（环境工程专业论文）悬浮藻类处理微污染水的实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为研究悬浮藻类对微污染水体中污染物的去除特性，本课题试验在不 同微污染水质条件下培养悬浮水藻，研究了悬浮水藻细胞密度的增长规律 和污染物的去除规律。本文还在不同p h 值条件下，对悬浮水藻的生长规 律及污染物去除特性进行了研究。 ， 对分别代表城市河流、城市人工湖景观水体、城市二级污水处理厂出 水的3 种典型的微污染水水样的悬浮水藻培养对比试验中：水样氨氮初始 浓度分别为4 8 m g 1 、8 4m g l 、1 5 6 m g 1 ，试验末期水样氨氮的去除率分别 达到9 5 2 、8 3 3 、9 4 2 。总磷浓度分别为o 3 5 r a g 1 、o 5 2m g 1 、0 8 9 m g l ， 试验末期总磷的去除率达到7 7 1 、9 6 1 、2 0 。试验的3 个水样中悬浮 水藻细胞密度的变化趋势遵循逻辑斯蒂( l o g i s t i c ) 生长模型规律。水藻的 增长率符合高斯曲线规律。根据高斯拟合曲线，试验过程中控制酸碱度为 中性的1 稃水样水藻增长率的峰值最高，为1 8 1 4 ；初始酸碱度偏酸性的3 f 水样水藻增长率的峰值最低，为o 9 4 1 。本组试验中水藻的增长率高峰期 维持时间为2 0 7 4 2 7 8 8 天之间。悬浮水藻对磷的吸收较彻底，本试验中 总磷的最低浓度达到o 0 2 m g 1 。水体中水藻高速增长的后期，氮磷比的变 化趋势会因为不同的微污染水体水质而不同。 在设定不同的p h 值和在试验期间控制水体的p h 值的水藻培养试验 中：氨氮初始浓度为2 0 5 m g l ，总磷的初始浓度为0 9 4 m g 1 。中性条件下 最终的藻细胞密度是偏酸性条件下的2 6 倍。酸碱度为中性的水体条件悬 浮水藻对总磷去除率最高为9 4 6 ；碱性条件去除率最低为3 4 。中性条 件有利于悬浮水藻对氨氮的去除。中性、偏碱性、偏酸性3 种条件下悬浮 水藻对氨氮的去除率分别为9 1 、8 2 、5 8 。酸性和碱性条件下水样最 终总磷的去除率分别为6 7 和3 4 。试验中c o d c r 的浓度变化趋势基本 符合零级反应动力学。c o d c r 的最终浓度最低为4 2 m g 1 ，去除率达到 8 3 8 。 本课题的试验结果显示，悬浮水藻对微污染水体中污染物的去除效率 好。不同p h 值条件下，对氨氮和总磷的去除率有较大影响，但是对c o d c r 的去除率影响不明显。 关键词：悬浮水藻、微污染水、氮磷 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n d e da l g a er e m o v ep o l l u t a n t s f o r ms l i g h t l yp o l l u t e dw a t e r , t h i se x p e r i m e n tr e s e a r c h e st h el o wo fs u s p e n d e d a l g a eg r o w t ha n dp o l l u t a n t sr e m o v i n gi nd i f f e r e n tp o l l u t a n tl e v e l t h i sp a p e ra l s o r e s e a r c h e st h ed i f f e r e n c eo fs u s p e n d e da l g a eg r o w t ha n dp o l l u t a n t sr e m o v i n gi n d i f f e r e n tv a l u ep h e x p e r i m e n t si nf o r m a lg r o u p ，s t a r t i n ga m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n sa r e 4 8 m g 1 ，8 4m g 1 ，15 6 m g 1s e p a r a t e l y a tt h ee n do fe x p e r i m e n ta m m o n i an i t r o g e n r e m o v er a t ea r e9 5 2 ，8 3 3 ，9 4 2 s e p a r a t e l y t h es t a r t i n gt o t a lp h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n sa r e 0 3 5 m g 1 ，0 5 2m e d l ，0 8 9 m g 1s e p a r a t e l y a tt h e e n do f e x p e r i m e n tt o t a lp h o s p h o r u sr e m o v er a t ea r e7 7 1 ，9 6 1 ，2 0 s e p a r a t e l y s u s p e n d e da l g a ei nt h i se x p e r i m e n tg r o wk e e pt ol o g i s t i cg r o w t hm o d e l ，a n dt h e i n c r e a s er a t i ok e e p st og a u s s i a nm o d e l a c c o r d i n gt og a u s s i a nm o d e lf i tc u r v e ， t h ei n c r e a s i n gr a t eo f1 a l g a ec o m e st ot h ep e a k ，b e i n g1 814 ，w h i l et h e i n c r e a s i n gr a t eo f3 拌a l g a ei st h el o w e s t ，a n db e i n go 9 41 t h ep e a kd u r a t i o no f a l g a e si n c r e a s i n gr a t ei ne x p e r i m e n t si n t h i sg r o u pi sb e t w e e n2 0 7 4d a y sa n d 2 0 7 8 8d a y s s u s p e n d e da l g a ec a na b s o r bp h o s p h o r u sc o m p l e t e l y t h el o w e s t c o n c e n t r a t i o no ft o t a lp h o s p h o r u si nt h i se x p e r i m e n tc o m e st oo 0 2 m g 1 i nt h e l a t es t a g eo fa l g a e sq u i c ki n c r e a s i n g ，t h ec h a n g i n gt r e n do ft h er a t i oo fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sw i l ld i s t i n g u i s hf r o me a c ho t h e ra c c o r d i n gt ot h ew a t e rc o n d i t i o n o fs l i g h t l yp o l l u t e dw a t e r e x p e r i m e n ti nt h el a t t e rg r o u p ，u n d e rt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：t h es t a r t i n g a m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni s2 0 5 m g 1 ，t h es t a r t i n gt o t a lp h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o ni so 9 4m g 1 ，a n di nd i f f e r e n tp hv a l u e ，i nn e u t r a lc o n d i t i o n ，t h e f i n a ld e n s i t yo fa l g a ec e l li s2 6t i m e st h a ni nt h ec o n d i t i o no fa c i d i t y t e n d e n c y t h r o u g ht h ec u s h i o n i n ge f f e c to fc a r b o n a t ei nw a t e ra sw e l la st h es e l f - a d o p t i o n o fa l g a es p e c i e sg r o u p sb i o l o g ya n dc h e m i c a la d j u s t i n gf u n c t i o n a l g a ec a l lm a k e w a t e r sp hv a l u et e n dt oc l o s eu pt ot h en e u t r a lr a n g et og r o w s u s p e n d e da l g a e g e th i g ha b s o r b i n gr a t eo f t o t a lp h o s p h o r u su pt o9 4 6 ，w h e nt h ew a t e ri sn e u t r a l ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 b u tw h e nt h ew a t e ri sa l k a l i n e ，t h er a t ei s3 4 ，b e i n gt h el o w e s t t h en e u t r a l c o n d i t i o nc a nh e l ps u s p e n d e da l g a et o r e m o v ea m m o n i an i t r o g e n n e u t r a l ， a l k a l i n e t e n d e n c ya n da c i d i t y t e n d e n c y , i ns u c h3 d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s u s p e n d e d a l g a ec a nr e m o v ea m m o n i an i t r o g e na td i f f e r e n tr a t e ：9 1 ，8 2 a n d5 8 w a t e r c a nr e m o v et o t a lp h o s p h o r u sa tt h er a t eo f6 7 a n d3 4 u n d e ra c i d i t yc o n d i t i o n a n da l k a l i n ec o n d i t i o n t h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g i n gt r e n do fc o d e ri s4 2 m g 1 a n dt h er e m o v a lr a t ec o m e st o8 3 8 a tl a s t ，t h er e m o v i n gp r o c e s so fc o d e rk e e p t oz e r oo r d e rr e a c t i o n t h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n ts h o wt h a ts u s p e n d e da l g a ec a nr e m o v e p o l l u t a n ti ns l i g h t l yp o l l u t e dw a t e re f f i c i e n t l y w h e nt h ep h v a l u ei sd i f f e r e n t ，i t a f f e c t st h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u ss e r i o u s l y , b u t i ta f f e c tt h er e m o v a lr a t eo fc o d c rs l i g h t l y k e yw o r d s ：s u s p e n d e da l g a e ；s l i g h t l yp 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 西南交通大学曲南艾迥大罕 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，同意学校保 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 借阅。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e f 、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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位乎文作者躲锈成枷制嗽：移象 日? ：少移乞 曰嚣卯矛多， 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。除文申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， 均己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： 随着水源水体、城市水体及景观水体的微污染化越来越普遍，微污染水 体处理的相关研究也日益增多并取得了一些成果，但是利用水藻控制微污染 属水体的研究还较少。本论文在试验研究悬浮水藻生长特性的基础上，探讨 利用悬浮水藻吸收去除微污染水体中n 、p 、含碳有机物等污染物的技术方 法，以解决微污染水体中因存在低浓度营养性污染物导致水体使用功能及环 境功能降低的问题。所以本选题具有一定的创新性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 微污染永的提出 第一章绪论 随着环境工程技术的深入研究，对介于清洁水体与污染水体之间的污 染程度较低的水仅用富营养化水体来描述越来越显得不够准确，于是上世 纪9 0 年代国内外学者开始使用微污染水体的概念。国外研究人员一般使 用“s l i g h t l yp o l l u t e dw a t e r 来描述微污染水【l 】，】2 j ，国内学者则使用 “m i c r o p o l l u t e dw a t e r ”来描述【3 】。虽然对微污染这个概念许多研究著作中 都做了描述，但是都欠缺明确的区分界限。 目前采用的水体富营养化判断标准是：氮含量超过0 2 0 3 m g 1 ，磷含 量大于o 0 1 o 0 2 m g l ，b o d 5 大于1 0 m g l ；p h 值为7 9 的淡水，且细菌 总数超过1 0 万个毫升，叶绿素a 含量大于1 0 m g l 的水体。 国内对微污染水体概念的定义主要有以下几种： 微量和痕量有毒有害的有机污染物进入水体污染水源，而这些有机污 染物浓度甚微，反映在c o d e r ，b o d 5 ，t o c 等常规指标上微不足道，但 其毒性甚大，是致癌、可提致癌和致突变的物质，对人体健康危害极大。 此类受微量和痕量有毒有害的有机污染物污染的水源称为微污染水源【4 】。 各种经过处理或者未经过处理的工业废水和生活污水排入水体，对天 然或者人工水体造成污染危害，以及水体中因含有溶解性有机微污染物、 氨氮化合物和超出标准值的溶解性总固体等无机微污染物，形成微污染水 体【5 1 。 地表水的物理、化学和微生物指标不能达到“地表水环境质量标准 中作为生活饮用水源的水质要求。水库原水水质指标低于地表水2 级标准， 以城市污水厂传统处理工艺：原水一加药混凝一沉淀一砂滤一加氯消毒， 不能有效处理达到国家饮用水水质标准的水源水也可视为微污染水【6 j ，p j 。 由上述各种定义或者描述可以看出，微污染水在广义条件下，其范畴 是比较宽泛的。微污染水体与富营养化水体两个概念之间有重叠之处。但 是微污染水体的概念不同于富营养化水体概念。一方面，富营养化水体的 概念侧重于营养性物质和水体的营养性效果导致天然水体生态功能紊乱 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的后果的描述，微污染水则侧重于水质受到污染的程度的描述；另一方面， 微污染水体的范畴比富营养化水体的范畴大，几乎包括所有水质介于清洁 水体与污染水体之间的各种水源水体。 本课题中研究的微污染水体主要针对受氮磷和有机物等轻度污染的 饮用水水源和城市景观水体( 河流、湖泊、住宅小区内人工水体等) 。 1 2 水体的微污染现状 1 2 1 城市水体的污染现状 在人口集中的城镇区域内的水体( 如湖泊、人工湖、护城河) 是城市水 体景观和城市生态建设的重要内容。由于多数湖泊水体及城市景观水体为 静止或流动性差相对封闭的水体，水体的自净能力弱，即便受到轻度污染 也会造成水体功能的下降。 地表水水体承载着迅速膨胀的城市人口及工业压力，加上保护不力和 过度开发使用，造成水体污染，严重影响周围的自然环境和居民的生活环 境，致使其景观价值丧失殆尽，经济损失不可估量。2 0 0 7 年6 月太湖发生 的严重水华使得微污染水体的问题进一步突显出来。 我国河流、湖泊大部分受到不同程度的污染，其中以北方城市和东部 经济发达城市受污染较为严重。城市地表水的微污染化，将使城市的经济、 城市生态、城市旅游价值蒙受巨大损失。城市水体可以美化城市环境，解 决城市热岛效应，创造幽雅的城市居住环境，提升城市的宜居度，所以解 决城市水体的微污染问题具有重要的现实意义。 1 2 2 天然水体的污染现状 河流湖泊等是人类社会的主要供给水源，河流两岸也是人类活动的主 要场所，人们的日常生活产生的生活污水和生活垃圾大部分就近排入河 流。在工业化社会之前，人类活动的规模较小，比较分散，产生的各种污 染物因环境容量相对较大，没有产生水源水污染的问题。 但是随着工业化程度的提高，沿河城市人口规模的急剧膨胀，人类活 动产生的各种废物大大超过了环境允许的受纳量，致使供水水源的污染问 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 题日益突显出来。我国本来就是一个缺水国家，而水污染使缺水形势显得 更为严峻。 七十年代以来，尽管我国在水污染防治方而做了很多工作，但水污染 的发展趋势仍未得到有效控制，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。 2 0 0 3 年度中国环境状况公报显示：七大水系干流的1 1 8 个国家控制断面中， i i i i 类水质断面占5 3 4 ，i v ，v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断 面占9 3 。各水系干流水质好于支流水质。2 0 0 6 年中国环境状况公报显 示：七大水系干流的1 18 个国家控制断面中，i 至i 类，i v 、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。全国地表水总体水质属中度 污染。对比可知，2 0 0 6 年地表水水质相比2 0 0 3 年有明显的降低。其中， 劣v 类断面由原来的9 3 上升到2 8 ，而i 至i i i 类却由原来的5 3 4 ，降 低到4 0 。 表1 12 0 0 3 年与2 0 0 6 年地表水监测断面水质对比表 根据2 0 0 5 年全国水资源调查f 9 】对全国1 0 7 3 个饮用水水源地的水质评 价结果，水质为i 类的水源地占4 8 ，i i 类占3 8 7 ，i i i 类占31 8 ，即 合格水源地比例为7 5 3 ，被污染的水源地中，水质为类的水源地占 1 1 8 ，v 类的占4 5 ，劣v 类的占8 4 。其中长江流域水源地合格率在 8 0 左右，各个水源地水质主要超标参数为化学需氧量、高锰酸盐指数、 五日生化需氧量、氨氮、铁和锰，其中部分水源地进行有毒有机物测定超 标项目多为多氯联苯、苯并芘、二硝基甲苯、苯和二氯乙烷等中的一项或 多项。 全国七大水系中海河水系污染最严重，劣v 类水质断面占5 0 以上； 辽河水系总体水质较差，劣v 类水质断面占4 0 6 ；黄河水系总体水质较 差，支流污染普遍严重：淮河干流以i v 类水体为主，支流及省界河段水质 仍然较差；松花江水系以i v 类水体为主；珠江水系、长江干流及主要一 级支流水质良好，以i i 类水体为主。七大水系主要呈现为有机污染，主要 污染指标是石油类、生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、挥发酚等。 按照综合污染指数比较，七大水系污染程度由重到轻依次为：海河、 辽河、黄河、淮河、松花江、长江、珠江。与上年( 2 0 0 4 年) 相比，海河、 辽河和淮河污染程度略有减轻，松花江、珠江和黄河支流污染加重。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 重点监测的2 8 个湖库中，满足i i 类水质的湖库有1 个，占3 6 ；i i i 类水质湖库有6 个，占2 1 4 ；类水质湖库有7 个，占2 5 0 ；v 类水 质湖库有4 个，占1 4 3 ；劣v 类水质湖库有1 0 个，占3 5 7 。其中主要 污染指标为总氮和总磷，湖泊存在不同程度的富营养化状态。如巢湖、滇 池、太湖、洪泽湖已发生了严重富营养化，水体变色发臭，引起湖泊生态 系统的改变。 针对以上全国重点河流、湖泊的大面积轻度污染问题，改善微污染水 体水质问题已迫在眉睫，成为实施可持续发展战略必须解决的重要课题。 随着人们对环境的日益重视和环保意识的不断增强，对于微污染水处理的 重要性及必要性必将有更深入的认识。微污染水处理也必将成为继生活用 水处理、工业用水处理后的又一水处理的崭新领域，其市场前景和发展空 间巨大。 1 。3 水生植物处理微污染水的研究现状 1 3 1 国外研究情况 藻类作为一种分布广、适应性强的自养生物，很早就被应用于污水处 理。美国、法国、德国、前苏联等国家较早对藻类治理废水进行了大量的 研究，并取得了大量研究成果。多项研究表明，藻类对污水处理有良好的 作用，具有较大的工程应用性。 1 9 5 3 年，德国的d r k a t h es e i d e l j 在德国的m a xp l a n c k 研究所建造 了第一个中试规模的湿地污水处理设施。他在研究中发现，湿地中的大型 植物和悬浮藻类能去除大量有机和无机物，并发现一些污水中细菌在通过 湿地系统处理过程逐渐消失，如大肠菌、肠球菌、沙门氏菌。试验表明， 高大植物和悬浮藻类能从水中去除重金属和碳水化合物。2 0 世纪5 0 年代 末，在d r k a t h es e i d e l 等人研究的基础上，工程师又设计出生物稳定塘 f w s p ，w a s t es t a b i l i z a t i o np o n d ) ，并开始在世界范围开始得到了广泛应用。 稳定塘有好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气塘等多种类型。 早在1 9 5 7 年o s w a l d 等【lo 】就建议将微型藻类用来作为一种取代污水处 理中的活性污泥的生物系统。此后，建立在人工水体基础上的稳定塘、氧 化塘、人工湿地、藻菌共生塘等技术陆续出现，成为污水三级处理的基本 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 处理手段，并取得了较多的运行经验和参数。研究表明，利用藻类去除有 机物的能力，通常一种藻类只能代谢1 至2 种有机物。现在，人们越来越 重视细菌与藻类相结合的应用。 在6 0 年代中期，d r s e i d e 与d r k i c k u t h 合作【l ，并由d r k i c k u t h 开 发了“根区法( r z m ) ，此法由一种有芦苇的矩形池子组成。土壤含有钙、 铁、铝添加剂，以改善土壤结构和对磷的沉淀性能。水以潜流方式水平流 过芦苇根区。由于芦苇根区强烈的物质交换作用，芦苇根区为大量微生物 的生长提供了良好的条件，污水流过芦苇床时，微生物对有机物进行降解， 氮、磷等营养物质也被芦苇和微生物大量吸收。 上世纪9 0 年代泰国s m u t t a m a r a 等【1 2 】人利用折板稳定塘去除污水中 的氨氮和有机碳，研究结果证明系统中的藻菌共生生物膜对氨氮和总磷的 去除率分别达到6 5 t n 和9 0 n h 3 n 。 同期南非的工程师p d r o s e 等【13 】人在利用高效藻类氧化塘对皮革厂 废水二级生化处理的出水进行处理试验，发现这种处理系统能够成功地去 除臭味和解决氨氮毒性对s p i r u l i n a 藻生产力的影响。 o r z i m m o 等f 1 4 】研究了藻类稳定塘污水处理系统中氨氮的挥发量， 试验中测定了一个氨氮浓度系列的四个藻塘和四个平行的浮萍浮床，试验表 明藻类塘中氨氮挥发量较浮萍塘中高。浮萍塘的p h 值较低，游离氨的浓度 较低，因此氨气的挥发量较低。这就表明浮萍塘并未因覆盖作用减少氨氮挥 发量。这两种处理系统的试验结果显示，氨氮的总挥发量均不超过1 5 。因 此，可以认为污水中氨氮的去除主要是因生物的同化作用完成的，而非以前 认为的挥发作用在氨氮去除过程中起重要作用。 近来m e r c e d e sg a r c i a 等n 鄙比较了人工湿地和藻类处理系统( 包括高效 藻类塘和藻类熟化塘) 这两类处理系统对法国里昂地区的生活污水进行处理 的效果。人工湿地分为潜流式和敞开式两种，在剔除表面蒸发效应的条件下， 潜流式人工湿地具有较好的污染物去除效果。藻类熟化塘对污染物的去除效 果明显高于高效藻类塘，尽管高效藻类塘具有较好的表面蒸发效果。但是总 体上讲，人工湿地比藻类处理系统具有更好的处理效果。 mcg r i f f 等1 1 6 j 提出“活性藻 方法，把藻类和活性污泥结合起来，使藻 类具有与活性污泥一样良好的絮凝沉降性能，再采用与活性污泥相似的流程 来处理污水，污水中氮的去除率达9 2 ；磷的去除率达9 4 。但由于活性污 泥的遮光作用，使得光因子成为对“活性藻工艺影响较大的因素，进而阻 碍了“活性藻 在工程中的推广应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 2 国内研究情况 近年来国内有关利用藻类处理废水的研究日渐增多，但大多都停留在 藻种筛选阶段，将该技术投入污水处理实际工程及产业化的报道尚不多 见。国内主要的研究机构是中科院的水生生物研究所、同济大学、武汉科 技大学、西安建筑科技大学等研究机构。但是多数国内学者研究方向主要 集中在水体富营养化造成的水华的研究上。 8 0 年代以来，随着生物技术的发展，藻类大规模培养技术不断完善， 国内外对进一步充分发挥藻类净化污水的潜力进行了大量的试验性研究， 藻类净化污水的机理研究更加深入，藻类吸收并去除污染物的动力学模型 及与环境因子的相关模型相继建立并完善，这些都为藻类污水处理生物技 术打下了良好的基础l l 。 汤显强等人的研究选择页岩作为小型人工湿地填料，采用芦苇、石菖 蒲、千屈菜、美人蕉、黄花莺尾、香蒲和水葱去除富营养化津河水体中的 氮磷。在水力停留时间为3 小时，不同湿地植物氮磷去除性能差异显著， 与无植物空白相比，千屈菜、水葱和香蒲s r p 和t p 去除性能较好，芦苇、 香蒲和水葱t n 去除性能突出。综合比较7 种植物氮磷去除性能表明：水 葱、香蒲和芦苇可选择作为北方人工湿地氮磷去除植物【i 引。 许航等【1 1 】利用水花生和水葫芦塘处理校园生活污水和食堂废水，全年 对氮磷具有较高的去除效果，氨氮去除率在8 0 9 0 ，正磷酸盐去除率在 7 0 9 9 ，总磷去除率在6 0 9 6 。 目前，关于水生植物净化系统除氮机理存在较大争议。刘超翔等【l 9 】 认为人工湿地中植物吸收去氮占投配总氮量的4 0 ，反硝化占1 0 一1 9 。 许航等认为水生植物塘中的氮素主要通过氨化细菌、亚硝化细菌和反硝化 细菌的作用和水生植物吸收而去除。 同济大学的课题组在国内外相关研究的基础上进行了藻一菌共生塘 ( a l g a e b a c t e r i as y m b i o t i cs y s t e m ) 在生活污水处理中的应用性中试研究，取 得了较好的处理效果。在藻一菌共生系统中，小球藻属和栅列藻属等单细 胞绿藻是优势种群，其藻类蛋白生长非常快，氨基酸等营养成分也非常高。 虽然藻一菌共生系统对污水的处理是有效的，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。如塘内光能利 用率较低，约为2 左右；藻类密度较小，生物量一般不超过1g l ，温度、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 p h 值和溶解氧浓度不易控制等缺点，这些都严重妨碍其进一步的应用发 展。 氮磷比是影响悬浮水藻生长的主要因素1 2 0 】，【2 l 】。氮磷比处于1 0 ：1 - 2 5 ：1 时，藻类生长与氮、磷浓度存在直线相关关系。当比值为1 2 ：1 1 3 ：l 时最适 宜藻类生长，当比值小于4 时，氮成为限制藻类生长的决定性限制因素。 重庆大学罗固源等主持研究的：三峡库区次级河流河口及回水区域污染演 化反应及其控制的试验研究，结果发现水藻的生长受季节温度变化影响较 大，夏季更适合藻类增殖，当t n t p 为1 2 ：1 时，藻类的繁殖最快。 凌晓欢、况琪军等【5 l 】借助人工装置和露天水池，通过分析实验水体中 氮、磷元素浓度的变化，研究了实验室条件下一种绿球藻( c h l o r o c o c c u ms p ) 和露天小型生态系统中寡枝刚毛藻( c l a d o p h o r ao l i g o c l o n ak u t z ) 对污水中 氮磷营养的去除效果。结果显示：绿球藻在高浓度氮和磷的污水中生长良 好并维持较高的氮磷去除率，在6 天处理期间，人工污水中总溶解性氮、 稍酸盐氮、氨氮、总溶解性磷的去除率分别达到4 6 2 ，3 7 8 ，9 8 4 和 7 9 3 ；在对天然湖泊水的处理中，绿球藻对总溶解性磷的去除率在第5 天为7 9 2 。室外条件下该刚毛藻通过吸收水体中的氮、磷营养维持自身 正常生长代谢，从而降低水体的电导率和改善水质。根据该研究结果，两 种被试藻类均可作为污水处理用藻类，其中c h l o r o c o c c u r ns p 适合用于静 态水体的修复与改善，c l a d o p h o r ao l i g o c l o n a 适合于流动水体的减负与治 理。 逯多等【2 2 】人利用沙角衣藻等4 种藻去除污水中的磷，去除率达7 0 以 上。试验结果发现，藻类去除磷能力的大小是由单个细胞的吸磷量和藻体 生物量共同决定的。 近年来，利用固定化这一生物技术形成固定化藻类系统以及高效的光 生物反应器的研制，成为克服传统的藻类污水处理系统停留时问长、占地 面积大、处理效率欠稳定、藻类收获难等缺陷的有效途径。山东建筑工程 学院的邢丽贞、张彦浩【2 3 1 ，利用固定化藻类去除污水中的氮、磷，对氨氮 及磷酸盐的去除率达9 0 以上；同济大学的何少林、黄翔峰、李旭东等【2 4 1 ， 采用多种藻的高效藻类塘，对t p 的去除率达8 0 以上，对氨氮的去除率 达9 5 以上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 研究的目的和意义 1 4 1 研究目的 随着我国工农业生产水平和生产规模的提高，水资源越来越成为制约 城市和国家发展的重要因素。我国近年来湖泊与河流轻度污染化状况日趋 严重。微污染水体已经引起研究人员的广泛重视。国内外都对以水藻处理 微污染水体进行了较深入的研究，并取得了丰硕的成果。 目前对微污染水体的生物控制手段基本是以自养水生生物对氮磷的 吸收特性，降低微污染水体的氮磷浓度。国内针对微污染水体的控制技术 的研究重点主要集中在水体内外污染源控制和物理化学领域内进行，处理 技术一般套用城市污水处理技术，处理成本较高，针对性和适应性较差哺引。 关于微污染水体中悬浮水藻的研究尚不多，而利用藻类处理微污染水的研 究又较少针对水源水和城市水体的微污染控制技术的研究。 本论文的研究目的是：通过对不同类型的微污染水体中悬浮水藻的生 长特性的研究，揭示其污染物质的去除机制和特点。通过设置水体的不同 初始p h 值及试验过程中对p h 值的调节，研究悬浮水藻在不同p h 值条件 下对污染物质的去除特性。 1 4 2 研究意义 本论文通过对微污染水体中藻类生长特性及污染物去除试验的研究，以 期利用并控制微污染水体中藻类生长代谢的过程，降低微污染水体中 c o d e r ，b o d 5 ，t n ，t p 等污染物的含量，达到净化水质的目的。通过设置 水体的不同初始p h 值及试验过程中对p h 值的调节，微污染水体中的藻类 爆发性生长规律。本研究有助于寻求更经济微污染水水源的处理手段，为开 发城市水体和景观水体的低成本维护及微污染控制技术提供理论支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章水藻处理微污染水的原理及研究方法 水藻因其巨大的生物量和广阔的分布范围，承担着整个地球1 3 的初 级生产力【25 1 ，对全球生态环境的稳定性起着决定性的作用。如此巨大的生 产力也反映出藻类在吸纳营养物质方面的强大功能。早在1 9 5 7 年o s w a l d 和g o t a a s ”堰1 提出应用藻类处理污水中的氮磷营养物。此后几十年的研究 证明，藻类在水处理中的应用为水生态系统的维护和稳定运行提供了一条 非常有效且经济的途径。 s t u m n 通过对藻类化学成分进行的分析研究，得到藻类的“经验分子 式 为c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p 【2 6 j 。氮是组成藻类生物量的一种重要元素，约占 藻类干重的1 0 。法国的b p i c o t 等人【2 7 】的研究结果认为，藻细胞合成的 磷仅占藻细胞干重的1 ，但它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。 2 1 水藻对氮元素的吸收 藻类可以利用的氮源包括无机氮和有机氮【28 1 ，而藻类利用不同形态的 氮的优先顺序为，n h 4 + - n n 0 3 n 简单有机氮( 如尿素、简单的氨酸等) 【2 9 1 。 从氮源的供给来看，城市污水和农田使用氮肥都为藻类生长提供了充足的 氮源。氨态氮是城市污水含量最高的无机氮源，其次是尿素( 有机氮) ，它 可以直接被藻类利用，或者先被细菌转化为氨氮再被藻类利用哺副。自然界 中的雷电发生时高温高压下空气中的氮气和氧气结合产生氧化氮，再进一 步转化成为硝酸及硝酸盐的过程也是制造无机氮源的一个重要途径。此 外，豆科植物的根瘤菌具有较高的固氮作用，也是环境中有机氮的重要来 源。 一 无机氮的同化过程包括三个步骤【3 o 】： 。 首先，通过特殊的通透酶的主动运输，实现硝酸盐、亚硝酸盐、氨的 吸收； 然后，由a t p 释放能量，在硝酸盐还原酶和亚硝酸盐酶的催化作用下， 将硝酸盐、亚硝酸盐还原为铵； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 最后，将铵并入碳骨架。 藻类吸收无机氮转化成为生物体的能力可以有效地进行氮化合物的 解毒，而水中的游离氨浓度过高却会对藻类的生长造成抑制。许多藻类除 了自养方式之外，还可以运用有机物进行混合营养，直接吸收多种有机氮 如尿素、氨基酸等，某些藻类能固定大气中的氮，并加以利用1 3 1 】。 2 2 水藻对磷元素的吸收 水体中的无机磷几乎完全以磷酸盐形态存在。地表水中的磷来源于矿 石风化细菌作用、农业肥料、污水和洗涤剂排放等。地表水中可溶性磷化 合物有正磷酸盐( p 0 4 弘，h p 0 4 玉，h 2 p 0 4 等) ，聚合磷酸物p 2 0 7 4 ，h p 3 0 4 2 等) ，有机磷酸物( 葡萄糖6 磷酸、磷肌酸等形态存在) ，还有呈胶体和颗粒 态的有机磷化合物存在。但藻类择先摄取的可能是可溶性正磷酸盐。水体 中可溶性磷含量较少，因它们很容易与c a + ，f e 3 + ，a 1 3 + 等金属离子生成 ( c a o h ) 3 p 0 4 ，a l p 0 4 ，f e p 0 4 等难溶性的沉淀，沉积于水体底泥【3 2 】。 p e k h o l m 等人研究表明：磷主要以无机离子h 2 p o 舢、h p 0 4 厶的形式 被吸收，用于能量传递和核酸合成细胞的过程。细胞内的磷被合成为有机 或无机化合物。藻类利用底物水平磷酸化、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。( 底物水平磷酸化指在分解代谢 过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高 能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移到a d p 形成a t p 的过程。) 一般 反应式为：a d p + p i 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。在第三种作用过程中，光能被转化结合进 a t p 3 3 1 。 2 3 水藻处理微污染水的特点 藻类代谢的生理过程是水体自然净化的关键过程。研究悬浮水藻的生 长情况与微污染水中氮( 以n h 3 一n 作反映指标) 、磷( 以t p ) 及有机物质 ( 以c o d e r 作反映指标) 的浓度变化的相互关系，是研究悬浮藻类处理微 污染水源水的主要途径。 藻类对污水的净化效果决定于诸多因素：温度、藻的浓度、p h 值、停 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 留时间等。影响氮磷去除的因素很多，可分为外部因素和内部因素，内因 主要是藻种本身的因素等。 不同的藻种之间及同种藻不同株系间均存在着明显的生理特性差异， 不同的株系表现出对n ，p 的不同净化效率。 藻细胞所处的生长阶段及其营养水平也影响藻类对污水的净化效果， 有研究表明处于对数期及静止期的藻细胞有较高的生理活性及净化效率， 如果细胞被适当的控制或饥饿培养，藻类将显示出比全营养培养藻类更高 的n ，p 吸收效率【55 1 。也就是说，饥饿状态下，藻类在生理上能够吸收的 n ，p 比用于同化细胞内的生物物质快得多。所以，藻类在短时期内被剥夺 一种或几种关键元素后，对该营养元素会进行富集【5 引，d r o o p 将这种现象 称为“奢侈的消费”。尽管如此也不可以长期饥饿，由于这种饥饿可能导 致细胞结构变性，反而降低了去除效率【57 1 。 外部因素主要是对藻类生长起作用的环境因素、营养条件等。影响藻 类对n ，p 去除率的外部因素很多，如筛选纯化培养条件、温度、光照强度、 营养物质的浓度、p h 值等。筛选纯化培养的重要性在于它能增加藻细胞的 生理稳定性，减少和避免不希望发生的反应，所以实验藻种的接种时间对 去除率也有很大影响。而良好的光照和适宜的温度可以提高光合作用效 率，使水藻得以良好生长，叶绿素含量增加，从而去除率提高。强酸、强 碱则会抑制大多数微生物的活性，藻类生长最适宜的p h 值范围是6 - 9 。 s o f i a c 【5 8 】研究单种藻( s c l e n a t r u mc a p r i c o r n u t u m ) 去除氮磷时发现，当p h 由 7 变化到4 时，将对藻细胞的活性产生很明显的影响，平均单个细胞对氮 磷的去除在p h 为4 时比p h 为7 时要少得多，也即酸性的环境使细胞对氮 磷的吸收受到伤害。 水藻对氮磷的强大去除能力为常规的三级污水处理方式提供了一个 低成本的选择【3 4 l 与其它物理化学或生物化学处理措施相比，藻类处理具 有以下优势： 1 、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，还 能够富集重金属。而且还可以通过收获藻类生物量，作为生物能源或提取 藻类富集的重金属，也促进了n ，p 等元素的循环。 2 、提高水体的溶解氧浓度，为其它生物净化过程提供氧气。提高水 体的p h 值，对污水中的细菌有明显的杀灭作用，减少大肠杆菌及有毒细 菌数量【4 2 1 。 3 、污水中有机污染物、氮和磷的去除，几乎都需要氧气的氧化分解 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 作用，而氧气通常是通过动力系统从空气中获得的，需要消耗大量的能源。 而水藻绝大部分是自养型生物，可高效利用太阳能完成净化过程，能源消 耗低。 2 4 研究内容及研究方法 2 4 1 研究内容 本课题结合实验室条件下水藻培养实验，主要研究了3 类微污染水体 条件下悬浮藻类的生长情况，以及悬浮水藻对微污染水中c o d c r 、氨氮、 总磷三种污染物质去除效果及特性进行研究。 通过设置水体的不同初始p h 值及试验过程中对p h 值的调节，研究不 同p h 值对藻类生长的影响及藻类的生长规律，总结藻类在不同p h 值条件 下的生长与营养盐消耗的相关性，以及不同p h 值对藻类去除有机物的影 响。 2 4 2 研究方法 对悬浮水藻吸收去除水体中污染物的研究方法一般有两种，一种是示 踪法，另一种是藻类增长实验法。示踪法是近年来新出现的方法，优点是 准确、直观，对污染物甚至污染元素的走向可以清楚的测定。缺点是比较 昂贵，且测定方法要求苛刻。藻类增长实验法是较为传统的方法，优点是 简单易行，缺点是对污染物的去除过程了解不够清楚。 本课题采用国内通常的做法：藻类