，破坏其正常运行。其次 藻类分泌的有机物会妨碍絮凝作用，导致出水混浊，并且经分解生成难以降解的 腐殖质，即“三卤甲烷( t h m ) 前驱物”，如用氯消毒即生成具有“三致”效应的总 三卤甲烷( t t h m ) 。最后在水厂加氯消毒时，水体中少量氨会使加氯量成倍增 加，此外，脱色、除臭、除味的化学药剂投加量亦会增加酬。 6 对水生生态的影响。在富营养化水体中，伴随着藻类和植物的过度繁殖 和对优势地位的控制，一些对环境敏感且具有高度保护价值的物种将逐步消失， 另一些物种则显著增加，这样会使水生生物的稳定性和多样性降低，最终导致水 体中生态平衡的破坏【1 7 j 。 1 2 富营养化水体修复技术现状 近年来，水环境污染和水体富营养化的问题日益严重，而氮、磷是引起水体 富营养化的主要因素。随着公众环境保护意识的提高，国内外对氮、磷排放的限 制标准越来越严格，因此，研究开发先进实用、造价低廉的预防治理富营养化水 体的修复技术迫在眉睫，是社会发展及生态环境建设的迫切需要，已成为水环境 领域的研究重点和热点。 目前，国内外对湖泊富营养化的修复技术主要分为3 大类：一是营养盐控制， 这是传统的富营养化控制措施，对于外源性污染采取截污、污水改道和污水除磷； 对于内源性污染采取疏挖底泥、营养盐钝化、底层曝气、稀释冲刷、调解湖水氮 磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措施。二是直接除藻，通常采用混凝 沉淀、机械打捞等方法控制藻类生长，也可采用杀藻剂杀死藻类，从而消除湖面 4 天津大学硕i ：学位论文 第一章绪论 “水华”现象。三是生物调控和生态恢复，以浮游动物、鱼类控制浮游植物，以水 生高等植物控制水体营养盐，同时结合环境工程和生态工程，恢复受损的生态系 统，提高水体的自净能力【1 8 l 。 1 2 1 营养盐控制 ( 1 ) 底泥清淤法 水体沉积物为水生生物提供重要的栖息生境，是水环境是生态系统中的重要 组成成分。沉积物在水环境中具有两方面的重要功能：一方面，沉积物是水环境 中污染物的主要蓄积库，进入水环境的污染物大部分会迅速转移到沉积物中；另 一方面，污染物在水生食物链中的转移和积累在很大程度上受到沉积物的影响， 尤其是底栖生物可能从沉积物中富集重金属及其他污染物。沉积物中的大量污染 物，在水体环境发生变化时，底泥中的营养盐会重新释放出来进入水体，是导致 水体污染的一个不可忽视的重要污染源。因此，可以采取疏浚等手段降低底泥的 释放风险，以及降低水体的内源污染负荷量。为此，国务院批准实施太湖水污染 防治“九五”计划及2 0 1 0 年规划和“十五”计划，规划将太湖底泥的生态疏浚作为 重要综合治理工程之一，并选择五里湖、梅梁湾等典型水域，实施工程规模的综 合技术措施，探索湖泊污染控制技术研究和治理的新机制，努力用高科技澄清太 湖水。2 0 0 2 年对五里湖区底泥进行清淤，清淤面积5 6 0k m 2 ，清淤总量2 4 0 1 万 m 3 ，平均清淤厚度0 4 3c m ，沈亦龙等对清淤前后湖区水质、水生生物及底泥成 分进行分析，结果表明：五里湖底泥疏浚后，湖区水质发生好转，高锰酸钾指数 和总磷含量呈逐渐下降趋势，下降幅度分别达1 8 和4 0 ，叶绿素a 也有明显下 降，全年平均在2 5 “g l l 驯。 但是，由于五里湖区生态系统破坏严重，外源污染也未得到有效控制，清淤 作为单一的治理措施难以从根本上改变五里湖富营养化的问题。王国祥【2 0 1 、韩伟 明【2 l 】等对西湖富营养化治理试验也表明，清淤挖泥对改善西湖富营养化水质效果 并不明显。沈亦龙1 2 2 j 指出，外源污染的控制以及生态系统的修复，仍然是今后有 待进一步解决的问题。另外，底泥清淤还存在2 个问题：一是成本高，以昆明滇 池草海为例，近年来共挖掘底泥4 0 0 万t ，耗资2 5 亿元，折合6 2 5 元t 1 2 3 】：二是 不能从根本上控制湖泊富营养化。考虑到成本和底泥的处置，李晖等【2 4 】指出底泥 疏浚多用于浅水湖泊、水库及河流。 ( 2 ) 冲刷稀释 引水冲刷稀释是采取引水冲污稀释污染水体，增加流域水资源量，加快污 染水体流动，加强水体白净功能，提高水环境承载能力，是在有限水资源经济效 益、社会效益得到保障的条件下，最大程度地发挥环境效益。引水冲刷稀释在 天津大学硕士学位论文第- 章绪论 国内外水污染控制中得到广泛运用，取得了良好的效果。引水的直接作用是加快 水体交换，稀释营养物质浓度，减少藻类生长的营养物质供给源，蓝藻、绿藻生 长受到限制，对控制水华现象，提高水体透明度都有一定作用。裴洪平1 2 5 l 等采用 因子分析法得出：引水工程对改善西湖水质有一定作用，但还需结合其它治理方 法并行实施。 采用引水冲洗的方法治理富营养化水体简便且见效快，但是水体内的氮、磷 营养物的绝对量并没有减少，而且成本也很可观，许多水资源紧缺的地方根本无 法采用。因此该方法对治理小型水体有较好的效果，但对于大型水体，由于投资 大无法实现长期的引水冲洗，而短期引水治理效果不明显。 ( 3 ) 深水曝气 污染水体在接纳大量的有机污染物后，有机物大量分解将造成水体溶解氧浓 度急剧降低，甚至出现厌氧状态，导致溶解盐释放以及臭味气体产生。深水曝气 ( a e r a t i o ni nd e e ps i t e ) 是通过人工曝气，使水体底层溶解氧得以恢复，主要目的 有：第一，在不改变水体分层的状态下提高溶解氧浓度，使溶解铁、锰、硫化氢、 二氧化碳、氨氮以及其他还原组分浓度大为降低：第二，改善生长环境和增加食 物供给；第三，使水与底泥界面之间经常保持有氧状态，不出现厌氧层，控制底 泥中磷的释放，从而改善水质。这种办法往往适用于小型水体，据文献报道荷兰、 英国等国家曾将其应用于小型湖泊、水库，收到较好效果，而在大型湖泊则受到 经济技术条件的限制而难以奏效 2 6 - - 2 7 。 1 2 2 机械化学除藻法 水体富营养化最直接的表现就是蓝藻水华的爆发。蓝藻是水中的浮游植物， 当水中的氮、磷等营养盐浓度大量增加后，为其快速繁殖提供了有利的条件，加 上适度的温度、光照等条件，形成蓝藻爆发性生长，漂浮在水面上，从而形成水 华。大量的蓝藻水华堆积死亡后，还会分解产生对人体及水体生态系统有害的藻 毒素。蓝藻水华的爆发直接危害到滨湖城镇的供水。2 0 世纪9 0 年代初，太湖北 部紧邻无锡市的梅梁湾因水华大爆发而导致1 0 0 多家工厂停产，直接经济损失达 1 3 亿元【1 9 】。 目前世界范围内治理蓝藻方法有人工打捞法、黏土絮凝法、化学除藻法等。 黏土的主要成分为硅酸盐，同陶瓷相同，不会对水环境造成污染，并且近几年改 良后的黏土用量少、效果好，比生物治理成本较低。 2 0 0 5 年7 月，玄武湖蓝藻爆发时，采用黏土絮凝对水域进行应急治理，取 得了较好的成效。黏土絮凝法利用改性黏土对藻细胞的凝聚作用，吸附湖面上的 蓝藻沉人湖底，由于蓝藻是靠光合作用进行繁殖的浮游生物，沉人湖底就无法继 6 天津大学硕：学位论文第一章绪论 续生存；同时，用酸来改变水体p h 值。经过治理，包括蓝藻在内的大量浮游植 物被絮凝，沉降到了湖底，湖水中悬浮物质减少了，湖水透明度升高到了2 9 7 l c m 不等f 2 8 j 。 然而使用化学除藻法会对水体的生物系统造成破坏，具有很大的危险性，故 要谨慎使用。 1 2 3 生物方法、 生物修复是利用生物将土壤、水体中的污染物降解或去除，从而修复受污染 环境的一个受控或自发进行的过程。目前已成功应用于底泥、地下水、河道和近 海洋面的污染治理1 2 1 1 ，是最具有发展前景的丰体修复技术。2 0 世纪8 0 年代以 来，富营养化水体生物修复技术不断取得新的进展，主要包括微生物修复、水生 植物修复、生态修复等几大类，具体的修复技术有投加菌种、投加营养物、提高 生物可利用性、人工投放动物或植入植物等f 3 2 0 3 1 。 ( 1 ) 微生物修复 微生物修复主要是利用天然存在的或特别培养的微生物，在可调控环境条件 下，促进或强化在天然条件下原本发生很慢或不能发生的降解反应能够快速有效 地进行，从而将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术 3 4 o 对比传统的处理工艺， 利用基因工程菌对水体生物进行修复具有处理费用低、操作简便、二次污染小、 生态综合效益明显、处理效果显著等特点。沈士德【3 5 j 将基因工程菌用于治理徐州 市黄河故道的富营养化水体，试验结果表明，在消氮细菌和沉降细菌作用下，水 中的c o d 、氨氮等指标值明显降低，随着水中藻类的减少和下沉，水体的浊度明 显下降，从而改善了水体的景观。经研究认为该方法经济可行，这为处理生活污 水和小型湖库的富营养化，提供了可借鉴的方法1 3 6 j 。目前在生物修复中被广泛应 用的微生物还有高效降解茵，其大多系多种微生物混合而成的复合菌群，其中不 少已被制成商业化产品。如光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，p s b ) ，这是一类在 厌氧光照下进行不产氧光合作用的原核生物的总称，它在厌氧光照及好氧黑暗条 件下都能以有机物为基质进行代谢和生长，因此对有机物有很强的降解转化能 力，同时对硫、氮元素的转化也起了很大的作用。在生物修复工程中大多应用土 著微生物，其原因一方面是由于土著微生物生物降解的潜力巨大，另一方面是接 种的微生物在环境中难以保持较高的活性，此外工程菌因其安全性等原因应用受 到较严格的限制，引进外来微生物和工程菌时必须注意这些微生物对当地土著微 生物的影响。微生物修复的特点是利用游离优势菌的降解作用，因此，氮污染微 生物修复技术存在下面的问题：1 ) 硝化细菌是自养菌，生长缓慢，在混合培养 中无法与异养菌竞争，难以取得生长优势；2 ) 硝化细菌易受外界环境的影响， 天津大学硕二f ：学位论文 第一章绪论 对环境冲击尤其是有毒物质，非常敏感，而重新恢复又很困难；3 ) 硝化、反硝 化过程难以在空间和时间上统一，脱氮效率低等f 3 刀。为了解决上述不足和缺点， 近年来，人们将固定化技术逐步引入到微生物修复工艺中，取得显著效梨弧3 9 1 。 微生物固定化修复技术( i m m o b i l i z e dm i c r o b er e m e d i a t i o n ，i m r ) 主要特点 亦即优点是对完整的微生物细胞进行固定，可避免人为破坏生物酶的活性和牛化 反应的稳定性；可提高单位体积水体内微生物细胞密度，并可加快细胞的流动速 率，在稀释率高于微生物生长率的情况下，能够有效地解决污染环境修复问题； 固定化后的微生物能长期保持活性，固定化颗粒可重复使用，可节省投资；固定 化细胞颗粒的微环境有利于屏蔽被修复水体中土著菌、噬菌体和毒性物质对微生 物体的恶性竞争、吞噬和毒害，使其在复杂环境中和激烈的操作条件下稳定地发 挥高效能。对于污染物浓度较低、空间分布区域广、水力条件变化不显著的缓流 或静止地表水体而言，i m r 技术无疑具有特殊的技术优势和光明的应用前景【4 0 1 。 ( 2 ) 水生植物修复 水生植物对污染水体环境扰动小，有较高的美化环境价值，因此，在污染水 体中种植对污染物吸收能力强且耐性好的植物，应用植物对污染物的吸附、吸收、 富集和降解( 植物根系根系微生物的联合作用) 等，将水体中污染物去除或固 定，从而实现水体修复的目鲥4 。对已经富营养化的水体，要逐步恢复已经富营 养化的水体，要逐步恢复以沉水植物为主的水生植被，包括漂流植被，挺水植被 和浮游植被，利用水体沿岸浅滩的植物和微生物的作用，形成人工净化生态系统； 通过根际系统的净化，提高水体的生态环境质量。目前，一般是通过在水体中种 植或恢复莲藕、凤尾莲等水生植物来吸收水中的营养物质，通过它们的迅速生长， 大量消耗水中的营养物质，降低水中的营养水平【4 2 1 。但是利用水生植物修复有一 定局限性，如不能去除处于植物根部深层的污染物，而且污染物的毒性可能影响 植物的生长，恢复过程比较缓慢；部分水生植物不耐寒，难以越冬，使得利用其 净化富营养化水体的生态工程不能在冬季进行；由于生长迅速，短时间内即可铺 满整个水面，导致水体采光面积降低，阻隔复氧，加剧水体富营养化，产生负面 影响；另外，收集后的植物如何进行资源化利用或妥善处置也是一个值得研究的 问题4 3 1 。 ( 3 ) 生物操纵法 生物操纵( b i o m a n i p u l a t i o n ) 就是利用生态系统食物链摄取原理和生物的相生 相克关系，通过改变水体的生物群落结构来达到改善水质、恢复生态平衡的目的。 主要原理是调整鱼群结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而控制藻类的过 量生长。其修复效果持久、成本低且无二次污染，完全符合可持续发展的原则。 这种方法不是直接减少营养盐负荷以改善水质，而是通过减少藻类生物量的途径 天津人学硕 ：学位论文第。章绪论 达到减少营养盐负荷的效果，效益可持续多年。事实证明该项技术在改善湖泊水 质方面是行之有效的。 刘春光1 删等认为，同其他的生态修复方法一样，在进行生物操纵修复之前要 对湖泊或水库进行全面的生态调查，确定该方法的可行性，如水体的各项水质参 数、生态参数、底质参数，还要对放养鱼类后对水体和其他水生物可能产生的影 响做出预测和评价，要注意土著鱼种的保护，避免不正确的引入造成生态系统结 构与功能的改变，由于不同湖泊的形态、水质以及功能有着很大的区别，一个湖 泊使用的操纵方法很可能不适用于另一个湖泊。因此，针对不同的富营养化湖泊， 如何使用生物操纵法获得成功并得以长期维持，还是研究者和管理者需要共同解 决的问题1 4 5 。 1 3 同步硝化反硝化技术及其应用现状 传统脱氮理论认为，硝化与反硝化反应不能同时发生，硝化反应在好氧条件 下进行，而反硝化反应在缺氧条件下完成。现行的生物脱氮工艺是把硝化和反硝 化作为两个独立的阶段分别安排在不同的反应器中( 空间上) 或者利用间歇的好 氧和厌氧条件( 时间上) 实现氮的去除，往往造成系统复杂，能耗较大，而且运 行管理困难【4 鲥7 】。硝化反应式为： 2n h 4 + + 30 2 墅塑2n 0 2 + 4h + + 2h 2 0 2n 0 2 。+ 0 2 鸿2n 0 3 。 硝化反应总反应式为： 2n h 4 + + 40 2 型马2n 0 3 。+ 4h r + 2h 2 0 在反硝化反应中，主要以异化反硝化作用为主，以c h 3 0 h 为碳源为例，反 应式为： 6n 0 3 。+ 2c h 3 0 h 专6n 0 2 。+ 2c 0 2 + 4h 2 0 6n 0 2 - + 3c h 3 0 h 3n 2 + 3c 0 2 + 3h 2 0 + 6o h 。 异化反硝化反应总反应式为： 6n 0 3 + 5c h 3 0 h - - 9 , 3n 2 + 5c 0 2 + 7 h 2 0 + 6o h 而同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 可 以实现在同一系统中同步硝化反硝化过程，是近年来国内外积极研究开发的一种 新型生物脱氮技术。 同步硝化反硝化不仅可以克服传统生物脱氮存在的问题，还具有以下优点： 硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中n 0 3 - n 的积 累，加速了硝化反应的速度；如果能将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段并直接由亚 9 天津大学硕士学位论文第章绪论 硝酸盐进行反硝化，实现亚硝酸型硝化反硝化的途径即可避免n 0 2 - n 氧化成 n 0 3 - - n 及n 0 3 - - n 再还原成n 0 2 。- n 这两个多余的反应，这样从上述公式中可以知 道，在好氧阶段就可以节省约2 5 的0 2 ，在缺氧阶段可减少4 0 的有机碳源； 反硝化反应中所释放出的碱度可部分补偿硝化反应所消耗的碱，使系统中p h 值 相对稳定；此外，同步硝化反硝化意味着两种反应可在相同的反应器和相同的条 件下进行，若能保证在好氧条件下硝化反硝化反应同时进行，则能简化操作难度， 节省实现完全硝化、反硝化所需耗费的时间。 对同步硝化反硝化形成机理主要有三个方面，即宏观环境理论，微环境理论， 微生物学理论。其中，缺氧微环境理论从物理学角度解释s n d 现象，是目前已 被普遍接受的一种机理，被认为是s n d 发生的主要原因。本文主要从微环境理 论来阐述同步硝化反硝化形成机理。 从微环境理论来看，由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生了d o 梯度， 在微生物絮体外表面d o 较高，以好氧硝化菌及氨化菌为主；深入絮体内部，由 于氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生了缺氧区，反硝化菌占优势，导致反硝 化反应的发生，从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境，一般而言，在好 氧性环境占主导地位的微生物系统中，会存在不同状态的微环境，系统中各种缺 氧微环境的形成有赖于系统中d o 的浓度以及微生物的絮体结构特征，因此，控 制系统中的d o 浓度和微生物絮体结构，对能否进行好氧条件下反硝化及其发生 程度至关重要。微生物絮体反应区的分布和底物浓度的变化见图1 1 。 图1 一l 微生物絮体反应区和基质浓度示意图 l o 呔 电 b o d 氨氮 氧气 亚硝氮 天津大学硕士学位论文第章绪论 十余年来，国内外一些工作者对s n d 现象进行了大量研究，取得了较多成果。 但是，考虑到污泥絮体结构密实度及适当粒径的活性污泥颗粒对其沉降性能和 s n d 速率高低都有直接影响，因此，科研人员积极利用固定化细胞技术对生物脱 氮过程加以强化，以期为生物脱氮技术注入新活力1 4 9 1 。 1 4 固定化细胞技术及其在脱氮中的应用 1 4 1 固定化细胞技术简介 早在1 9 世纪初叶，人们发现，某些微生物细胞具有一种吸附在固体物质表 面的天然倾向和特殊功能，并以这种方式被束缚，固定起来。当时，曾利用以这 种方式吸附的微生物细胞，在滴滤反应系统内生产醋酸【弘5 1 1 。 从2 0 世纪6 0 年代开始，国际上对固定化酶的研究迅速发展起来，到7 0 年 代，固定化微生物技术引起了人们极大的关注。固定化微生物技术包括固定化酶 技术、固定化细胞技术、固定化藻技术【5 2 1 。近年来，对固定化细胞技术在各领域 的应用研究较多。 所谓固定化细胞技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术，用化学或物理 的方法将游离的细胞定位于限定的空间区域，并使其保持活性：反复利用的方法 p 3 ，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新技术。 1 4 2 固定化细胞的制备方法 固定化细胞的制备方法多种多样，任何一种限制细胞自由流动的技术，都可 以用于制备固定化细胞，目前国内外仍未有统一的分类标准。但总体可分为共价 法、结合法、交联法、吸附法和包埋法等【5 4 5 5 1 。其中，以包埋法应用最广泛 5 6 】。 ( 1 ) 共价法 共价法是微生物细胞表面上的功能团与固相支持物表面的反应基团之间形 成的化学共价键连接而形成固定化细胞的方法。利用此法制备的吲定化细胞，生 物细胞与载体之间的连接键很牢固，使用过程中不会发生脱落，稳定性良好，但 反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛刻【57 1 ，细胞大多死亡。 ( 2 ) 结合法 结合法是利用载体与微生物之间的范德华力将微生物吸附在载体表面而固 定化的方法，该法操作简单、固定化过程对细胞活性的影响小，但所固定的微生 物较易受所用载体的种类及表面积的限制，同时，载体与微生物间的吸附强度也 不够牢固。因此往往采用引入疏水和亲水的配位体后制成载体衍生物，再来固定 天津大学硕i ：学位论文 第一章绪论 化微生物。 ( 3 ) 交联法 交联法与共价法一样，靠化学结合的方法使细胞固定化，是利用两个功能团 以上的试剂直接与微生物细胞表面的反应基团如氨基、烃基等进行交联，形成共 价键来同定微生物。所采用的载体是非水溶性的。如采用戊二醛或偶联苯胺等带 有两个以上的多功能团交联剂与细胞进行交联，可形成固定化细胞，但因反应条 件激烈，对细胞活性影响大而不经常使用。 千烟一郎曾用此法制得具有天门冬氨酸活力的固定化大肠杆菌细胞【5 8 】，也有 人用此法制得具有葡萄糖异构酶活力的固定化细胞。 ( 4 ) 吸附法 很多微生物细胞都具有吸附到固体物质表面或其他细胞表面的功能，这种吸 附功能可以是天生具有的，也可以是经过处理诱导产生的，依靠这种吸附能力， 人们开发了许多廉价而又有效的固定化方法。吸附法包括物理吸附和离子吸附两 类。物理吸附是使用具有高度吸附能力的硅胶、活性炭等吸附剂将微生物吸附到 表面使之固定化。离子吸附则是微生物