绿球藻处理污水中氮磷的实验研究

绿球藻处理污水中氮磷的实验研究

0固着藻类的研究与应用自20世纪50年代以来，对藻类水质处理的研究已进入60年代。最初，主要是利用微藻悬浮培养技术进行污水处理。相关技术包括海藻氧化池、高效藻类池和活性藻类。由于微藻悬浮培养技术的实际应用，例如克服大量藻类，不很容易获得，而且仍然存在藻类细胞留在水中。因此，科学家们将研究的重点放在固定化藻类的研究和应用上。例如，固定化藻类技术和海藻生物膜技术的结果表明，daconta的结果证明，固定化藻类不仅能有效去除废水中的氮、磷养分，而且对去除镉、锌和其他重金属离子也非常有效。由于固体藻类载体的成本高，这项技术只能在实验室规模的研究和开发阶段，因此没有关于大规模实际应用的报告。吴永红等人将水生植物作为海藻生物膜载体应用于海藻生物膜操作，以改善水体的富营养化水质。同时，它还具有理想的水质处理效果。为了进一步探索和选择能够有效净化废水、使藻类细胞易于收获的藻类，并拓展藻类处理在废水处理中的应用范围，本文研究了一种非常耐污的绿藻（chalococumps）和单分枝剥夺杆（cladophoraoligocolatz）去除氮、磷的效果。对两者的申请前景进行了简要分析，并对藻类水质进行了探讨。1材料和方法1.1污水处理实验污水绿球藻(Chlorococcumsp.)采自美国亚里桑那州一家污水处理厂,应用微藻分离纯化的方法,用BG11琼脂培养基分离纯化后保种培养.在无菌条件下,将琼脂培养基上的单个藻落转接到BG11液体培养基中,置LRH-250-G光照培养箱中培养,培养温度(25±1)℃,光照强度35～40μmol/m-2·s-1,在获得足够生物量后用于污水处理试验.实验污水分别为人工合成污水和天然富营养化湖泊水.人工合成污水配方为:NaNO30.425g、(NH4)2SO40.075g、MgSO4·7H2O0.025g、Ca(H2PO4)20.03g、NaHCO30.30g、FeCl30.0015g,用自来水定容至1L.天然富营养化湖泊水采自武汉东湖茶港湖区,经25号浮游生物网过滤去除明显颗粒后使用.实验装置为有机玻璃水槽,一次性加注污水,用空气泵曝气培养;4只20W日光灯提供光照.光照强度140μmol/m-2·s-1左右,水温分别为(25.5±0.5)℃(人工合成污水)和(22.5±0.5)℃(天然湖泊水).实验分别设处理组和对照组,其中人工合成污水和天然湖泊水处理组的绿球藻接种密度分别为2.88×105细胞/L和1.87×105细胞/L,对照组不投加藻种,用以扣除因光解和其他未知因素导致的营养减少,其他条件两组保持一致.依据处理系统中营养浓度的日减少量确定藻类对氮磷的去除效果.1.2对营养盐的去除刚毛藻(Cladophoraoligolona)采自东湖湖岸.以水生所标本馆楼前景观水池为实验水体,该水池底部布满鹅卵石.实验藻种采回后直接接种到水池一端,待藻类生长正常并达到足够生物量后,将池中枯枝落叶等杂物基本清除,用防水布将水池一隔为二,分别设为实验区和对照区,定点取样.实验区设藻类密集区和藻类稀少区两个采样点,无藻类对照区设一个采样点,用与对照区相比的减少量确定被试藻类对营养盐的去除效果.藻类密集区、藻类稀少区、对照区依次简记为一区、二区、三区.实验时间为夏季,白天水温28～30℃,阳光直射的时间每天约5h.1.3水化学指标检测方法实验期间,主要测定了总氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、总磷(TP)、溶解性正磷酸盐(SRP)5项化学指标.其中,TN用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定,NH4-N用纳氏试剂光度法测定,NO3-N用紫外分光光度法测定,TP用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定,SRP用钼锑抗分光光度法测定.取样时,使用便携式pH计和电导率计现场测定水温、电导率、pH值三项理化指标.室内实验中,所有用于测定水化学指标的水样均先经0.45μm孔径滤膜抽滤,因此该部分实验数据中以总溶解性氮(TSN)和总溶解性磷(TSP)代替TN、TP.2结果与讨论2.1在室内条件下，绿色海藻可以去除氮和磷2.1.1不同植物基藻的去除氨态氮如图1所示,实验期间悬浮培养的绿球藻对人工合成污水中的N、P均有明显去除效果,其中,对NH4-N的去除最为迅速,扣除对照组的自然降解量,第1天的净去除率为92.1%,并最终将NH4-N浓度控制在0.30mg/L左右;对TSN和NO3-N的去除率均显示随处理时间的延长呈稳步上升趋势,第1天的去除率不足10%,第6日分别达到29.1%和34.2%,这与作者早期报道的藻类优先利用氨态氮的结果极为吻合.绿球藻对TSP的去除效果较为明显,首日的去除率为61.0%,第4天即达到79.8%,第6天为77.5%,略有下降.与Tam报道的悬浮培养的小球藻在一周处理期间可去除2/3以上氮和磷的结果相比,本实验中绿球藻悬浮培养系统在除氮方面有所不及,但除磷效果有明显优势.实验过程中发现绿球藻的细胞个体较大,细胞壁较厚,24h曝气亦难以维持其均匀悬浮状态,尤其在实验后期,大量的藻类细胞粘附于处理系统的四壁或沉到底部,以致悬浮液中绿球藻的细胞数量逐渐减少,而在沉积物中的藻类细胞却显著增多.绿球藻的这种生长特性对藻类悬浮培养系统的污水处理效果有一定负面影响,但从另一角度来看,这一特性便于通过沉淀的方式从出水中除去藻类细胞,增加出水的透明度.2.1.2实验结果和讨论为了探讨绿球藻对富营养化湖泊水的处理效果,作者将取自武汉东湖茶港湖区的水代替人工污水做了进一步处理实验.由于取水时恰逢丰水期,原水中的TSN浓度仅0.8mg/L;而由对照组实验期间TSP最大值超过0.280mg/L可推知原水中TP一定大于0.280mg/L.根据地表水环境质量标准,TP指标属于劣五类水质.说明该实验用水中磷营养达到富营养化水平,而氮含量相对偏低.对藻类悬浮液吸光度的测定结果表明,实验过程中绿球藻的生物量增长不快,分析认为与实验湖水中氮磷比例失调有关.一般情况下,维持藻类正常生长的氮磷比例至少需7∶1～10∶1,而本实验原水中氮磷比仅有约3∶1.加之本实验用藻在保种期间一直培养在TN浓度高达75mg/L以上的BG11液体培养基中,当将其转入氮营养并不充足的天然湖泊水后,需要一定的时间逐渐适应.由于实验用湖泊水体中原始氮浓度不高,以致绿球藻对氮的去除率非常低,但对磷的去除效果显著(图2).在实验期间,对照组的溶解性TSP和SRP水平第1天先上升,自第2天开始缓慢下降,最终依然高于初始值,而实验处理组的磷指标持续下降,TSP和SRP水平分别降低到初始值的约53%和17%,说明实验期间原水中的颗粒物分解后有部分磷释放到水体中.扣除对照组的自然降解量,绿球藻对天然湖泊水中TSP的去除率持续上升,第5日达到79.2%;对SRP的去除率第2日即达到86.6%,最高达94.1%.可见,本实验用绿球藻悬浮培养系统对天然富营养化湖泊水中磷的去除效果显著,值得注意的是,该藻在加以适当驯化处理前,不适合用于较低氮浓度污水的脱氮脱磷深度处理.同时本实验结果进一步印证了其他悬浮藻类水质净化研究中关于藻类不仅通过吸收转化过程,还通过改变水体理化条件来去除污水中氮、磷的推测.2.2tp、srp的去除图3、图4分别是实验期间水体中总氮的浓度变化及其去除率.数据显示:实验区的TN、NH4-N浓度较对照区的低.其中藻类密集区TN的减少率波动在13.5%至45.8%之间,NH4-N的减少率波动在33.3%至50.0%之间;藻类稀少区TN的最低和最高减少率分别为11.9%和24.6%,NH4-N的最低和最高减少率分别为8.3%和20.0%.实验期间,藻类对NH4-N的去除率偶尔出现过负值,是否因人为操作有误,还是其他原因,有待进一步实验验证.图5是实验期间水体中总磷的浓度变化,SRP的浓度各采样点一直不超过最低检测限(0.003mg/L).从表面上看,实验中刚毛藻对TP与SRP的去除效果不明显;深入分析后发现,实验水域底部沉积物丰富,并有大量鱼类及其他水生动物活动,尤以藻类密集区为多,实验区藻类及其他生物的代谢活动作用于沉积物引起的TP释放要比对照区强得多,但在水域恢复稳定状态后藻类密集区的TP浓度略低于另外两区,由此显示出刚毛藻密集区对磷的去除效果.从SRP的数据看,无藻对照区和藻类稀少区水体中SRP均未检测到,而藻类密集区却持续处于检测限水平.综合两项数据,藻类密集区TP较低而SRP较高,据此推断,在实验水域中磷经由以下途径得以去除:沉积物—水体TP—SRP—藻类吸收转化.在藻类密集区,由沉积物到SRP的过程速度较快,刚毛藻生长迅速,并大量吸收转化水体中的SRP;而在对照区,从沉积物到SRP的过程相对缓慢,池内残余的少量各种藻类的吸收也能有效抑制水中的磷含量,这样才形成了实验所获得的数据分布情况.单从水样的测定结果来看,藻类的除磷效果并不明显;但从实验水域整个生态系统的尺度来考虑,刚毛藻确实有效地吸收了磷元素,并能将其从该生态系统中完全清除.目前,许多富营养化湖泊难以治理的一个关键原因就是超富营养化底泥的释放问题,从这一点来看,探讨藻类对沉积物中磷的吸收具有更重要的实际意义.总的来说,在实验水域生态系统中,该刚毛藻能适应较高水温,在营养浓度不高的水体中仍能显示对氮、磷的去除效果,提高pH值,降低电导率.3适合其他水体环境根据本文研究结果并参考相关文献,两种被试藻类应用于水质净化,除具有藻类水质净化的一般优势外,还具有以下特点:绿球藻虽是单细胞藻类,但其细胞体积大,易于获得足够生物量,其细胞壁较厚,在培养过程中表现出明显的附着和沉积特性,且能通过特殊生理反应耐受高浓度氮磷和重金属.刚毛藻适应的营养浓度范围很广,无论在营养浓度很低的水源水还是在氮磷浓度极高的人工合成生活污水中,刚毛藻均可维持正常生长代谢并有效降低水体中的氮磷营养浓度.综合以上分析,绿球藻可望在生活污水和工业废水的藻菌生物膜法处理