大型絲狀綠藻去除氮磷和抑制微藻的特性及其作用機制.pdf

1、我國污水處理脫氮除磷和富營養(yǎng)化水體修復是水污染防治領域長期未能解決的問題。污水處理時脫氮除磷的性能不穩(wěn)定，污水中氮磷肥源不能回收。富營養(yǎng)化水體修復中的兩個核心問題—除磷和抑制微型藻生長也未能有效解決，致使我國地表水水華爆發(fā)頻率日益增加。本研究針對污水處理和富營養(yǎng)化水體修復所面臨的上述問題，以水綿（Spirogyra sp.）、團集剛毛藻（Cladophora glomerata）為代表，研究了大型絲狀綠藻去除氮磷污染物以及抑制微型藻類生

2、物生長的性能與機制。在此基礎上，研究了大型絲狀綠藻用于城市污水處理、富營養(yǎng)化水體生物修復的效果，并評價了這些技術(shù)應用于實際的可行性。
　　用TP濃度小于1.6mg/L、TN濃度小于16mg/L的模擬富營養(yǎng)化湖水進行實驗，發(fā)現(xiàn)Spirogyra和 Cladophora可以有效地去除水中磷，適當?shù)腘H4+-N/TN比例有利于除磷。Spirogyra和 Cladophora除氮時，優(yōu)先去除NH4+-N，只有當NH4+-N基本去除時，NO

3、3--N濃度才開始降低。
　　用TP濃度達到6.8mg/L、TN達到45mg/L、NH4+-N達到33mg/L、CODcr接近100mg/L的系列預處理生活污水為處理對象，研究了Spirogyra和Cladophora處理城市污水的性能，發(fā)現(xiàn)兩株大型絲狀綠藻可以有效地去除水中的TP、NH4+-N和CODcr，對NO3--N也有一定的去除效果。當TP為6mg/L、TN為39mg/L、Spirogyra用量為1.65g/L（以濕重計）

4、時，處理6d后，TP去除率約為90％，TN去除率約為60%。TN去除率隨NH4+-N/TN升高而增加，但NH4+-N/TN對TP去除率沒有顯著影響。Cladophora處理城市生活污水時，具有與Spirogyra類似的性能。
　　研究了大型絲狀綠藻與簡單污水預處理工藝“生物吸附活性污泥法”相結(jié)合處理城市污水的效果，發(fā)現(xiàn)在溫度、光照、水力停留時間適宜的條件下，可以有效地降低污水中有機物、氮、磷污染物含量，出水可達到景觀環(huán)境用水的水質(zhì)

5、標準。處理城市污水二級處理出水的實驗結(jié)果表明，大型絲狀綠藻深度處理可以進一步改善水質(zhì)。
　　大型絲狀綠藻在水處理過程中對氮磷有富集作用，并考察了影響富集量的因素。污水的氮污染物組成影響藻體對氮的富集率，NH4+-N/TN越小，藻體對氮的富集率越高。藻體對磷的富集率與氮污染物組成無關，實驗中發(fā)現(xiàn)藻體對磷的富集率在80%以上。在酸性條件下，藻體富集的部分氮磷可以解吸，解吸率與單位質(zhì)量藻體對氮磷的富集量有關，單位質(zhì)量藻體對氮磷的富集量越

6、大，氮磷解吸率越小。氮的解吸率比磷的解吸率要小得多，可解吸的氮主要是NO3--N。
　　通過電子掃描電鏡分析觀察了大型絲狀綠藻表面沉積物的特征，許多納米級晶粒堆積在藻體表面上形成粗糙的多孔結(jié)構(gòu)。通過對藻體表面上沉積物的X射線衍射分析、Fourier變換紅外光譜分析、X射線光電子能譜（XPS）分析，發(fā)現(xiàn)藻體表面存在的晶體沉積物是方解石，沉積物表面上存在羥基磷灰石玻璃體。由此提出了大型絲狀綠藻的除磷機制。由于大型絲狀綠藻的微界面效應和

7、光合作用，其生長時誘導碳酸鈣在其表面上沉積，新生態(tài)碳酸鈣沉積物吸附磷酸根，在堿性條件下進一步轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石之類的玻璃體覆蓋層。實驗結(jié)果的回歸分析表明，大型絲狀綠藻吸附除磷時的模型符合Langmuir吸附等溫線。回歸的Langmuir吸附模型、連續(xù)運行的實驗結(jié)果、藻體上可解吸磷的存在等實驗事實充分說明藻體表面沉積的新生態(tài)碳酸鈣對磷酸根的吸附作用。
　　大型絲狀綠藻在污水處理和富營養(yǎng)化水體生物修復時，除氮的主要機制是部分NH4+-N

8、的揮發(fā)和藻體對氮的吸收：pH值上升、溫度升高引起NH4+-N揮發(fā)，會增加TN的去除率，但是會降低藻體對氮的富集量。光照較強、溫度較高的自然環(huán)境下，NH4+-N因揮發(fā)和藻體富集而去除的比例分別占70～85%和15～30%。
　　以典型藍藻Microcystis aeruginosa、Aphanizomenon flos-aquae，典型綠藻Chlorella vulgaris、Scenedesmus為受試對象,發(fā)現(xiàn)了大型絲狀綠藻與微

9、型藻之間的化感現(xiàn)象，大型絲狀綠藻存在時可以抑制微型藻生長。大型絲狀綠藻內(nèi)含有抑制微型藻生長的化感物質(zhì)，索氏提取-硅膠層析分離的結(jié)果表明，藻體內(nèi)的化感物質(zhì)是弱極性有機物。大型絲狀綠藻生長過程中向環(huán)境分泌化感物質(zhì)，色-質(zhì)聯(lián)機檢測發(fā)現(xiàn)酚類、酚酸類、脂肪酸類等化感物質(zhì)。
　　由于自然生物膜除氮磷能力弱，大型絲狀綠藻在光照強、溫度高的環(huán)境條件下分泌物增加，研究了“Spirogyra+高效生物膜”復合生態(tài)系統(tǒng)生物修復富營養(yǎng)化水的效果。從自然生

10、物膜中選育出5株高效降解有機物的貧營養(yǎng)型菌株，將其固定在載體上形成生物膜。在室外自然光照條件下，Spirogyra和載體生物膜投加量分別為用量為0.77g/L（以濕重計）和0.37cm3/L時，“Spirogyra+高效生物膜”系統(tǒng)運行15d后， TP濃度由0.73 mg/L降到0.086 mg/L，去除率為88%以上；NH4+-N濃度由5.77 mg/L降到0.75 mg/L，去除率為87%以上；TN濃度由8.66 mg/L降到1.5

11、4 mg/L，去除率在82%以上；高錳酸鹽指數(shù)由13.05 mg/L降到4.28 mg/L，去除率為67%以上。劣Ⅴ類地表水經(jīng)過該技術(shù)修復后，TP濃度低于Ⅱ類地表水標準的限值；高錳酸鹽指數(shù)和NH4+-N濃度接近Ⅱ類地表水的標準。此外，生物修復還可以顯著地減少水中微型藻的細胞含量，對微型藻的抑制效率超過82%。
　　就環(huán)境適應性而言，Spirogyra優(yōu)于Cladophora。在實驗地三年的室外培養(yǎng)結(jié)果證實，Spirogyra可以在