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目前,氮磷和重金属的水环境污染已成为一个世界性的环境问题,引起了全社会的共同关注。由于人类盲目利用、开发和改造水环境,肆意排放未经处理的工业废水和生活污水,造成了湖泊水质恶化和水生态系统严重破坏。因此,遏制水体污染,合理利用藻类资源,化害为利,越来越为环保学者和藻类生物技术界所关注。 藻类生物膜技术是一种新型和环保的废水处理方法。近年来,研究人员利用悬浮藻和藻类固定化技术对模拟污水中氮磷物质的去除及利用非活性藻(藻粉)吸附处理重金属进行了大量研究,但利用活性藻吸附处理重金属和采用藻类生物膜技术脱氮除磷的研究鲜见报道。本课题以利用活性藻类(蛋白核小球藻、斜生栅藻、水华鱼腥藻、细长聚球藻和铜绿微囊藻)吸附重金属和藻类生物膜技术处理氮磷模拟污水为主线,首先研究藻类生长规律和重金属对藻类生长的影响,然后研究活性藻类吸附处理重金属的效果,最后设计了一套新型的藻类生物膜反应装置,利用藻类生物膜对氮磷模拟污水处理效果和机理进行了研究。主要研究成果如下: 1)藻类生长及重金属的影响实验 在自然光照和室温下,主要研究了5种藻类的生长特性。同时,采用化学品毒性藻类测试的标准实验方法,研究了Zn2+、Cu2+、Cr(VI)等重金属对藻类的毒性效应。 (1)藻类生长都基本符合Logistic生长曲线的规律。在本次实验中,5种藻类均出现了停滞期,蛋白核小球藻一直处于对数生长期,而水华鱼腥藻、铜绿微囊藻、细长聚球藻和斜生栅藻经历对数期后,没有出现稳定期,直接进入了衰亡期。 (2)3种重金属离子对藻类毒性大小依次为:Cu2+>Zn2+>Cr(VI)。 (3)5种藻对Cu2+、Zn2+、Cr(VI)的耐受性强弱顺序为:水华鱼腥藻>斜生栅藻>铜绿微囊藻>蛋白核小球藻>细长聚球藻。 (4)Cu2+、Cr(VI)抑制蛋白核小球藻、斜生栅藻、铜绿微囊藻、细长聚球藻和水华鱼腥藻生长的96h-EC50分别为147.85μg/L、472.62μg/L、168.06μg/L、30.20μg/L和1858.39μg/L;3.37mg/L、21.48 mg/L、13.02 mg/L、7.16 mg/L和11.84 mg/L。Zn2+抑制蛋白核小球藻、斜生栅藻、铜绿微囊藻和细长聚球藻生长的96h-EC50分别为398.59μg/L、3612.26μg/L、477.46μg/L和54.50μg/L。 2)活性藻类吸附重金属实验 在自然光照和室温下,分别研究了5种藻类对Zn2+、Cu2+、Cr(VI)等重金属的吸附处理效果,运用SEM和FT-IR分析了吸附机理。 (1)5种藻类在不同的Zn2+、Cu2+、Cr(VI)重金属质量浓度中,其吸附效率规律不一样。5种藻类对Zn2+去除率R随Zn2+质量浓度的增加,R先下降然后上升最后又下降;5种藻类对Cu2+去除率R随Cu2+质量浓度的增加,R先迅速上升,然后随Cu2+质量浓度再增加,其去除率变化平缓;5种藻类对Cr(VI)去除率R随Cr(VI)质量浓度的增加而下降。 (2)当Zn2+质量浓度为10.0mg/L时,水华鱼腥藻对Zn2+去除率R达到最大值59.20％;当Cu2+质量浓度为3.0mg/L时,斜生栅藻对Cu2+去除率R达到最大值62.50%;当Cr(VI)质量浓度为1.0mg/L时,水华鱼腥藻对Cr(VI)去除率R为最大值32.87%。 3)藻类生物膜脱氮除磷实验 在连续光照(光照强度为3500lx左右)和室温下(24.0-29.0℃)的条件下进行序批氮磷模拟废水实验。根据序批实验结果确定和设计的水力停留时间控制流量进行连续实验,实验条件与序批试验相同。 (1)在序批实验中,利用藻类生物膜处理氮磷废水效果明显。在实验6天后,总磷的去除率达到了98.17%,总氮的去除率为88.00%,氨氮的去除率为88.99%。 (2)在动态连续处理实验中,藻类生物膜处理装置运行效果非常稳定。连续运行24天中,TP出水平均浓度为0.42mg/L,平均去除率达到了95.38%;TN和NH3-N出水平均浓度分别为4.22mg/l和2.16mg/L,平均去除率达到了83.93%和82.38%。 4)藻类生物膜脱氮除磷机理研究 通过电镜扫描分析了藻类生物膜的结构,同时研究了N/P比、饥饿状态、氮磷形态、光照强度和温度等条件对藻类生物膜脱氮除磷的影响,并分析了氮磷迁移途径。 (1)在藻类生物膜挂膜和驯化完成后,藻类生物膜以藻类为主,兼有细菌,形成一种藻菌关系,其中水华鱼腥藻和铜绿微囊藻成为优势藻。通过电镜扫描发现,藻膜的厚度在100μm左右,藻膜的内部结构为四通八达的网络结构,微生态环境好,停留时间长,细胞活性稳定,膜上的藻细胞密度高。 (2)当N/P为15:1时,TP和NH3-N的去除率及降解速率都达到最大值分别为94.10%、0.4717d-1和89.60%、0.3772d-1。 (3)当藻类生物膜处于3d饥饿状态时,TP去除率和降解速率分别达到98.13%和0.6636d-1;NH3-N去除率和降解速率分别达到88.29%和0.3574 d-1。因此,藻类生物膜饥饿状态可以作为藻类生物膜污水生物处理的强化技术。 (4)藻类生物膜对氮磷不同形态的处理效果不一样。藻类生物膜处理磷酸二氢钾、6偏磷酸钠、焦磷酸钠和磷酸肌酸钠的去除率分别为95.20%、72.42%、66.72%和21.11%。藻类生物膜处理氯化铵、尿素、硝酸钾和亚硝酸钠去除率分别为92.30%、85.15%、32.28%和24.79%。 (5)光照和温度对藻类生物膜脱氮除磷的作用有影响。适合藻类生物膜脱氮除磷的最佳光照强度和温度分别为3000lx和30℃。 (6)藻生长量增量中N、P含量所占氮磷模拟废水中N、P的去除量的比例分别为63.94%和86.73%,即:废水中氮磷的主要去除途径是藻类通过光合作用利用氮源和磷源合成新的细胞物质。