【摘要】：我國(guó)污水處理脫氮除磷和富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)是水污染防治領(lǐng)域長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。污水處理時(shí)脫氮除磷的性能不穩(wěn)定,污水中氮磷肥源不能回收。富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中的兩個(gè)核心問(wèn)題—除磷和抑制微型藻生長(zhǎng)也未能有效解決,致使我國(guó)地表水水華爆發(fā)頻率日益增加。本研究針對(duì)污水處理和富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)所面臨的上述問(wèn)題,以水綿(Spirogyra sp.)、團(tuán)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物生長(zhǎng)的性能與機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,研究了大型絲狀綠藻用于城市污水處理、富營(yíng)養(yǎng)化水體生物修復(fù)的效果,并評(píng)價(jià)了這些技術(shù)應(yīng)用于實(shí)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(yíng)養(yǎng)化湖水進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Spirogyra和Cladophora可以有效地去除水中磷,適當(dāng)?shù)腘H_4~+-N/TN比例有利于除磷。Spirogyra和Cladophora除氮時(shí),優(yōu)先去除NH_4~+-N,只有當(dāng)NH_4~+-N基本去除時(shí),NO3--N濃度才開(kāi)始降低。 用TP濃度達(dá)到6.8mg/L、TN達(dá)到45mg/L、NH_4~+-N達(dá)到33mg/L、CODcr接近100mg/L的系列預(yù)處理生活污水為處理對(duì)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、NH_4~+-N和CODcr,對(duì)NO3--N也有一定的去除效果。當(dāng)TP為6mg/L、TN為39mg/L、Spirogyra用量為1.65g/L(以濕重計(jì))時(shí),處理6d后,TP去除率約為90%,TN去除率約為60%。TN去除率隨NH_4~+-N/TN升高而增加,但NH_4~+-N/TN對(duì)TP去除率沒(méi)有顯著影響。Cladophora處理城市生活污水時(shí),具有與Spirogyra類似的性能。 研究了大型絲狀綠藻與簡(jiǎn)單污水預(yù)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(shí)間適宜的條件下,可以有效地降低污水中有機(jī)物、氮、磷污染物含量,出水可達(dá)到景觀環(huán)境用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。處理城市污水二級(jí)處理出水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大型絲狀綠藻深度處理可以進(jìn)一步改善水質(zhì)。 大型絲狀綠藻在水處理過(guò)程中對(duì)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(duì)氮的富集率,NH_4~+-N/TN越小,藻體對(duì)氮的富集率越高。藻體對(duì)磷的富集率與氮污染物組成無(wú)關(guān),實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)藻體對(duì)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(duì)氮磷的富集量有關(guān),單位質(zhì)量藻體對(duì)氮磷的富集量越大,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(guò)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(jí)晶粒堆積在藻體表面上形成粗糙的多孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)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(jī)制。由于大型絲狀綠藻的微界面效應(yīng)和光合作用,其生長(zhǎng)時(shí)誘導(dǎo)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石之類的玻璃體覆蓋層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的回歸分析表明,大型絲狀綠藻吸附除磷時(shí)的模型符合Langmuir吸附等溫線�；貧w的Langmuir吸附模型、連續(xù)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、藻體上可解吸磷的存在等實(shí)驗(yàn)事實(shí)充分說(shuō)明藻體表面沉積的新生態(tài)碳酸鈣對(duì)磷酸根的吸附作用。 大型絲狀綠藻在污水處理和富營(yíng)養(yǎng)化水體生物修復(fù)時(shí),除氮的主要機(jī)制是部分NH_4~+-N的揮發(fā)和藻體對(duì)氮的吸收:pH值上升、溫度升高引起NH_4~+-N揮發(fā),會(huì)增加TN的去除率,但是會(huì)降低藻體對(duì)氮的富集量。光照較強(qiáng)、溫度較高的自然環(huán)境下,NH_4~+-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(lán)藻Microcystis aeruginosa、Aphanizomenon flos-aquae,典型綠藻Chlorella vulgaris、Scenedesmus為受試對(duì)象,發(fā)現(xiàn)了大型絲狀綠藻與微型藻之間的化感現(xiàn)象,大型絲狀綠藻存在時(shí)可以抑制微型藻生長(zhǎng)。大型絲狀綠藻內(nèi)含有抑制微型藻生長(zhǎng)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(jī)物。大型絲狀綠藻生長(zhǎng)過(guò)程中向環(huán)境分泌化感物質(zhì),色-質(zhì)聯(lián)機(jī)檢測(cè)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(qiáng)、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(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水的效果。從自然生物膜中選育出5株高效降解有機(jī)物的貧營(yíng)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(jì))和0.37cm3/L時(shí),“Spirogyra+高效生物膜”系統(tǒng)運(yùn)行15d后, TP濃度由0.73 mg/L降到0.086 mg/L,去除率為88%以上;NH_4~+-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1.54 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(guò)該技術(shù)修復(fù)后,TP濃度低于Ⅱ類地表水標(biāo)準(zhǔn)的限值;高錳酸鹽指數(shù)和NH_4~+-N濃度接近Ⅱ類地表水的標(biāo)準(zhǔn)。此外,生物修復(fù)還可以顯著地減少水中微型藻的細(xì)胞含量,對(duì)微型藻的抑制效率超過(guò)82%。 就環(huán)境適應(yīng)性而言,Spirogyra優(yōu)于Cladophora。在實(shí)驗(yàn)地三年的室外培養(yǎng)結(jié)果證實(shí),Spirogyra可以在中國(guó)華中地區(qū)常年生長(zhǎng),預(yù)計(jì)Spirogyra可以在中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)、華南地區(qū)常年生長(zhǎng)。水處理后,富集水中氮磷的藻體是良好的肥料,不需要二次處理。 本研究成果將有助于我國(guó)利用大型絲狀綠藻控制面源污染,提高氧化塘處理能力,控制并修復(fù)水體富營(yíng)養(yǎng)化,回收水中氮磷肥源,擴(kuò)大可用水源,提高飲用水水質(zhì)。
【圖文】：

2.1.1 Spirogyra 的采集與培養(yǎng)2.1.1.1 所選育藻株的培養(yǎng)與鑒定 藻株采集于某魚塘，采回后用蒸餾水反復(fù)清洗，然后放在WC 培養(yǎng)基[108]中進(jìn)行培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)藻株在日光燈下培養(yǎng)，光照強(qiáng)度為 2800lx，光暗比為 16:8。在實(shí)驗(yàn)期間（2～3 年）、實(shí)驗(yàn)地區(qū)（武漢）的室外可以常年生長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在長(zhǎng)江以南地區(qū)也可以常年生長(zhǎng)。藻體表面光滑，，實(shí)驗(yàn)期間在培養(yǎng)桶中最大生長(zhǎng)長(zhǎng)度超過(guò)40cm。藻體呈絲狀，沒(méi)有分枝。絲藻屬（Ulothrix）常叢生在一起，呈矮的綠色絨毯狀，一般只有2cm長(zhǎng)；手感不滑膩。所以所選育的藻株不是絲藻屬。用倒置生物顯微鏡（XDS-1B）對(duì)藻體進(jìn)行顯微攝像，藻體的顯微照片如圖2.1所示，圖2.1(a)所示的是兩根絲狀體之間的連接管；圖2.1(b)反映了絲狀體細(xì)胞內(nèi)部的螺旋狀葉綠體。按照水綿（Spirogyra）性狀的描述：水綿是由長(zhǎng)筒形細(xì)胞相連而成的不分枝的絲狀體；細(xì)胞壁外有較多的膠質(zhì)，手摸有滑膩感；在不同種水綿的細(xì)胞中有一條或若干條螺旋帶狀的、位于細(xì)胞質(zhì)周層的葉綠體；兩條相結(jié)合的藻絲有一些橫的接合管[109]。因此，所選育的絲狀綠藻的宏觀特征和微觀結(jié)構(gòu)符合水綿的特征，所選育的絲狀綠藻鑒定為Spirogyra。由于Spirogyra種類繁多[109]，本研究?jī)H將選育的絲狀綠藻鑒定到屬。

第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1.1.2 Spirogyra的馴化 Spirogyra用于污水處理前，根據(jù)所處理污水的氮、磷的含量，逐漸用部分污水代替WC培養(yǎng)基，最后用自來(lái)水和城市污水的混合物作Spirogyra的培養(yǎng)基，并在自然光照條件下，室外培養(yǎng)Spirogyra。Spirogyra對(duì)NH4+-N濃度比較敏感，馴化過(guò)程中逐漸增加NH4+-N濃度，最后，所馴化的Spirogyra藻株所能承受的NH4+-N濃度值為35mg/L，可以達(dá)到常規(guī)城市污水二級(jí)處理的要求，也適用于城市污水強(qiáng)化一級(jí)處理（如強(qiáng)化混凝、污泥吸附等）后的后續(xù)處理。2.1.2 Cladophora 的采集與培養(yǎng)2.1.2.1 所選育藻株的培養(yǎng)與鑒定 藻株采集于武漢四美塘湖，采回后用蒸餾水反復(fù)清洗，然后放在 1/10 稀釋的 Hoagland 溶液中進(jìn)行培養(yǎng)，Hoagland 溶液配方見(jiàn)文獻(xiàn)[110]。培養(yǎng)條件同 Spirogyra 藻株。在自然水體中，該藻株生長(zhǎng)在每年的 10 月至次年的 4、5 月，年生長(zhǎng)期為 7～8 個(gè)月。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：X703

【引證文獻(xiàn)】

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1 李蘭;索幫成;常布輝;姚磊;;碳素纖維改性及其在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的掛膜實(shí)驗(yàn)[J];中國(guó)農(nóng)村水利水電;2013年03期

本文編號(hào)：2639548