【毕业学位论文】藻菌共固定化技术研究

分类号 学校代码 10495 620 学 号 0815163010 武汉纺织大学 硕 士 学 位 论 文 藻菌共固定化技术研究 作者姓名： 王芳 指导教师： 鲁敏 学科门类： 工学 专 业： 环境工程 研究方向： 新型水处理技术研究 完成日期： 二零一一年五月 . E. of by y U 011 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 武汉纺织大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 武汉纺织大学 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： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 论文题目：藻菌共固定化技术研究 专业： 环境工程 硕士生： 王芳 指导老师： 鲁敏 摘要 随着人口的增长、工业的不断发展和化肥及农药的普遍应用，微生物固定化技术在污水处理方面逐渐得到重视。 本课题通过正交试验法确定了最适宜的包埋条件：海藻酸钠溶液浓度为3%、氯化钙浓度为2%、交联时间为8 h、胶球直径为4 胞易泄露等问题是有效的，显著改善了固定化性能。 通过实验室的小试实验，研究了不同藻密度、菌体比例、藻菌体积比，3 N、99%，菌体比例为2:1，藻菌体积比为1:1较合适。 研究了温度、适温度为 30，右，以及氮磷比对氨氮去除率的影响和空白胶球对氮磷去除率的影响实验。 利用究了包埋胶球对污水中氨氮和正磷酸盐的去除效率，并与悬浮法进行了比较。结果表明，在氨氮浓度为 38 、正磷酸盐浓度为 3.7 、左右、生化反应时间为4 磷去除率分别可达到100%和68%，出水但包埋胶球固定化藻菌可实现同时硝化反硝化和同步除磷。同时利用固定化藻菌技术，可以解决藻类难收获的问题和避免藻类的直接排放引起的二次污染。这些结果说明了固定化藻菌系统在污水脱氮除磷方面的潜在应用前景。 关键词：藻菌；固定化；氮除磷 研究类型：应用研究 of U ue to is an in of by of in in as an to 3% 2% 8 h as 4 mm as s is to in of to by in of to to of in to of in of 9% N of to to :1 :1. of on PH OD of to on is 0C, H is in We of by of by BR N is 8 , .8 , 50 , h, of 7% N P 7% at of is is by of I 目 录 1 绪 论 1 1 氮除磷的工艺 2 2 4 生物藻菌脱氮除磷的原理 5 生物脱氮的原理 5 藻脱氮除磷的原理 6 菌共生系统净化污水 8 定化微生物技术 8 定化微生物技术的发展 8 定化细胞的载体及其选择 9 定化微生物的制备方法 10 生物固定化微生物机理 11 定化微生物技术优点 12 题研究的目的与主要内容 12 题研究的目的及意义 12 题研究的路线及内容 13 2 实验试剂及方法 17 验试剂与仪器 17 验藻类的来源 17 养基的配置 17 验试剂 17 要仪器与设备 18 验方法 18 析项目及测定方法 18 菌的培养 18 验污水 020 3 固定化工艺参数研究 21 佳固定化工艺的确定 21 藻酸钠与氯化钙不同浓度组合对氨氮去除率的影响 21 球直径大小对氨氮去除率的影响 23 联时间对氨氮去除率的影响 23 悬液的体积对氨氮去除率的影响 24 目 录 交试验 24 25 定化胶球的制备 26 章小结 26 4 藻菌系统的研究 28 化细菌的培养 28 种的选择 28 白核小球藻藻种的实验曲线 28 污能力实验 30 菌比例的确定 32 定化胶球藻细胞密度对脱氮除磷的影响 32 化菌和小球藻的体积比对脱氮除磷的影响 33 章小结 34 5固定化藻菌系统脱氮除磷的研究 35 态因子对固定化藻菌系统脱氮除磷的影响 35 度对固定化藻菌系统脱氮除磷的影响 35 37 同氮磷比对固定化藻菌系统脱氮除磷的影响 38 源对固定化藻菌系统脱氮除磷的影响 40 定化藻菌在 41 验装置 41 浮法对废水处理的试验研究 42 定化细胞法对废水处理的实验研究 43 章小结 44 6 结论 46 致 谢 48 参考文献 49 附 录 52 1 绪论 1 1 绪 论 污水处理技术发展的初期，人们认识到了有机污染对环境生态的危害，从而把有机物和悬浮固体的去除作为污水处理的主要目标，并没有把氮磷等营养物质考虑在内1。随着城市化和工业化程度的不断提高以及化肥和农药的广泛使用，大量的氮磷营养物质进入江河湖海，使水体富营养化日益严重。水体富营养化使水体中藻类种类减少，而个别种类的个体数量猛增，导致水体带有异味，水质恶化，破坏湖泊和海洋的生态环境。水体富营养化影响给水水质，增加水处理成本，造成经济损失，严重影响国民经济的可持续发展。随着人们环境意识的增强，水环境污染的问题日益尖锐化，越来越多的国家和地区制定严格的氮磷排放标准，要达到这些排放标准，选择适宜的脱氮除磷技术在废水处理中变得日益重要2 出水的总氮和总磷4含量仍然偏高,足以引起水体富营养化。目前，常用的化学、物理化学法和微生物处理方法可以有效地去除污水中氮磷，但运行操作复杂，费用较高，使污水中潜在的营养价值丢失5因此，高效、经济的生物脱氮除磷技术是废水处理工艺发展的趋势。 微藻最初应用于废水处理是在1957年提出的，逐渐得到了广泛的应用。微藻能够低成本、高效的去除废水中的有机物和无机物7,它们具有独特的代谢作用，在污水处理中可以通过光和作用利用太阳能和无机物生成有用的生物量，可以去除重金属和回收贵重金属8，可以制成高蛋白饲料，产生的溶解氧可以提高水体质量9，可以利用高水体到杀菌作用10。 微藻应用于污水处理领域中存在出水微藻难以收获，2，直接排放到水体中的微藻会使水体浊度升高和造成二次污染等的不足。硝化细菌的世代时间长，生长缓慢，而伴生的异养细菌生长迅速，数量上远远超过硝化细菌11，在污水处理中就难以维持较高的微生物浓度。硝化细菌易受环境影响，对环境冲击尤其是毒物冲击非常敏感。反硝化细菌是在厌氧条件下进行反硝化作用，与硝化细菌在好氧条件下的硝化作用难以在时间和空间上统一13。 自60年代固定化酶问世以来，固定化技术的研究和应用领域不断扩大，其在废水处理中的应用研究是近20年来发展起来的一项新型强化微生物技术。采用固定化技术处理废水能减少微生物的流失，固液分离容易，提高载体中微生物密度，大大提高系统处理效率，具备承受有毒物质冲击能力及降解难生化有机物的功能，已成为近年来废水生物处理研究的热点之一14固定化藻菌系统能够利用藻类和细菌两类生物之间在生理功能上产生的协同作用和固定化胶球内部1 绪论 2 形成的氧浓度梯度，有效去除水体中的营养物质，实现同时硝化反硝化和同步除磷；可以避免藻菌的流失和藻类直接排放引起的二次污染；以开发出效率高的反应器；处理负荷高，水里停留时间进一步缩短；能够纯化和保护高效藻菌种类，因此具有良好的应用前景17 氮除磷的工艺 水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在，通常含有少量或没有亚硝酸盐或硝酸盐形式存在的氮。脱氮的方法有物理化学方法和生物方法。物理化学方法包括吹脱法、电渗析和反渗透、离子交换法、折点加氯和化学混凝的方法20。但物理化学法工艺复杂、处理成本高、运行费用高、容易造成二次污染，在实际应用中受到一定的限制21。 （1）传统生物脱氮工艺 它的理论是使物脱氮工艺主要有一下几种。 2 硝化阶段 反硝化阶段 统硝化反硝化 连续流活性污泥法工艺 如缺氧好氧工艺（A/O）、，反硝化、硝化和有机物去除分别在两座不同的反应器内进行。A/建费用低，以废水中有机底物作为碳源，无需外加碳源，但出水中含一定的硝态氮。工艺中的好氧池后串联了一个缺氧池和一个曝气池，有较好的脱氮和去除有机物的效果，同时还有除磷的作用，但工艺流程相对复杂，建设费用较高22。 间歇式活性污泥处理工艺 批式反应器）的脱氮原理与连续流反应器的硝化反硝化脱氮原理相同，特点是将曝气池和沉淀池合二为一，生化反应呈分批进行。性污泥性状好、较少污泥膨胀，污泥产率低；脱氮除磷效果好。但设备的闲置率较高，对于单一法解决大型污水处理项目连续进水、连续出水的处理要求。 生物膜法 生物滤池、生物转盘、生物流化床等均是常用的生物膜法处理构筑物，生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附污水中的有机物，具有很强的氧化能力，在有机物被分解的同时，微生物的机体则在不断增长和繁殖，就增加了生物膜的数量。影响硝化作用的重要因子是有机负荷，由于硝化细菌与异养菌彼此之间的竞1 绪论 3 争,它的变多会导致硝化效率降低，生物膜表面空间和溶解氧，从而抑制硝化菌的增值。在生物膜脱氮系统中，应进行混合液的回流以提供缺氧反应器所需的污泥不需要回流。 传统生物脱氮方法在很多方面都显示出很大的问题，由于硝化菌群繁殖速率增加的不够快且对于很高的生物浓度它很难保留，特别是在低温的冬季，因此造成很长时间的系统水力停留，从而造成基建投资和运行费用提高，且减少了有机负荷。 （2）新型生物脱氮工艺 目前，主要有两种方法可以使生物脱氮工艺的能耗和化学药耗耗用量低、紧凑而效率高、基建及运行费用低和脱氮效率高。一是氮化合物通过亚硝酸盐路径去除，这也是所谓的短程硝化是在供氧受限或缺少有机碳源的厌氧条件下发生同步硝化和反硝化，这一现象已在纯硝化基质、厌氧污泥混合基质以及生物膜系统中发现22。 短程硝化硝酸盐是在短程硝化而硝酸盐菌的活性被其克制性的物质所限制，再而积累了大量的亚硝酸盐，最后反硝化反应才得以进行，在这时所需电子供体量和需氧量将各自降低40%和25%23。 2 硝化阶段 反硝化阶段 程硝化反硝化生物脱氮途径 由图 以看出其原理的重点在于在将 行氧化，并阻截 终反硝化才得以直接进行。所以，近几年实验研究侧重于二点：怎样长时间不变地保持很高浓度的根据短程硝化有典型的工艺有荷兰戴尔夫特理工大学开发的4和比利时根特大学微生物生态研究所开发的5工艺。 艺应用了在高温（3035C）下，氨氧化菌的最小停留时间介于亚硝酸盐氧化菌和氨氧化菌最小停留时间之间，而亚硝酸盐氧化菌的生长速率明显低于氨氧化菌的生长速率，因此氨氧化菌浓度变高的前提就是控制温度和为了维持亚硝酸盐的稳定积累，亚硝酸盐氧化菌在这一条件下会被滤出。但该工艺是在较高温度下实现短程硝化反硝化，对于低温含氨污水，要使大量水升温、保温在3035艺是由直接富集的自营养硝化菌培养基作为微生物催化剂处理富含铵的废水，提供适量的氧，以使硝化只进行到形成亚硝酸盐阶段，随后由于缺少电子受体而消耗其自己的亚硝酸盐以氧化剩余的氨，工艺的关键是控制溶解1 绪论 4 氧浓度来实现亚硝酸盐的积累。该工艺对为50 (Ld)，但在混合菌群连续运行条件下难以对氧和污泥的同时硝化反硝化脱氮工艺 同时硝化反硝化（应机理的探讨还未成熟。宏观环境理论、缺氧微观理论和微生物理论这三者构成了综合分析的机理。 因为生物反应器中存在各种各样的形态，从而造就了生物反应器的大环境即在其内部形成缺氧及（或）厌氧段，这样就是所谓的宏观环境理论，宏观环境由些而生26。有的好氧反硝化菌同时也是异氧硝化菌，所以能够直接把氨氧化成最终气态产物27。 水的除磷技术目前主要有化学除磷法和生物除磷法。 （1）化学除磷法 化学除磷反应可用下面的式子表示： 5+3 它是使磷成为不溶性的固体沉淀物，从而从污水中分离出去。其他金属离子，如铁、铝，对于除磷也是很有效的。在化学除磷的实际应用中，主要使用铁盐和铝盐作为沉淀剂。该法混凝剂的投加量不易控制，一般到多于理论上的计算数值，还引入了新的化合物。 第一部直接或前置化学沉淀、第二部同步化学沉淀、第三部后置化学沉淀和第四部后续接触过滤，这四部直接构成了化学除磷法工艺。 第一部反应称为强化一级处理，它是采用化学混凝沉淀和一级处理相混合的方法，这一办法在很多污水处理厂被采用，它的主要原理是在初沉池之前，往曝气沉砂池中投加化学沉淀剂，这就是所谓的直接或前置化学沉淀。同步化学沉淀是在二次沉淀中同时发生化学混凝沉淀和活性污泥法沉淀，这一反应也是在进水曝气池中投入化学沉淀剂，然而这种处理程序的进行，是在无有机物负荷的状态下，及被污染水体富营养化的制约因子是磷的情况下才可以。而第三部后置化学沉淀的化学沉淀剂加入二次沉淀池之后的单独絮凝使用铁盐和铝盐，并控制适宜的比前两种处理方法达到更高的除磷效率，即90%95%。最后一部后续接触过滤是指后续过滤接于后置化学沉淀之后，它一般与前置化学沉淀、同步化学沉淀或后置化学沉淀串联应用。 （2）生物除磷法 最近几年，随着化学沉淀除磷在除磷技术大体发展形式中的应用快速降低，特别在其前置和后置化学沉淀阶段，通过依靠多种聚磷菌这一微生物的除磷活性的特点，且其原理主要是通过聚磷酸盐的方式保存，并摄取磷以好氧和缺氧这二1 绪论 5 种条件的方式，它还能通过厌氧这一条件产生能量，其原理是将聚磷酸盐分解从而得到三磷酸腺甘这一（并保存在细胞内，它是通过一些有机颗粒的样式如糖原和，从而把小分子量的有机物吸入细胞中，特别是某些存在于废水里的脂肪酸等，同时再把通过聚磷酸盐所产生的磷酸排除细胞外。伴随着生物除磷技术这一应用的快速发展，这一除磷方法迅速被许多国家接受和认可。这也就是生物除磷过程中的好氧吸磷和厌氧释磷。 生物除磷技术几乎全部采用活性污泥法，最近几年应用最多的磷工艺，然而在很多条件下，生物脱氮与生物除磷二种反应同时在一个处理过程中进行，然而在相同的生物反应中即进水、曝气、沉淀和出水这四个运行周期溶解氧梯度的变化中，通过成了厌氧、缺氧和好氧环境，再由于它们间歇曝气和序批间接式工序的特征，从而高效的进行生物除磷和脱氮，这一结果将反硝化细菌、聚磷菌和硝化细菌得以共存，但达到日益严重的排放标准28很困难。 微生物脱氮的原理 目前采用的生物脱氮技术的理论基础是微生物的硝化和反硝化作用，主要依靠硝化细菌和反硝化细菌来完成。 （1）硝化细菌 硝化细菌由氨氧化细菌（亚硝酸盐氧化细菌(部分组成。 氨氧化细菌都为专性好氧菌、革兰阴性菌，在低氧压下能生长。化能无机营养，氧化中获得能量供合成细胞和固定度范围为530适温度2530C；最适条件下，亚硝化球菌属的世代时间为812 h，亚硝化螺菌的世代时间为24 h。亚硝酸弧菌属、亚硝酸叶菌属、亚硝酸球菌属、亚硝酸螺菌属和亚硝酸盐单胞菌属这五个属构成了氨氧化细菌。 亚硝酸盐氧化细菌为革兰阴性菌，氧化代时间随环境条件变化一般为为8 其在亚硝酸浓度为230 、度2530硝酸盐氧化细菌由硝化杆菌属（硝化刺菌属（硝化球菌属（硝化螺菌属（个属组成。硝化杆菌既能进行化能无极营养又能进行化能有机营养。其余菌属进行化能无机营养。 1 绪论 6 （2）反硝化细菌(33是所有能以种类学上没有专门的类群，分散于10个不同的细菌科中，自然界中最普遍的反硝化细菌所属的菌属是假单胞菌属（其次是产碱杆菌属（反硝化菌有化能有机营养型和无机营养型。 1）微藻的种类特性 藻类的种类繁多，目前已知有3万种左右。不同藻类的形态、运动性、所含叶绿素的种类、用于产生高聚物的碳源物质、细胞壁类型以及栖息地可作为藻类分离的特征依据。这些特征列于表14。 要藻类类群的特征 藻类类群 名称 形态 色素 存储物质 细胞壁 主要栖息地 绿藻门 藻 单细胞到多叶状 叶绿素粉（葡萄糖） 纤维素 淡水，土壤，少数海洋 眼虫藻门 虫 藻类 具有鞭毛的单细胞 叶绿素藻淀粉 无细胞壁 淡水，少数海洋 金藻门 藻 金褐藻 单细胞 叶绿素a、脂 有两片硅质壳盖合 淡水，海水，土壤 褐藻门 藻 丝状体到多叶状 叶绿素黄素 昆布多糖，甘露醇 纤维素 海洋 甲藻门 藻 具鞭毛单细胞 叶绿素粉（葡萄糖） 纤维素 淡水，海洋 红藻门 藻 单细胞，丝状到多叶状 叶绿素胆蛋白，藻红蛋白 红藻淀粉，佛罗里多苷 纤维素 海洋 藻类植物的种类繁多，目前已知有3万种左右。根据藻类营养细胞中色素的成分和含量及其同化产物、运动细胞的鞭毛以及生殖方法等分为若干个独立的门。对于分门的看法，我国藻类学家多主张将藻类分为 12 个门。金藻门（黄藻门（硅藻门（甲藻门（褐藻门（红藻门（裸藻门（绿藻门（轮藻门（主要的 9个门。 藻类具有以下特征：藻类的形态结构包括单细胞、群体、丝状体、叶状体及管状体等，个体差异大，细胞微小，繁殖方式包括营养繁殖、有性繁殖和无性繁殖；藻类适应性强，分布广泛；藻类细胞壁是多层微纤维结构，一般都含有纤维素和果胶质以及藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等，它们可提供氨基、酰胺基、羟基、醛基等功能团与金属结合。藻类细胞壁一般为多孔结构，允许分子和1 绪论 7 离子通过；藻类在不同的水体中具有特定组成种类。它们的数量和种类的变化，并因此而导致的结构和功能的变化，反应了环境中水质的变化： n n n+ n 类的光合作用增加了水体中的溶解氧，使好氧菌能够不断的进行有机质的降解，而藻类则利用细菌降解有机质产生的、以上这些特征决定了它们在污水中的净化作用：吸收污水中的氮、磷营养物质，合成自身需要的氨基酸和蛋白质等物质。富集污水中的有毒重金属离子和放射性元素，或回收贵重金属离子和微量元素。作为肥料、诱饵甚至食品或保健品加以利用。作为水质监测和评价的重要参数。 （2）脱氮除磷的原理 5提出，藻类的分子式近似为从藻类的分子式和光合作用的反应分子式可以看出，藻类生物量的重要元素是氮磷。 大多数情况下，藻类可利用的氮源包括无极氮和有机氮36，氮约占藻类干重的10%。而藻类利用不同形态的氮的顺序为，单有机氮（如尿素、简单的氨酸等）37。对氮化合物的解毒是因为无极氮被藻类消化吸收从而转化为了生物量这一特性。 有些藻类能固定大气中的氮并加以利用38，但大多数的藻类不仅可以通过自养的方式，还能够直接吸收多种有机氮如尿素、氨基酸等，而这些是因为有机物可以进行兼性营养。 城市污水中含有许多藻类生长的氮源，从某种程度上，特别是从对氮的需求而言，城市污水中含量最高的无机氮源是氨态氮，尿素次之，因此水中的游离氨浓度太高会对藻类的生长造成抑制，所以氨态氮会被细菌转化或直接化为氨氮从而被藻类利用。 可溶性活性磷（可溶性非活性磷（39构成了溶解性磷，而溶解性磷（颗粒磷（大自然界中磷存在的自然形态。 实验显示，要是因为在能量传递和核酸合成细胞的过程中，磷起了至关重要的作用。这是因为离子的温度36和浓度，主要指K+、磷浓度、及而变化成了无机或有机化合物而存在于细胞内。然后再将磷转化成高能有机化合物，这主要是藻类发生了作用，其原理是将底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化这三种不同的过程。i最开始的两个阶段，来自线粒体的电子转运系统和来自呼吸底物的氧化从而转化成了能量。光能被转化结合进40，这一过程发生在最后一个系统中。 1 绪论 8 过一系列藻菌之前的光合作用及代谢作用。由此循环，使污水得到净化，也就形成了藻菌互生关系，称之为“藻菌共生”41。 菌共生系统图 在此基础上建立的菌藻共生系统的高效藻类塘，在世界范围内引起了广泛的应用。因此 高效藻类塘对污染物的处理效率高，系统设备简单，建设成本低，运行能耗低；可回收有用物质实现废物资源化再利用。但该工艺适合在气候温暖、阳光充沛、地方比较宽敞的城镇和农村地区应用。 定化微生物技术 定化微生物技术的发展 固定化微生物技术（现代生物工程领域中的一项新兴技术。固定化细胞技术、固定化藻技术和固定化酶技术是固定化微生物技术的主要三个技术。20世纪70年代，由于固定化酶技术和细胞悬浮培养技术的革新结合，创造了固定化细胞技术，因为它是从固定化酶技术演变而来的。然而最原始的固定化技术起源于古代，人类为了促进微生