（环境工程专业论文）着生藻类去除微污染水体中氮磷的试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 中国的水污染问题十分严重。随着经济的不断发展，人民的生活水平日 益提高，人们对景观用水和饮用水源水等水体水质要求越来越高，微污染水 体的治理越来越被重视。利用着生藻类进行微污染水体净化的研究在我国至 今未见报道，本文以着生藻类为研究对象，以试验为基础进行了着生藻类去 除微污染水体中的氮磷的试验研究。 在着生藻类生长特性的试验研究中，本文将着生藻类接种至人工合成的 污水中进行培养试验，得到下述结论：本文研究的混合着生藻类中以丝状蓝 藻和丝状绿藻为主，着生藻类在人工合成的污水中可以正常的生长，其生长 特性符合一般藻类生长的共性规律。 本文通过不同藻类密度和营养物浓度对着生藻类生长繁殖和n 、p 去除 影响的试验研究分析，得出下述结论：藻类的初始投加量与n 、p 营养物的 去除呈现正相关性，选取适中的投加量以获得更高的去除效率是必要的，试 验中中密度组的单位去除率最高：磷可以成为着生藻类生长的限制性因子， 总磷值过低时藻类生长速率最低，对营养物的去除速率也最慢。而氨氮的限 制性相对较弱，这是因为着生藻类中的某些藻类具有一定的固氮能力，能够 利用空气中的氮源生长繁殖。 本文在着生藻类对水华水藻的去除试验研究中，得出下述结论：着生藻 类对含藻微污染水体具有一定的净化作用，两种藻类混合培养，着生藻类的 生长具有一定的优势，对悬浮藻类的生长有一定的抑制作用，可以作为处理 含藻微污染水体的一种方法。 本文为着生藻类处理微污染水体的理论研究和实践提供了有益的探索。 关键词：着生藻类、微污染、氮磷、含藻污水 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nc h i n a , w a t e ri sh a r d l yp o l l u t e d a st h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt h e i m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v e ，w a t e ru s e di ns i g h ta n dd r i n k i n ga l s on e e d sh i g h e r r e q u e s t t h eq u e s t i o no f 仃e a t i n gw j t l ll i g h tp o l l u t e dw a t e rg e t m o r ei m p o r t a n t s t u d i e so fu s i n ga t t a c h e da l g a et ot r e a tw i t hl i g h tp o l l u t e dw a t e ri sn o ta p p e a ri n n e w s p s p e rs of a r t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c to fr e m o v i n ga m m o n i an i t r o g e n a n dp h o s p h o r u si nl i g h tp o l l u t e dw a t e rb yt h ew a yo fa t t a c h e da l g a ei nl a b o r a t o r y c o n d i t i o n s i nt h es t u d yo fa t t a c h e d a l g a e sg r o w t hr u l e ，a t t a c h e da l g a ei sp u ti n c o m p l e xl i g h tp o l l u t e dw a t e r i ti sr e s e s r c h e dt h a t ：m o s t l ya t t a c h e da l g a ei nt h i s p a p e ri sf i l a c e o u sb u ma l g a ea n dg r e e na l g a e n l e yc a l lg r o wi nc o m p l e xl i g h t p o l l u t e dw a t e rl i k eo t h e ra l g a e t h er e m o v i n ge f f e c t i o no fa t t a c h e da l g a ei nd i f f e r e n td e n s i t yo fa l g a ea n d c o n s i s t e n c eo fa m r n o n i an i t r o g e na n d p h o s p h o r u ss h o w e dt h a t ：h i g ha l g a ed e n s i t y c a ng e th i g hr e m o v i n ge f f i c i e n c y a n dm i d d l e d e n s i t yc a ng e tm a x i m u m a v e r a g e r e r n o v e a le f f i c i e n c y ，s oa p p r o p r i a t ed e n s i t yo fa l g a es h o u l db ec h o s e n p h o s p h o r u s i sal i m i t e df a c t o ri nt h eg r o w t ho fa t t a c h e da l g a e w h e nt pi nl i g h tp o l l u t e d w a t e ri sl o w ，a t t a c h e da l g a eg r o w ss l o w l y , a n dn h 4 - n 、t pr e d u c e ds l o w l ya l s o 。 c m p a r i n gw i t hp h o s p h o r u s ，t h el i m i t i o no fn i t r o g e ni sl i t t l e i ti sb e c a u s es o m e a t t a c h e da l g a ec a l lu s en i t r o g e ni na i rt og r o w 。 i nt h es t u d yo fr e m o v es u s p e n d e da l g a eb ya t t a c h e da l g a e ，i ti sf o u n dt h a t ： a t t a c h e da l g a ec a l lr e m o v es u s p e n d e da l g a ei n l i g h tp o l l u t e dw a t e r w h e n a t t a c h e da l g a ea n ds u s p e n d e da l g a em i x e dt o g e t h e r ，a t t a c h e da l g a eg r o w s d o m i n a n t l y a t t a c h e da l g a ec a nr e s t r a i nt h eg r o w t ho fs u s p e n d e da l g a e s o a t t a c h e da l g a ec a l lb eu s e da saw a yo fr e m o v i n gs u s p e n d e da l g a ei n l i g h t p o l l u t e dw a t e r i nt h i sp a p e r ，i tp r o v i d et h e o r e t i c si n v e s t i g a t i o na n da v a i l a b i l i t ye x p l o r ef o r a t t a c h e da l g a ea p p l i e di nl i g h tp o l l u t e dw a t e rt r e a t m e n t k e yw o r d s ：a t t a c h e da l g a e ；l i g h t p o l l u t e dw a t e r ；a m m o n i an i t r o g e n a n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ；w a t e rw i t ha l g a e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同惹学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阋。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口。在年解密后适用本授权书： 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打扩) 学位论文作者签名： 日期：2 t 妁留，多2 指刷撇够叙 目苎：卅孑石， j 扪67 毡t 沙 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下； 当前，微污染水体的治理问题越来越被重视，利用着生藻类去除微污染 水体中的氮磷营养物和水华水藻的研究在我国开展的还相对较少。本文以试 验为基础研究了着生藻类的生长特性及对微污染水体中的氮磷营养物和水 华水藻的去除作用，通过对试验数据的整理、分析，得到了一些有益的结果 和结论，具有一定的创新性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 水是生命之源，它使地球上的生命得以生存和延续，又使人类文明得以 产生和发展。人类的生产和生活离不开水，但同时又产生大量的各种类型的 污水，如城镇生活污水、工业废水和农业废水等。这些废水在排入天然水域 前若不及时处理，一则会导致严重的环境污染，破坏水生态系统的平衡，最 终危害到人类的身体健康：二则会引起水资源的枯竭，影响到人类社会的可 持续发展。所以科学治理污水并使其再利用，对缓解水资源紧缺、对解决水 环境污染、对保持人类社会可持续发展等问题均具有重要的现实意义。 对于中国这样一个人口大国，水污染的防治显得更为迫切。首先我国水 资源严重贫乏，t 水资源总量虽居世界第6 ，但人均占有量不及世界人均水平的 1 4 ，列世界第1 2 1 位，是世界1 3 个贫水国家之一。据预测，到2 0 3 0 年我国 人口增至1 6 亿，水资源形势将面临更为严峻的考验。其次目前我国水环境 污染现象十分普遍，大部分地区的污染负荷超过了水环境的容量。据2 0 0 5 年 中国环境状况公报报道的数据显示，目前我国七大水系、主要淡水湖泊、 近岸海域及部分地区地下水均受到不同程度的污染。河流以有机污染为主， 主要污染物是氨氮、生化需氧量、高锰酸盐指数和挥发性酚类等；富营养化 湖泊的主要污染指标总磷、总氮、化学需氧量和高锰酸盐指数等严重超标； 近岸海域主要污染指标无机氮、活性磷酸盐和重金属等严重超标。由此可见， 在我国，污水处理及水体富营养化防治业已成为亟待解决的重要环境问题。 1 1 1 常规的微污染水处理技术 l 吸附预处理技术 吸附预处理技术就是利用物质本身大的表面积或吸附交换作用将污染 物质吸附于吸附剂上，以达到去除污染物的目的，常用的吸附剂包括活性碳、 粘土等。目前这类吸附剂大多数仍处于研究阶段，重点在于对其吸附性能和 加工条件、表面改性等方面的探讨，以期提高吸附容量和吸附速率。此外，有 报道指出，沸石作为一种极性很强的吸附剂，对氨氮、氯化消毒副产物、极性 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 小分子有机物均具有较强的去除能力，将沸石和活性炭吸附工艺联合使用，有 望使饮用水源中的各种有机物得到更全面和彻底的去除。 2 氧化预处理技术 曝气可直接去除水源水中大部分挥发性物质，其中有挥发性有机物质、 n i t 3 和h 2 s 等还原剂。通过曝气水中溶解氧含量增加，可氧化分解水中部 分有机物，还使得水中胶体脱稳，有助于水厂的后续处理。此外，曝气还可 降低水中的藻类和有机污染物产生的异臭和色度。曝气方式可根据后续处理 进行选择。 化学药剂法主要利用化学药刹的氧化作用去破坏水中的污染物的结构， 达到转化或分解污染物的目的。目前研究比较多的氧化剂有高锰酸钾、氯气、 臭氧、高铁酸钾等。通过使用这些药剂，对水中有机物和其他污染物的去除 有明显的效果。其中氯是应用于自来水处理中的最广泛的氧化消毒剂，但是， 氯气会和水中某些有机物反应产生大量的卤代烷和氯化有机物，且不易被 后续的常规处理工艺去除。这些物质对人体健康有很大危害，因此造成处理 后自来水的安全性下降。 臭氧是一种强氧化剂，它分解放出的新生态氧的活泼性是氯的6 0 0 倍， 它可氧化水中二价铁、锰和大多数有机物，迅速杀死细菌和病毒，并向水中 充氧使水中溶解氧增加，为后续处理提供了更好的条件。预臭氧化在国外自 来水厂的深度处理中应用广泛，很多水厂都采用预臭氧化+ 生物活性炭这 一深度处理工艺。通过预臭氧化不但可以使得难降解有机物转化为可生化降 解有机物，还可以使不溶性有机物转化为可溶性有机物，从而为后续生物处 理提供有利条件。但是在某些水质条件下，臭氧氧化也会生成副产物，其中 有机副产物以甲醛为代表，无机副产物以溴酸根为代表。此外，臭氧的制取 成本很高，限制了它的广泛应用。 高铁酸钾是近年来研究较多的氧化剂，它是一种优良的预处理药剂， 在水处理过程中可以发挥氧化、杀菌、吸附等多功能的协同作用，可大大降 低水中的浊度和有机物、细菌、重金属浓度，并且可以控制氯化消毒后的氯 仿生成量。 化学药剂法作为水处理中一种不可替代的技术，它对水中的污染物的 去除具有较为明显的作用，但是作为饮用水源水这种特殊用途水的处理，各 种化学荆的使用或多或少都会对水的安全性产生一定的影响。因此化学法有 一定的局限性，在实际应用时，需结合实际情况慎重选择。 3 生物预处理技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 生物预处理就是借助于微生物群体的新陈代谢活动除去水中的氨氮、 有机物等污染物。由于在低营养条件下生存的贫营养微生物通常是以生物膜 的形式存在的，所以微污染水源水的生物预处理方法主要是生物膜法。该法 是利用附着在填料表面上的生物膜，使水中溶解性的污染物被吸附、分解、 氧化，有些还作为生物膜上原生动物的食料。目前，研究最多的是生物接触 氧化池。填料是该工艺的核心，主要有蜂窝状填料、软性填料、半软性填料 和弹性立体填料。该法处理负荷高，处理效果稳定，易于维护管理，而且处 理构筑物结构和形式要求低，附属设施少，土建投资少，运行费用低。但现 在常用的填料比表面积小，使用量大，需要安装固定支架，检修更换较复杂。 因此研究开发新型填料成为目前研究的热点，如悬浮填料和轻质填料等。生 物滤池是另一种处理构筑物，填料采用粒状填料，以陶粒为填料的生物滤池 最为常见。滤池以陶粒微生物载体，污染水源水从滤池上部进入，均匀的通 过陶粒层，除了利用生物膜上的微生物摄取、分解水中的污染物，粒状的滤 料对污染物还有机械截留作用。刘海燕分别用接触氧化池( 采用p wt 立体 网状填料) 和生物陶粒滤池对钱资荡水( 劣于二级饮用水水源水质) 进行处 理，并比较两种生物预处理池对藻类、氨氮、亚硝酸盐氮、色度、浊度等指 标，从实验结果看，生物陶粒滤池对以上各指标去除均优于接触氧化池。究 其原因，可能与滤池对污染物有物理截留作用有关。而正是由于这个原因， 上层的陶粒填料空隙不断减少，水头损失增加，并进一步出现布气不均匀的 现象。所以必须对滤池定期进行反冲洗。这就增加了实际操作和管理的难度， 同时由于它动力消耗高，对场地和构筑物要求高，从而限制了生物滤池在大 型水源水预处理工程中的应用。除此之外，生物法还有生物转盘、生物流化 床等形式，它们的原理基本相同。尽管这些生物处理对氨氮都有很好的去除 效果，但其实质是通过好氧过程将氨氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐，这种转化 并没有使得水中的总氮减少，而只是形态发生改变，所以要进行反硝化反 应。如何在贫营养条件下进行反硝化反应，是目前亟待解决的一个问题。如 能将它们和其他水处理技术联合应用，加强它对微量有机物的去除，也是当 前研究的重点。此外，生物预处理工艺出水对人体健康的影响，还有待进一 步研究。生物预处理工艺还是去除微污染水中氨氮和有机物行之有效的方法， 有着十分广阔的发展前景。 4 膜法深度处理技术 在膜处理技术中，反渗透限o ) 、超滤f ) 、微滤( mf ) 、纳滤( nf ) 都 能有效地去除水中的臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机物和微生物， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 去除污染物范围广，且不需要投加药剂，设备紧凑和容易自动控制。近年来， 膜法在美国受到高度重视，特别是其对消毒副产物的良好控制性，被e p a 推 荐为最佳工艺之一。但膜处理要求对原水进行严格的各种预处理和常规处理 及定期的化学清洗，所以膜滤的基建投资和运转费用高，并且仍然存在着膜 堵塞和膜污染以及反渗透和纳滤浓缩物处理问题。 5 光化学催化氧化 光催化氧化是以化学稳定性和催化活性很好的ti o2 为代表的1 1 1 型半 导体为敏化剂的种光敏化氧化，一般认为在合适的反应条件下，有机物经 光催化氧化的最终产物是c 0 2 和h 2 0 等无机物1 5 7 1 。r 1 1 2 藻类在微污染水处理应用中的意义 利用藻类对污水进行净化由来已久，早在1 9 5 7 年o s w a l d 和g o t a a s 即 发表了应用藻类去除污水中的氮磷营养的报道，时至今日，已有半个世纪之 久【lj 。几十年来的研究证明，藻类大规模培养在水处理中的应用为水生态系 统的管理和调控提供了一条非常有效的途径( h o f f m a n n ，1 9 9 8 ) 。与一般的 污水处理措施相比，藻类不仅能有效地吸收水体中的营养物质、降解有毒污 染物、富集重金属离子、提高水体的p h 和溶氧：而且还可以收获藻类生物 量，或回收藻类富集的重金属( s t e m b e r g & d o m ，2 0 0 2 ：p e n a - c a s t r oe ta 1 2 0 0 4 ) 。 与传统的水处理技术相比，它是一种成本低廉、有利于生态健康的技术 ( o s w a l d1 9 8 8 ，l i n c o l na n de a r l e1 9 9 0 ) 。这些优势都是在少用甚至不用化学添 加物的情况下获得的，而且还促进资源回收和循环。它们提供了有利于环境 健康的途径并能减少点源污染，降低水体富营养化。将藻类污水处理系统整 合到传统的微污染污水处理技术中，既经济又有效，是一种集污水处理和利 用相结合的污水资源化生物工程，具有重大的生态意义和社会经济效益。藻 类大规模培养在水处理中的主要意义有以下三方面：吸收营养物质实现污水 资源化：去除有害金属和其它有害污染物质；水资源的再利用【2 _ 】。 1 吸收营养物质实现污水资源化 一般利用藻类培养净化水体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 释放0 2 ，很多时候0 2 能促进好氧细菌对污水中有机物的降 解，降低水体b o d 5 ；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( s c h u m a c h e r ，2 0 0 3 ) ，而且高p h 值还可引起磷和羟基磷灰石沉淀， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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：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19 4 2 年，g a f f i 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( 韩志国，2 0 0 3 ) 。 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阔( 陈颖，1 9 9 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 _ 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( 郭祥学，1 9 9 8 ) 。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镉的转入肝 m t - j a 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( 任黎，1 9 9 8 ) 1 4 , 5 。 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1 6 , 7 。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( s c h i g w c r ，1 9 9 5 ) 。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( g a d d ，1 9 8 8 ) ，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 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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 1 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( g a m h a m ，1 9 9 3 ) ，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( k o b a y a s h i 和r i t t m a n , 1 9 8 2 ) t 5 0 l 。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 ( s e m p l e ，k t 1 9 9 9 ) 方面的研究，并取得大量有参考价值的资料【8 】。 1 1 3 藻类在污水处理中的应用原理 s t u m m 和m o r g a n ( 1 9 9 5 ) 提出藻类的分子式近似地为c i 0 6 i - 1 2 4 3 0 i l o n l 6 1 ，其光 合作用的反应方程式如下： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 + h p 0 4 上+ 1 2 2 h 2 0 + 1 8 h t c 1 0 6 h 2 6 3 0 1 1 0 n 1 6 p + 1 3 8 0 2 在光照的条件下，藻类开始生长。为了自身生长的需要，藻类消耗水中的 n 和p ，同时以c o2 为碳源。和异氧菌相比，藻类并不依赖于有机碳源藻类 的另一个优点是产生氧气，增加出水中的溶解氧浓度，提高出水质量【9 1 0 】。 1 对营养物质n 、p 的吸收 氮是藻类生物量的一个重要元素，一般而言，约占藻类干重的l o ， 藻类可利用的氮源包括无机氮和有机氮( 许春华，2 0 0 1 ) ，而藻类利用不同 形态的n 的顺序为，n i - h + n 0 3 简单有机氮( 如尿素、简单的氨酸等) ( l a u ，1 9 9 5 ) 。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【5 1 1 。藻细胞合成的磷仅占藻细胞干重的l ，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 能量传递和核酸合成细胞的过程，主要以无机磷h 2 p 0 4 、h p 0 4 弘的形式被吸 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 十、 k + 、m 矿+ 等离子的浓度和温度( 许春华，2 0 0 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 - f p 卜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 ( m a r t i n e z ，2 0 0 0 ) l l 。 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。 1 2 , 1 3 】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( s t e v e n s o n ，1 9 9 6 ) 。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( r o y ，1 9 9 3 ) ： 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( g a d d ，1 9 8 8 ) ，而且不受光、温度或者代谢抑制 物的影响( g a m h a m ，1 9 9 2 ) 。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 1 1 4 藻类污水处理技术的应用及研究进展 自第一篇关于藻类应用于污水处理的文献发表至今( o s w a l d ，1 9 5 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【1 9 】。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) 在浅水人工溪流或生物转盘( r b c b i o d i s e s ) 上的培养 都得到了很大的发展( h o f f m a n n ，1 9 9 8 ) 以下主要介绍藻类在污水深度处理中的运用，总结部分技术的优缺点， 展望该领域在未来的发展方向。概述已广泛运用的藻类悬浮培养系统及其藻 类固定化培养研究的最新进展及存在的问题。 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 共存的一个生态系统，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。 6 0 年代，高效藻类塘f n g a v ) 的出现更是引起人们的注意。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( h o f f m a n n ，1 9 9 8 ) 4 1 a 2 1 ，与传统塘系统的主要区别体现在以下几个方面： 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 - 一2 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 1 0 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 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 p 和金属的去除方面，显示出较高的处理效率( p i e o t e ta 1 1 9 9 1 ，m u t t a m a r ae t a 1 1 9 9 5 ) 。而且职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 是可行的( l i n c o l na n d e a r l e1 9 9 0 ) 。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( 增代时间短旁和栅藻属 ( 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。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：分析设计各参数对运行成本的影 响( o r o n 和s h e l e f1 9 8 0 ) ：最优化藻类生产力，探索系统去除磷的机制( m e s p l e ， 1 9 9 6 ) 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( m o r e n o g r a ue t a 1 1 9 9 6 ) 。 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 ( g o l d m a n1 9 7 9 b ) t 4 6 , 4 7 , 4 8 】，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 h r a p 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，生物量一般不超过l g 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( c r o m a r 等1 9 9 2 ) 。这些不足严重地阻碍h r a p 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 7 , 1 8 】。 2 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 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；得到更高的营养型 污染物去除速率，并能耐受更高的污水负荷率田l 。 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 和光强范围内才能快 速去除污水氮磷( h o f f m a n n ，1 9 9 8 ) 1 4 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 。可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( m a l l i c ka n dr a i1 9 9 4 ) 。运用固定化藻类去除重 金属也有报道，d ac o s t a ( 1 9 9 1 ) 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 t , m l 。 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 好的微污染水处理手段。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 2 1 2 2 , 2 4 1 。 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种基质表面的着生藻类， 也即是着生藻类生物膜( p e f 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【3 0 1 。与早期藻类污水处理技术相比，着生藻类净化水 质的研究相对较少。下一节将着重探讨着生藻类在微污染水处理中的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 2 利用着生藻类净化污水的概况 1 2 1 着生藻类 着生藻类( p o 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 e 、附植的e p i p h y t i e 、附动的e p i z o i c 、 附泥的e p i p e l i c 的群落( w e t z e l ，1 9 7 5 ) ，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【3 3 】。 相对于浮游植物而言，目前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相对独 立得微环境中，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。 1 2 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。从水生物生产力的 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 植藻类的初级生产量可占总初级产量的4 0 - - 5 0 ( w e t z e l ，1 9 7 5 ) 。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量所占 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( w e t z e l ，1 9 8 3 ) 。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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 着生藻类是水生态系统中的化学劫栉者，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。着生藻类所处的环境中营养物质较浮游植物 所处环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( w e t z e l ，1 9 9 6 ) 和底泥( h a g e r t h e y 和k e r f o o t ，1 9 9 8 ) 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，从而具有更强的竞争力；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i z q j 。 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。 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