（环境工程专业论文）刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体n、p的研究.pdf

摘要 本课题利用刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体中的n 、p ，利用响应面等方 法综合研究刚毛藻藻膜系统对富营养化水体的污染控制效果，分析该系统对n 、 p 的控制效果。具体得出以下结论： ( 1 ) 刚毛藻藻膜系统载体选取混凝土块、木块、塑料泡沫、玻璃片，采用 露天挂膜、干湿交替挂膜、水下捆绑三种不同挂膜，结合温度、光照强度及生 物量研究刚毛藻藻膜系统形成方法体系，分析实验，结果表明在干湿交替方法 下载体选用混凝土块，温度为2 5 ，光照强度为4 0 0 0l u ) 【，生物量为1 2g l 时 挂膜效果较好。 ( 2 ) 静态试验方法，于自然条件( 温度1 8 3 0 ，光照强度2 0 0 0 6 0 0 0l u ) 【) ， 在4 d 时氮磷去除效果较好，t n 、m k + - n 、n 0 3 - n 、n 0 2 - n 、t p 、p 0 4 3 - - p 的去 除率分别达到7 7 5 1 、9 6 8 1 、9 9 7 4 、8 3 0 1 、9 4 8 7 、9 8 6 8 。 ( 3 ) 自行设计模型，于自然条件( 温度1 8 3 0 ，光照强度2 0 0 0 “0 0 01 u ) 【) ， 水力保持时间4 d 。刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体n 、p ，结果表明，t n 、 n h 4 + - n 、n 0 3 n 、t p 、p 0 4 弘- p 的去除率较好，均值为7 7 3 2 、8 9 8 6 、8 5 2 0 、 8 2 6 6 、7 1 4 7 ，但n 0 2 讣j 的处理效果较差，平均去除率为3 6 2 3 。 ( 4 ) 根据b o x - b e n l l l l k e n 中心组合设计实验，以t n 、n h 4 + - n 、n 0 3 - n 、 n 0 2 。- n 、t p 、p 0 4 3 。p 的去除率为响应值，优化了不同温度( 2 0 、2 5 、3 0 ) 、 生物量( 0 8 、1 2 、1 6m g l ) 、光照强度( 2 0 0 0 、4 0 0 0 、6 0 0 01 ) 【) 、时间( 1 、4 、 7d ) 刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体n 、p 的效果。用s a s 回归i 迮i 通g 程 序，回归拟合得回归方程，由0 g i n8 0 做响应面和等高线分析，实验结果： a ) 温度为2 6 o ，生物量为1 3 6g l ，光照强度为4 3 3 01 1 1 】【，处理时间为 5 1 3 d 时t n 的去除率最高，为8 9 4 4 。 b ) 温度为2 5 1 ，生物量为1 4 2g l ，光照强度为4 2 7 0l u ) 【，处理时间为 4 6 2d 时氨氮的去除率最高，为9 7 7 9 。 c ) 在温度2 4 6 ，生物量为0 9 9g l ，光照强度为5 6 8 4l u ) 【，处理时间为 4 7 5d 时n 0 3 。- n 的去除率最高，为9 1 3 8 。 d ) 温度为2 5 9 ，生物量为1 2 5g l ，光照强度为5 0 0 2l u ) 【，处理时间为 5 4 2d 时n 0 2 。n 的去除率最高，为1 0 0 。 e ) 温度为2 0 9 ，生物量为0 9 8 l ，光照强度为5 4 9 7 l u 】【，处理时间为 5 4 9 d 时t p 的去除率最高，为9 1 3 3 。 f ) 温度为2 3 2 ，生物量为1 2 9g l ，光照强度为4 3 0 7 l u ) ( ，处理时间为 5 2 0 d 时溶解性磷酸盐的去除率最高，为1 0 0 。 由上结论结合t n 、n h 4 + n 、n 0 3 。- n 、n 0 2 一- n 、t p 、p 0 4 一p 去除率较高时 理论最优适宜参数，得出温度为2 4 ，生物量为1 3g l ，光照强度为4 5 0 0l u x ， 处理时间为5d 时，n 、p 的综合去除效果较好，此时t n 、n h 4 + - n 、n 0 3 - n 、 n 0 2 二n 、t p 、p 0 4 孓p 的去除率分别为8 6 2 6 、9 8 3 4 、9 0 1 9 、9 8 6 3 、9 0 5 4 、 1 0 0 。 ( 5 ) 利用刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体时，水环境p h 会变大，实验过程 中第1 5dp h 值呈上升趋势，可高达l o 以上，此后5 8d 内p h 表现较平稳。 当藻体生长条件较好时，p h 值受其影响较大，基本呈正相关。 关键词：刚毛藻膜；环境条件；氮、磷；响应面分析 a b s 缸。a c t t h et o p i cu s e d 劬正砌 d r 口加所e 阳细b i o f i h ns y s t e mt o 协：a tn & po fe u 仃o p h i c w a t e f t h es 1 = u d yo fm e ( 劢比翻o 砌d ，口王如聊e ，口幻b i o f i l n ls y s t e mw a sr e s e a r c h e d n 羽 h e rb yd e s i g 皿e ) 娜i e r i m e n t ，m e ns 【 e c i f i cc o n c l u s i o n sw e r ed 陀w na sf i o n o 、 ，s ： ( 1 ) c o n c r e t eb l o c k ，w o o db l o c ke x p a n i l e dp l a s _ t i c 锄dg l a s s 、7 i 理4 - ec h o s e nt od o m ec 0 】呲r a s te ) c d 痂e n t s r e s u l t ss h o w l a tm e rs 蛐e t i ca 1 1 a l y s i sb i o f i l m c o l o n i z a t i o no fc o n c r e t eb l o c kw a st h eb e s t c o n l p a r e dt 1 1 r e e 隐y so fb i o f i l n l c o l o i l i 删o i l w h i c hw e r eh 锄g i n g0 p 鸭w e th 锄gw e t e ，a ：m 撕v ew e tm e 也o d so f h a n g ：i n g t 1 1 er e 吼i l t ss _ h 0 1 w 也a t ：吐璩l a s tm e m o dw a sn l eb e s t f i l l a l l y ，饫肛l p e r a = 七1 1 r e l u m i l l o u si n ：t e n s i t y 跹db i o m 鹤sw e r et a ：k c n 舔廿1 r e ef a c t o r st of m dt 1 1 er e l a t i o n s h i p b c l ：w e e nt l l 锄o nb r i s t l e sa 1 2 a e2 r o w t l la n dh a n g 呤n l b r 乏l n ee f f l e c t r e s u l t ss h o wt l l a t ： w h e nt c 髓i p e r a ：t l l r ei s2 5 ，m el 眦i n o u si 1 1 t e n s i 田i s4 0 0 0 l u xa n dt 1 1 eb i o m a s si s 1 2 窖r 几，t l l 吼b o t ho f m 锄i e hn l eo l y t i m u m f 2 ) i nn a t l l r 翟ie n v i r 0 姗e n t ，w h e nn l et e m p e r 乏l t u r ew a s18 3 0 a n d 也e i u ：n i 加t i o ni n t e r 岱i t yw a s2 0 0 0 5 0 0 0l u x ，a d o p ts 伽ct e s tm e t l l o da n du s e d c 钕鼬p 7 幻，- 口加肌e ，口f 口b i o f i hs y s t 锄o fc o n l 由m o u s 缸c a ：t e da j 们出c a t i o no fn a l ：u r e w a 魄。5d a y s t h er e s 试to fr e i n o v a l 船t eo ft n ，n h 4 1 。二n n 0 3 - n n 0 2 。- n ，t p 锄d p 0 4 - pw 勰b e s ti n 廿1 ef o u r t i ld a y ，r e s p e c t i v e l yr e h i n g7 7 5 1 ，9 6 8 1 ，9 9 7 4 ， 8 3 0 1 9 4 8 7 锄d9 8 6 8 ( 3 ) i nn a n l 阳le n 、，i r o n m e n t ，w i 血m et 锄p e 瑚! t u r ew 笛18 3 0 a i l d 廿1 e i l l 珊n i 枷o ni d t e n s i t y 、v 峪2 0 0 0 5 0 0 0 1 u x ，a d o d td m 唧血ct e s tm e 让1 0 d 锄du s e d 劬肠d b 础d r 口加肋绷砌b i o f i l m $ 咖no fc o n t i i l u o l l s 仃e a t e dn & po fe u 廿o p l l i cw a t e r w i t hb y d r 跚l 】i cr e t 训o nt i l eo ff o u ri 【a y s c o n 】【p 锄e dt o 也ei i l l e ta 1 1 do u e tc o n t e n to f t n ，n h 4 + n ，n 0 3 - n ，t pa n dp 0 4 - p ，廿1 ea v e r a g er 锄o v a lm t ew 嬲7 7 3 2 、 8 9 8 6 、8 5 2 0 、8 2 6 6 、7 1 4 7 ，m ec o n t e n to f n 0 2 - ni 1 1t e s to f i l l l e t 锄do u t l e t w a t e r ，c h 姐g e s 锄1 p l i m d ew 嬲b i g g e r ，t l l ea v e r a g er e m o v a lr a t 弧髑3 6 2 3 ( 4 ) 1 1 l es t u d yo fa p p r o p d a t ep 踟e t e r so ft l l e 劬肠啦砷d 阳咖历p 删口b i o f i l l i l s y s t e mn 钓i l i n gn & po fe 曲的p h i cw 舰ru s e dm eb o x - b e n h n k e nc e n t e rc o m p o s i t e d e s i g nf o r 也i se 珥e r i n l e n t t l m l p 贸雹眦( 2 0 2 5 ，3 0 ) ，b i o m 舔sl i v e w e i g h t ( o 8 m g l ，1 2m g l ，1 6m g l ) ，i l l 啪j d 撕o ni n t e n s 毋( 2 0 0 01 u ) 【，4 0 0 0l u ) 【，6 0 0 0l u ) 【) 觚d p r o c c s s i n gt i r n e ( 1 d ，4 d ，7 d ) 、e r et a ：k c na sf o u rf a c t o r s ，t 1 1 er e m o v a lr a ：t e so ft n ， m f - n ，n 0 3 。- n ，n 0 2 - n ，口锨lp 0 4 争- pw e r et a l ；a sr e s 鲫 1 s ev a l u eb y 恤 陀s p l o n s e 驯【n a c e 锄眦y s l s ，a p p r o p n a l ep a 眦1 e t e r sw e 陀g l v e n 弱幻l i o w s ： a w h e nt 锄p e 鞠：t l 鹏i s2 6 o ，b i o m 勰s1 i v e 、e i 曲ti s 1 3 6 9 l ，i l l 啪i n a t i o n i n t e l l s i 锣i s4 3 3 0 l u x ，廿1 ep r o c e s s i i l gt i m ei s5 13d ，t h e 崩n o v a lr a t eo ft ni s 廿l e l l i 2 h e s t a b o u t8 9 4 4 b w h e nt e d 叩e r a n l r ei s2 5 13 ，b i o m a s sl i v e w e i g h ti s1 4 2 9 l ，i l l 眦i i l a t i o n i n t c 嬲蚵i s4 2 7 0 1 1 1 ) 【，m ep r o c e s s 堍t i l l l ei s4 6 2 d ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - ni s 血e 1 1 i 曲e s t ，a b o u t9 7 7 9 c w h e nt e m p e r 砷田ei s2 4 6 ，b i o m a s sl i v e w e i 曲ti so 9 9 9 l ，i l l 啪i n 撕o n i m e n s i t yi s5 6 8 4 1 u x ，t i l ep r o c e s s i n gt i m ei s4 7 5 d ，m er e m o v a jr a t eo fn 0 3 。ni st h e l l i g h e s t ，a b o u t9 1 3 9 d w h e nt e m p e r a n l r ei s 2 5 9 ，b i o m a s sl i v e w e i g h ti s1 2 5 9 l ，i l l 啪i n a t i o n i i i i n t e n s i 钾i s5 0 0 21 u x t h ep r o c e s s i n gt i m ei s5 4 2d 山er e m o v a lr a t eo fn 0 2 。j ni s 日1 e h i 曲e s t a b o u t1 0 0 e ，1 1 e nt e m p e r a _ t l l r ei s2 0 9 ，b i o m a s sl i v e 、e i 擘h ti so 9 8g l ，i l l 岫a t i o n i m e n s i t ) ，i s5 4 9 7 l u x ，t h ep r o c e s s i n gt i m ei s5 4 9 d ，m er e m o v a lr a t eo ft pi s 也e1 1 i 曲e s t ， a b o u t9 1 3 3 w h e nt e m p e 均_ t l 】r ei s2 3 2 ，b i o m a s sl i v e w e i g h ti s1 2 9 9 l ，i 1 1 u m j n a ：t i o n i n t e n s i 西i s4 3 0 7 l u x ，t h ep r o c e s s i i l gt i m ei s5 2 0 d ，l er e m o v a lr a t eo fp 0 4 。- pi s 仕坨 h i g l l e s t ，a b o u t1 0 0 c o m b i n e d 谢t ht 1 1 e 印p r 叩r i a t ep 踟e t e r so ft l l er e s p o l l s es u r f - a c e 砌y s i so f l e c 锄肠d 6 口吻d ，口譬z d ，竹p ，口f 口 b i o f i l ms y s t e m ，c o n c l u s i o n sw e r ed r a m lt h a tw h e n t e m p e r a ：t l 】r ei s2 4 ，b i o m a u s sl i v e 、v e i g h ti s1 3g l ，i l l u m i n a t i o ni n t e n s i 田i s4 5 0 0 l u x t l l ep r o c e s s i n 2t i m ei s5d a y s ，i tw i l lg e tt 1 1 eb e s tr e s u l t s t h ef e a s i b i l i 哪a n d s c i e n t i f i c a l n e s so fm ee x p e r i m e n tw a sp r o v e dc l e a r l yf r o mt l l ed a t as 协t e db e l o w t h e r e m o v a lr a t eo ft ni s8 6 2 6 ，n h 4 ni s9 8 3 4 ，n 0 3 二ni s9 0 19 ，n 0 2 j ni s 9 8 6 3 ，t pi sa n dp 0 4 ，pi s10 0 ( 5 ) i i la d d i t i o n ，t l l ev a l u eo fp ha l s os h o w e dn l e 仃e n do fr i s e ，孤dv e r i f i e dm e c o n c l u s i o nr e f e l l r e db e f o r e s o ，m o r ea ：t t e n t i o ns h o 山dp a i dt oi tt op r e v e mt 1 1 e p h y s i c o c h e n l i c a jp r o p e n ) ，c 锄s e db yr i s i i 坞p hv a l u e b e s i d e sh i 9 1 l e rp hv a l u ea l s o c h a n g et l l ea l g a em i c r o o 唱锄i s m si i lm 锄曲r a l l es y s t e mo fc o m m u i l i 够s n u c t u r e a n d i t p r e v e n tn e g a t i v ee f f 酏t so fe u t r o p h i c a t i o ni 1 1 l ep r o c e s so fw a t e r 仃e a 恤e m k e y w o r d s ：劬肠咖p 厅d 阳 g 肠朋p 阳幻 b i o f i l m ； e r r v i r o 姗e n t c o n d i t i o n ；w a t e r e n v i r o m e m ；n i 仃o g e n ，p h o s p h o m s ；r e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s l v 文献综述 1 1 水体富营养化及其危害 1 1 1 水体富营养化的定义及现状 富营养化( e l r b r o p h c i a t i o n ) 是指由于人类活动的影响，生活污水、化肥和食 品等工业废水、降水以及地表径流中含有的大量n 、p 及其他无机盐等植物营养 物质输入水库、湖泊、河口、海湾等缓流水体后，导致水体中营养物质增多，促 使自养型生物一大型绿色植物和微型藻类旺盛生长，水体从生产力水平较低的贫 营养状态向生产力水平较高的富营养状态转化的过程【l ，2 】。 水体富营养化包括营养物质的富集、水体富营养化的状态以及水体富营养水 平的程度【3 j 。水体富营养化可划分为人为和自然，天然湖泊从营养匮乏到富营养 化再到沼泽，直至死亡，这是一般湖泊的发展规律，任其发展，它将会很漫长， 但是现在人类活动区域的扩大导致这个过程迅速加快，一定程度上为水体富营养 化创造了条件。 水，人们日常生活中不可或缺的物质，随着社会不断的进步和新技术不断地 发展，在人们生活生产中的地位越来越重要1 4 j 。人类的生产活动中用水量越来越 多，对水环境的污染程度越来越高，主要由人口的增长以及工业农业的迅速发展 所带来引起的。 中国的湖泊众多【5 】，全国共2 3 0 0 个1k m 2 以上的湖泊，其储存水量约为 7 0 8 8 1 0 m 3 ，淡水量约占31 9 ，从全国湖泊地理分布特点，可以粗略划分为 五个主要湖区，即新高原湖区、东部平原湖区、山地湖区及东北平原、青藏高原 湖区、云贵高原湖区。我国经济的迅猛发展，也导致了我湖泊水体的大面积污染， 一些人们日常生活中使用的含磷洗衣粉，无机有机物流入湖泊，也加剧水体富营 养化水平。如表1 - 1 给出了中国对6 7 个主要湖泊水质情况和富营养化水平调查 和评价结论【6 】，表格中可以得出仅有2 0 的湖泊水质相对较好( i i i i i 类) ，8 0 以 上的湖泊遭受到严重污染( 劣v 类) 。 表1 16 7 个主要湖泊水质和富营养化现状调查和评价结果 t a b 卜l6 7m 匆o rl a k e sw a t e rq u a l i 睁柚de u t r o p h i cs 啪so f 廿i ei n v e s t i g a t i o n 锄de v a l u a t i o nr c s u l t s 综合表1 - l ，从这6 7 个湖泊来看，它们都在中富营养化以上的状态，其中属 于富营养状态的湖泊已占到了7 0 以上，面积更是超过了1 万平方千米，我国水 体富营养化治理己迫在眉睫，若得不到重视，我国工农业生产面临巨大的挑战。 1 1 2 水体富营养化的成因及危害 磷对生物体的作用比较特殊，究其原因主要在于它会直接参与藻类的呼吸和 光合作用，包括酶系统的活化以及能量的转换过程，这也说明了磷比氮对藻体更 重要1 7 】，并且藻类对不同状态的磷都有吸收作用。氮主要来源于生物体的死亡， 最后或被矿质化或形成营养碎屑聚集在底泥中，另外的参与循环，起着改善水域 生物群落营养水平的作用。 水体富营养化之后给用水造成了诸多困难，所以人们多评价富营养化水体为 劣质水体【8 】。另外，水体富营养化具体有以下几个方面的危害：水体释放出难闻 气体、水体透明度的降低、水体中溶解氧降低或无氧状态、向水体分泌有毒有害 类物质【9 】、净水成本增加，造成水源紧张、影响水生生态的平衡、影响渔业的发 展。 1 1 3 水体富营养化的评价标准 对于评价富营养化的标准，一般是以水体中营养物质浓度、藻类叶绿素a 含 量、水体透明度和溶解氧等理化指标，较为常用的是捷尔吉森判别标准和沃伦威 德负荷量标准。美国于2 0 0 0 年发布了湖库营养状态基准制定总则，其后颁布了 1 4 个生态区的湖库营养状态基准【j o 】。如表2 2 是1 9 9 4 年h a l ( a 1 1 s o n 制订的海洋 富营养化标准和1 9 9 6 年n 啪b e 略制订的湖泊富营养化标准，1 2 j ，表2 3 是我国 滇池的富营养化程度的评价标准，我国其他几个湖泊如太湖、武汉东湖、杭州西 湖的评价标准与滇池的标准基本一致。 表1 2 湖泊富营养化标准( n u m b e r g ) 和海洋富营养化标准( h a k a n s o n ) t 曲l el - 2l a k ee u 仃o p h j c a t i o ns t a n d a r d s 纳dm 撕n ee u 仃d p h i c a t i o ns t 柚d a r d s 表1 3 中国滇池的营养状态评价标准 1 曲l el - 3c h i n an 岫 t i o ns t a i l c so f 廿l ed i 柚c h i l a k c 踟dt l l es t a n d a i do f 印p r a j s a l 1 2 富营养化水体修复技术及其控制措施 1 2 1 生物调控 利用生物技术治理富营养化水体是最经济使用的一种方法，产生的二次污染 较低，甚至没有二次污染，只是利用生物体吸收水体中的氮磷等物质来达到修复 水体，以达到重建水体生态系统的作用。如在富营养化水体中种植吸收重金属或 氮磷等物质较强的生生植物，或者放养一些以藻类为食的鱼，或者投放一些藻类 的竞争性物种，也可以投加细菌性微生物，所以生物调控技术是最经济可行的生 物修复方案，主要在于其污染小，修复程度高。 ( 1 ) 引种高等水生植物修复水体 高等植物中有很多都具有非常好的吸收氮磷和营养盐的作用，而且通过他感 作用也会一直其他生物的生长【1 3 ，1 4 】。高等水生植物一般包括如挺水类、沉水类、 浮水漂浮以及湿生类，而且一些藻类可以较好的吸附重金属【1 5 1 。沉水植被作为 水生态环境重要的稳定群落，可以对水域环境起到净化、功能的恢复作用【】6 】。 j e p p e s 姐等提出，水生高等植物的生长对调控后的湖泊起着关键的作用，能令其 保持水体清洁【1 。丌。 ( 2 ) 养殖食藻类鱼类控制藻类 有些鱼类可以食用蓝藻及其他浮游类生物，通过食物链进行生物调控，在控 制藻类生物量的同时也可以化害为利，产生经济价值，另一方面可以调控水质 l l 川。鲢鱼在处理蓝藻方面有着较好的作用，武汉东湖在大量增加鲢鱼量以后，水 华现象得到改善，1 9 8 5 年以后就没再出现便是一个极为有利的例子【1 9 1 。 ( 3 ) 大型浮游动物对藻类生长的控制 有研究发现，浮游动物可以在很大程度上降低藻类的生物量，同时因为浮游 动物的竞争，也会导致植食性鱼类生物量降低，而一些肉食性鱼类则会增加，所 以适量投放一些肉食性鱼类也会起到这样的效果，如食鱼性鱼技术1 2 0 1 。 ( 4 ) 将细菌微生物投加到水体 复合细菌可以较好解决水体污染的多种问题【2 l 】，因为复合细菌在基因上面 有着无可比拟的优势，集成了多种细菌的功能和作用，所以可以更好的吸收和控 制氮磷等污染物，或者是氮磷的转化物质。成效微生物群( e m ) 技术就是利用自 然界中筛选出的可利用微生物培养形成复合微生物体系，用于湖泊，此净化方可 以取得较好的效果。1 9 8 8 年在广州的试验中表明，将e m 制剂投入到中富营养 化水平的华南植物园人工湖中取得了较好的效果【2 2 1 。王宗华等研究了优势菌对 富营养化景观水体修复作用，结果表明投加优势菌4d 后出现修复效果，2 0d 修 复效果达到最佳状态【23 1 ，但这种方法还有待研究。 ( 5 ) 采用生态综合的防治措施 生物浮床、生态型河道、人工湿地是以及生物滤沟是最为常见的治理富营养 化水体的生态工程【2 4 1 。生态工程最明显的特点是综合了植物、土壤以及微生物的 共同作用，通过他们的作用可以使富营养化水体恢复自净能力，是生态系统恢复 平衡，并且可以起到长期的作用，而且治理效果较好。如采用卵石接触氧化生物 膜技术的日本坂川古崎净化场，对水体的修复效果非常好，取得了治理富营养化 水体的效果【矧。 1 2 2 直接除藻措施 直接除藻的措施主要分为两类：一类是利用化学药品将藻杀死，一类是利用 机械设备将藻打捞上来。化学除藻剂最明显的危害是产生二次污染，相对机械除 藻危害很大，现在除非应急或是健康安全的许可，一般情况下不会使用化学杀藻 剂【2 6 】。 1 2 3 物理化学方法去除藻类 调水冲污、人工曝气、河道疏浚、截污是一般较常采用的物理措施，化学处 理方法主要是添加化学药剂、调节p h 值、吸附作用以及改变水体的氧化还原电 位等等。物理方法的特点是操作比较复杂，但是二次污染较小甚至没有，但是技 术成本较高，可控性不强，对于富营养化水体的治理作用只停留在表面，未能解 决深层问题，所谓治标不治本；化学方法的有点是一次加入杀藻剂之后可以很长 时间内不会使藻类疯长，能有效控制藻类的生长，但是由于湖水中投加的东西往 往也会污染环境，杀藻剂只是将藻杀死但是没有将引起藻类疯长的因素解决，并 不能在根本上解决水体富营养化的问题，只会越来越糟，实际操作过程中费用也 较高。富营养化水体的复杂性表明了其处理的问题比较多，要考虑到方方面面的 问题，针对不同的水域开展不同的治理方案，在确定是人为因素还是自然因素的 前提下制定方案，另一方面，单一的物理或化学的方案并不能解决富营养化的问 题，对于水体的治理要结合实际进行。 4 1 2 4 控制外源污染对水体的影响 控制外源污染主要从两个方面入手，包括截污和除磷，以尽可能的减少向水 体中排放污染物为前提，截断污染源，从源头控制富营养化的情况。 截污主要是针对富营养化水平不高的水域，通过截污的方式切断污染来源， 通过这种方式也就可以将水体中引起富营养化的氮磷控制在一定浓度范围之内， 解决根本问题，但是相对富营养化水平较高的湖泊，这种方式并不可行，因为此 环境下，外源污染有些是人们不可控制的，包括地表径流以及降水等方式的污染。 针对芬兰v e s 萄a r v i 湖人们进行了截污的方案，磷浓度下降到较低水平后，水华现 象依旧存在了十多年【2 7 】，另一个例子是荷兰的l 0 0 s d r e c h t 湖群【2 8 1 通过降低磷的 输入后富营养化的问题仍然没有得到解决，原因可能在于前期湖水中的氮磷储量 较高，通过后期不间断的释放是富营养化状态依旧难以解决。 1 2 5 控制内源污染对水体的影响 底泥覆盖、底泥疏浚、底泥氧化、磷的沉淀和钝化、船舶污染等内源控制措 施是比较常用的，由于氮磷在水体的沉淀，使氮磷往往储藏于水体底泥中，人们 寄希望于将这些底泥进行疏浚，但是这种方法耗费的费用较高，而且针对不同的 水域，由于湖面积较大，进行底泥疏浚的工程较大，由于要将整个湖底翻一遍， 对于整个湖体的生态群落，包括物种的多样性都会带来很大的影响，有可能破坏 水体脆弱的生态结构。在实际应用过程中也并未取得较好的预期效果，如西湖和 玄武湖的底泥疏浚工程并未给湖水水质带来质的变化 2 9 】。 由于磷是引起湖水富营养化的最为关键的因素，现代研究表明如果磷可以通 过化学的方式封存在湖底使其不能得到释放，或者通过化学的方式将磷形成颗粒 式的絮状物加以去除，但是自然界中的磷含量是一个平衡的过程，在将磷封存的 同时也会造成其他物种无法吸收到足够的磷而使磷在生命链中造成缺失，对整个 生态系统或大的关联到人的生存空间的方式并不可取。这种方案也有可行的方 面，如向湖投加明矾和铝酸钠，使其总磷的含量降低到较低水平，湖水的 透明度也有较大的改善【3 9 。但是在实际应用中这种方式存在危险性，可能短期内 不会造成影响，但是长期则会引起生命链中的磷断层，危及整个自然系统的稳定 性。 1 3 藻类固定化技术在富营养化水体处理中的应用 藻类是一种安全的生物吸收氮磷的方式，最为常见的是利用藻类固定化的方 式，吸附和包埋是藻类固定化比较常见的两种方法【3 1 1 。 吸附和包埋两种方法操作都比较简单，吸附法主要是靠静电和表面张力与粘 附力将藻细胞和载体吸附在一体，藻细胞和载体之间以生物膜相连，但是这种方 法的固定性不好，藻细胞易脱落：包埋的方法是将藻细胞包裹在不溶水的聚合物 中，藻细胞和载体之间不存在约束，对藻细胞的活性影响不大，适用于藻类的固 定化，也是现在大多数研究常用的方法【3 阳引。本实验中用到的则是吸附法，吸附 法虽然有其缺点，但是也有包埋法没有的优点，可以将藻类吸附在载体上形成景 观，不但美化了环境，还使水体得到了处理，并且吸附法处理后的藻体易打捞。 聚丙烯酰胺、引人侧硫基的p v a 、聚氨酯、聚丙三醇的衍生物、聚乙烯醇( p v a ) 、 海藻酸钠、三醋酸纤维素、聚乙二醇( p e g ) 、p d d a 碱性、卡拉胶、k p v s 碱性、 甲壳素是目前比较常用的载体。有研究表明比较适合作为固定化载体的如海藻酸 钙( c a ) 和聚乙烯醇( p v a ) 凝胶等【3 引。也有研究价格藻菌混合后固定化用于去除氮 磷的研究，得到了较好的实验效果【3 5 】。也有人提出了将吸附和包埋两种方法结合 在一起【3 6 】。将两种方法结合在一起可以利用包埋法和吸附法的共同特点对富营养 化水体进行处理，效果比较显著。 1 3 1 固定化藻细胞去除n 、p 的优点 固定化藻细胞去除氮磷的最大优点是利用生物的方法处理富营养化水体，所 产的污染较小甚至没有污染，这是其他处理方法无法比拟的优势，而且在处理富 营养化水体时具有藻细胞密度高、净化效率高、反应速度快、运行稳定可靠等优 势。有研究固定化栅藻与平行板反应器处理含氮磷废水，在2 h 之内就可以将达到 接近1 0 0 的进化效果【”】。从另一个角度，藻体处理完富营养化水体之后可以将 藻体进行收获，包括可以将藻体进行深加工，做成饲料，甚至可以是燃料，使其 产生经济价值【3 8 枷1 。藻处理富营养化水体的优势作用明显，而且还可以产生经 济价值，是目前比较理想的处理富营养化水体的途径【4 1 4 到。 1 3 2 影响n 、p 净化效率的因素 从内部因素分析来看，不同的藻细胞有生理及形态的不同，遗传物质的差异 性也决定了不同的藻体针对不同的水域有着不同的处理效果，在同一水域中有的 藻能较旺盛的生存，而有的则会死亡。即使是不同的株系之间在吸收营养物质时 也存在着不同【4 3 j 。 通过m m e 出a 喇【蜘和p k r o b i n s o n 【4 5 】的研究发现，处于生长繁殖旺盛的 对数期可以提高磷酸盐的去除效果。针对藻细胞进行饥饿处理后会在一定程度上 提高藻细胞对氮磷的吸收效果晰巧0 1 。而且短期的饥饿并不会对藻细胞产生生理 方面的影响，但是不适宜进行长时间饥饿，会对藻体产生不可恢复的伤害，导致 处理效果下降p 。 在实际应用过程中外部因素也是影响氮磷净化效率的原因，包括细胞负载的 高低都会对氮磷的去除产生影响【5 1 5 2 1 。另外如载体的类型，反应器的类型以及实 际过程中一些环境因子的影响等等都会对氮磷的去除产生影响瞰，5 5 1 。理想的载体 是对藻细胞友好的材料，并且耐用。现在比较常用的载体多为天然高分子及有机 6 合成高分子【5 3 1 。另外藻细胞的生长繁殖量较大时也会影响氮磷的去除，并且有较 好的效果1 5 引。 1 3 3 固定化藻类细胞净化氦磷的应用前景 将藻细胞应用到实际污水处理中来，国内外已经有较多的研究。藻类细胞吸 收氮磷的主要原理是将氮磷等污染物质转化为自身，为其生长繁殖提供营养条件 【5 8 1 。固定化载体因其藻密度比较大，相对悬浮藻而言具有更好的处理优势【5 9 1 。 并且固定化的藻体细胞能更好地适应环境的变化，应变能力更强【删。有人研究发 现，固定化之后可以提高斜生栅藻的净化效率，并且其生理活性也相对增强【6 1 1 。 而c a m z a r e s 对角叉菜聚糖利用螺旋藻固定和悬浮的不同状态处理造酒废水，研 究发现，悬浮藻比固定化藻去除率要低很多，固定化具有较优的效果1 6 2 。 由于固定化技术尚在研究阶段，应用技术不是很成熟，要实际应用还需要大 规模的试验研究。包括载体的选择，藻体的选择等等【6 3 】。所以优低价良载体的选 择制造，以及优良藻种的选育及优化，或者可以应用基因工程方面的技术改良藻 体基因，合成超级藻，有待于人们进一步的探索。 1 4 实验的提出和意义 对于富营养化水体的处理方法方式的多样，但是很难找出一种对环境友好， 并且价格合理，处理效果优良的深层处理办法，本研究对刚毛藻藻膜系统进行深 入试验，试图找出刚毛藻藻膜系统应用于实际工程的可行性，为人类的发展做出 贡献。 对富营养化水体的治理，人们大多从物理化学以及生物的方向去治理，但是 每种方法或是治标不治本，或是达不到预期目标而放弃，环境污染生物修复中利 用藻类处理富营养化水体是一个即高效又环保的处理方式，它没有化学方法中遗 留的副作用，也没有物理方法中治标不治本的缺陷，针对不同水体选择不同的藻 体或是搭配不同的藻体进行处理。深层次方面，藻体可以有效控制氮磷的水平， 吸收氮磷，转化为自身利用，另一方面通过人为可控的藻体吸收氮磷，避免了水 华现象的发生。 在众多的藻类固定化方法体系中，本研究着重研究利用藻类生物膜系统处理 富营养化水体n 、p ，方法选用藻类固定化技术中吸附法，吸附法是依据带电的 微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，使微生物细胞固定在 载体表面和内部形成生物膜的方法。这种方法综合了微生物和藻类的双重优势， 一方面，微生物分解富营养化水体中的有机和无机污染物变成藻类易于吸收的营 养物质m 】；另一方面，藻类吸收营养物质促进自身生长，等藻体生长到一定程度 可以很方便进行人工清除，避免了二次污染。吸附法的缺点是可固定细胞量有限， 固定的细胞易脱落，但是作为绿色无污染的方法还是值得深入研究和推广的，本 实验藻体选择自然界中耐污能力较强的刚毛藻，生命力非常强，适应水体广。 本研究中，如何培养出高效藻类生物膜系统是我们要解决的主要问题。前期 试验选取自然条件下，测试刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体的效果，从而确定 刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体的适宜温度、适宜生物量及适宜光照强度范 围，并在实验过程中提出模型，利用藻类生物膜方法处理富营养化水体，探究实 际大规模应用的可能性。后期通过利用b o x b e i l i l n k e n 中心组合实验设计和响应 面分析法优化得到刚毛藻藻膜系统处理富营养化水体的适宜温度、生物量和光照 强度，分析实际应用过程中需要注意的问题，探讨实际应用的可行性。 8 1 、引言 在自然界水体净化过程中，藻类的生物修复能力强，可以将吸收的氮磷转化 为具有潜在价值的生物量【6 5 1 ，m a l l i c k 、c a b i j e 、r 1 l p e r tj 等人研究发现藻类不仅 能去除氮磷，而且还可以回收利用重金属，应用性越来越强1 6 引。 藻类固定化技术起始于8 0 年代，通过这一技术形成固定化藻类系统，能够克 服传统方法中系统停留时间长、占地多、处理效率欠稳定以及藻类收获难等缺点 【3 2 1 ，但是固定化载体成本较高以及固定化方法体系的不完善限制了固定化技术的 实际应用。毛彦景通过对前人的研究总结出藻固定化技术是经济有效的污水生物 处理技术，可很好地修复含氮磷和重金属及有机废水，亦可实现资源的回收利用， 实现经济价值j 。 n e v ed e 、陈娟等人的研究表明固定化藻类细胞处理污水具有藻细胞密度 高、反应速度快、去除效率高、藻细胞易于收获、净化后的水可再利用等优点， 因此在污水处理中有广阔的应用前景，但由于技术限制，此方法应用尚少，随着 技术的不断发展，或许在以后的污水处理中有广阔的应用前景i 胁7 1 】。 徐位镜r 7 2 】等人利用流态化固定化颗粒、溶液针对固定化藻茵流态化去除废水 中n 、p 、有机物进行研究，并对藻菌比及水流速、回流比对c o d 、氮磷去除率 的影响展开探讨，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，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，利用固定化藻菌流态化修复有机废水能达到较好的处理效果，研究 也得出利用固定化技术，去除废水中氮磷可以取得较好的效果。但此研究对流 体状态限制较为严格，故有一定的局限性。 雷国元等人等结合微生物作用，研究表明自然条件，在模拟重度富营养化水 体中刚毛藻生物膜共生系统可以有效地降低水中的有机物、氨氮、总氮、总磷 含量及u v 2 5 4 吸光度和浊度值r 7 3 ，7 4 j ，但文章未能给出藻膜系统应用于富营养化水 体中t n 、t p 稍低浓度时的模拟研究效果，因此刚毛藻生物膜技术研究尚待完善。 雷国元等人也研究了将细颤藻、水绵、水网藻、栅裂藻固定在纤维填料上， 形成固定化藻膜。针对模拟富营养化湖水、实际富营养化湖水、城市污水二级出 水、低质量浓度生活污水，研究固定化藻膜去除氮磷的效果。实验结果显示，固 定化藻膜可以良好的除磷和氨氮，也促进了水中有机物去除。对t p 质量浓度小 于5 o m g l ，氨氮质量浓度小于3 4 o m l 的污染水体，四种藻膜都有良好的去除 氮磷能力，其中栅裂藻去除t p 、氨氮的能力最强。综合除污能力和藻细胞的可 固定性，水绵应是最佳的备选藻种。表明固定化藻膜具有较好的除污能力【7 5 】。 马沛明等人以颤藻占绝对优势的藻类生物膜，以人工合成污水、污水厂二级 出水和富营养化湖水为研究对象，藻类生物膜能吸收利用水体氮磷营养物质，并 且提高水体p h 值可促进氨氮挥发并促进磷酸盐沉淀，对水体总氮和总磷具有较 好的去除效果，获取藻类体粗蛋白，有利于藻类生物量的经济化。此研究结果为 藻类生物膜的大规模发展和利用提供了参考依据，为污水三级处理、富营养化湖 泊和水库的修复以及养殖水体的净化提供了新的手段1 7 6 j 。 目前藻类膜系统研究成果相对较少，基础性及应用性问题尚需进一步研究， 特别是要加强固定化藻类去除富营养化水体n 、p 的研究，开发出廉价的载体， 建立完善的方法体系是以后研究的重点。本研究的意义在于通过建立合理的方法 体系优化刚毛藻藻膜系统生长的适宜参数，并提出应用性较强的廉价载体，为将 刚毛藻藻膜系统