大型丝状绿藻去除氮磷和抑制微藻的特性及其作用机制

摘要

我国污水处理脱氮除磷和富营养化水体修复是水污染防治领域长期未能解决的问题。污水处理时脱氮除磷的性能不稳定，污水中氮磷肥源不能回收。富营养化水体修复中的两个核心问题—除磷和抑制微型藻生长也未能有效解决，致使我国地表水水华爆发频率日益增加。本研究针对污水处理和富营养化水体修复所面临的上述问题，以水绵（Spirogyra sp.）、团集刚毛藻（Cladophora glomerata）为代表，研究了大型丝状绿藻去除氮磷污染物以及抑制微型藻类生物生长的性能与机制。在此基础上，研究了大型丝状绿藻用于城市污水处理、富营养化水体生物修复的效果，并评价了这些技术应用于实际的可行性。
　　用TP浓度小于1.6mg/L、TN浓度小于16mg/L的模拟富营养化湖水进行实验，发现Spirogyra和 Cladophora可以有效地去除水中磷，适当的NH4+-N/TN比例有利于除磷。Spirogyra和 Cladophora除氮时，优先去除NH4+-N，只有当NH4+-N基本去除时，NO3--N浓度才开始降低。
　　用TP浓度达到6.8mg/L、TN达到45mg/L、NH4+-N达到33mg/L、CODcr接近100mg/L的系列预处理生活污水为处理对象，研究了Spirogyra和Cladophora处理城市污水的性能，发现两株大型丝状绿藻可以有效地去除水中的TP、NH4+-N和CODcr，对NO3--N也有一定的去除效果。当TP为6mg/L、TN为39mg/L、Spirogyra用量为1.65g/L（以湿重计）时，处理6d后，TP去除率约为90％，TN去除率约为60%。TN去除率随NH4+-N/TN升高而增加，但NH4+-N/TN对TP去除率没有显著影响。Cladophora处理城市生活污水时，具有与Spirogyra类似的性能。
　　研究了大型丝状绿藻与简单污水预处理工艺“生物吸附活性污泥法”相结合处理城市污水的效果，发现在温度、光照、水力停留时间适宜的条件下，可以有效地降低污水中有机物、氮、磷污染物含量，出水可达到景观环境用水的水质标准。处理城市污水二级处理出水的实验结果表明，大型丝状绿藻深度处理可以进一步改善水质。
　　大型丝状绿藻在水处理过程中对氮磷有富集作用，并考察了影响富集量的因素。污水的氮污染物组成影响藻体对氮的富集率，NH4+-N/TN越小，藻体对氮的富集率越高。藻体对磷的富集率与氮污染物组成无关，实验中发现藻体对磷的富集率在80%以上。在酸性条件下，藻体富集的部分氮磷可以解吸，解吸率与单位质量藻体对氮磷的富集量有关，单位质量藻体对氮磷的富集量越大，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。
　　通过电子扫描电镜分析观察了大型丝状绿藻表面沉积物的特征，许多纳米级晶粒堆积在藻体表面上形成粗糙的多孔结构。通过对藻体表面上沉积物的X射线衍射分析、Fourier变换红外光谱分析、X射线光电子能谱（XPS）分析，发现藻体表面存在的晶体沉积物是方解石，沉积物表面上存在羟基磷灰石玻璃体。由此提出了大型丝状绿藻的除磷机制。由于大型丝状绿藻的微界面效应和光合作用，其生长时诱导碳酸钙在其表面上沉积，新生态碳酸钙沉积物吸附磷酸根，在碱性条件下进一步转化为羟基磷灰石之类的玻璃体覆盖层。实验结果的回归分析表明，大型丝状绿藻吸附除磷时的模型符合Langmuir吸附等温线。回归的Langmuir吸附模型、连续运行的实验结果、藻体上可解吸磷的存在等实验事实充分说明藻体表面沉积的新生态碳酸钙对磷酸根的吸附作用。
　　大型丝状绿藻在污水处理和富营养化水体生物修复时，除氮的主要机制是部分NH4+-N的挥发和藻体对氮的吸收：pH值上升、温度升高引起NH4+-N挥发，会增加TN的去除率，但是会降低藻体对氮的富集量。光照较强、温度较高的自然环境下，NH4+-N因挥发和藻体富集而去除的比例分别占70～85%和15～30%。
　　以典型蓝藻Microcystis aeruginosa、Aphanizomenon flos-aquae，典型绿藻Chlorella vulgaris、Scenedesmus为受试对象,发现了大型丝状绿藻与微型藻之间的化感现象，大型丝状绿藻存在时可以抑制微型藻生长。大型丝状绿藻内含有抑制微型藻生长的化感物质，索氏提取-硅胶层析分离的结果表明，藻体内的化感物质是弱极性有机物。大型丝状绿藻生长过程中向环境分泌化感物质，色-质联机检测发现酚类、酚酸类、脂肪酸类等化感物质。
　　由于自然生物膜除氮磷能力弱，大型丝状绿藻在光照强、温度高的环境条件下分泌物增加，研究了“Spirogyra+高效生物膜”复合生态系统生物修复富营养化水的效果。从自然生物膜中选育出5株高效降解有机物的贫营养型菌株，将其固定在载体上形成生物膜。在室外自然光照条件下，Spirogyra和载体生物膜投加量分别为用量为0.77g/L（以湿重计）和0.37cm3/L时，“Spirogyra+高效生物膜”系统运行15d后， TP浓度由0.73 mg/L降到0.086 mg/L，去除率为88%以上；NH4+-N浓度由5.77 mg/L降到0.75 mg/L，去除率为87%以上；TN浓度由8.66 mg/L降到1.54 mg/L，去除率在82%以上；高锰酸盐指数由13.05 mg/L降到4.28 mg/L，去除率为67%以上。劣Ⅴ类地表水经过该技术修复后，TP浓度低于Ⅱ类地表水标准的限值；高锰酸盐指数和NH4+-N浓度接近Ⅱ类地表水的标准。此外，生物修复还可以显著地减少水中微型藻的细胞含量，对微型藻的抑制效率超过82%。
　　就环境适应性而言，Spirogyra优于Cladophora。在实验地三年的室外培养结果证实，Spirogyra可以在中国华中地区常年生长，预计Spirogyra可以在中国长江中下游地区、华南地区常年生长。水处理后，富集水中氮磷的藻体是良好的肥料，不需要二次处理。
　　本研究成果将有助于我国利用大型丝状绿藻控制面源污染，提高氧化塘处理能力，控制并修复水体富营养化，回收水中氮磷肥源，扩大可用水源，提高饮用水水质。

目录

大型丝状绿藻去除氮磷和抑制微藻的特性及其作用机制

THE CHARACTERISTICS AND MECHANISMS OF NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL AND INHIBITION OF MICROALGAL SPECIES BY FILAMENTOUS GREEN ALGAE

摘要

Abstract

Contents

第1章绪论

1.1 我国水体污染的现状与原因

1.2 富营养化水处理及修复的研究现状

1.3 生活污水脱氮除磷技术

1.4 评述

1.5 课题主要研究内容及意义

第2章 实验材料与方法

2.1 大型丝状绿藻的采集与培养

2.2 大型丝状绿藻去除氮磷的实验

2.3 大型丝状绿藻对微型藻的抑制实验

2.4 大型丝状绿藻深度处理城市污水实验

2.5 大型丝状绿藻生物修复富营养水的实验

2.6 监测方法

第3章 大型丝状绿藻去除氮磷污染物的性能研究

3.1 水绵去除氮磷性能的研究

3.2 刚毛藻去除氮磷性能的研究

3.3 本章小结

第4章 大型丝状绿藻在污水深度处理中应用的研究

4.1 大型丝状绿藻深度处理城市污水二级处理出水的实验

4.2 生物吸附活性污泥法-大型丝状绿藻处理城市污水

4.3 技术的实用性分析

4.4 本章小结

第5章 大型丝状绿藻去除氮磷的机制研究

5.1 大型丝状绿藻除磷过程中沉积物分析

5.2 大型丝状绿藻去除氮磷时污染物的迁移特征

5.3 大型丝状绿藻藻体清洗过程中污染物的迁移

5.4 大型丝状绿藻除磷的机理分析

5.5 大型丝状绿藻除磷过程的数学模型

5.6 本章小结

第6章 大型丝状绿藻对微型藻生长的抑制作用和机制

6.1 Chadophora对微型藻生长的抑制作用研究

6.2 Spirogyra对微型藻生长的抑制作用研究

6.3 大型丝状绿藻对微型藻生理特性的影响

6.4 大型丝状绿藻体内化感物质的分离及抑制微藻的性能

6.5 大型丝状绿藻分泌化感物质的特性研究

6.6 大型丝状绿藻与微型藻之间化感作用的潜在应用与意义

6.7 本章小结

第7章 大型丝状绿藻修复富营养化水体的研究

7.1 大型丝状绿藻和自然生物膜修复富营养化水的研究

7.2 自然生物膜和大型丝状绿藻上附着生物的生物相分析

7.3 富营养化水体中高效降解有机物菌株的分离与鉴定

7.4 “水绵+高效生物膜” 系统生物修复富营养化水的效果

7.5 “水绵+生物膜”修复技术的生态学原理和实用性分析

7.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历