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藻类膜对富营养化湖泊水处理效果实验 * 魏群刘明升蔡元妃 广西大学环境学院， 南宁530004 摘要 利用藻类膜处理富营养化水体是一种新的研究方法。在连续光照强度约 3 500 lx 条件下， 研究了藻类膜处理武 汉富营养化湖水的处理效果。实验结果表明 藻类膜处理富营养化湖水的氮磷效果明显， 6 d 内， 南湖 TP、 TN 和 NH3－ N的去除率分别为 96. 96 、 93. 21 和 92. 84 ， 紫阳湖的 TP、 TN、 NH3－ N 的去除率分别为96. 43 、 78. 11 和 97. 63 ， 汤逊湖的 TP、 TN 和 NH3－ N 的去除率分别为 81. 32 、 76. 38 和 84. 64 。 关键词 藻类膜; 富营养化; 氮; 磷; 湖泊 EXPERIMENT ON TREATMENT EFFECT OF EUTROPHIC LAKE WATER USING ALGAE BIO- FILM TECHNIQUE Wei QunLiu MingshengCai Yuanfei School of Environment， Guangxi University， Nanning 530004， China AbstractUse of algae bio-film to treat eutrophic water is a new research . In this paper，under a continuous light intensity of about 3 500 lx，the treatment effect was studied on eutrophic lake water in Wuhan using algae bio-film. The results show that the treatment effect of removing nitrogen and phosphorus in the eutrophication lake is obvious，during the experimental time of 6 d ， Nanhu Lake＇s TP，TN and NH3-N removal rates are 96. 96 ，93. 21 and 92. 84 respectively， those of Ziyang Lake are 96. 43 ， 78. 11 and 97. 63 respectively， and those of Tangxun Lake are 81. 32 ， 76. 38 and 84. 64 respectively. Keywordsalgae bio-film;eutrophication;nitrogen;phosphorus;lakes * 广西大学科研基金资助项目 X090017 ;国家水体污染控制与治理 科技重大专项资助项目 2008ZX07317- 001- 003 。 0引言 目前， 由于水体污染严重， 湖泊富营养化问题已 成为全球关注的水环境问题之一。武汉市环保局公 布的 2007 年环境状况公报显示 武汉市主要湖泊中， Ⅴ类及以下的有江汉区的西湖、 北湖， 武昌区的水果 湖、 南湖等 29 个， 占湖泊总数的 64. 4 。当营养因 子水平 ρ TN ≥0. 2 mg/L、 ρ TP ≥0. 02 mg/L 和其 他环境因子、 生物因子适合的条件下， 水体将会出现 水华现象。因此， 造成湖泊富营养化的根本原因是氮 磷等营养因子的污染。 自从 Oswald 等人在 20 世纪 50 年代最早提出利 用藻类处理污水以来 ［ 1］， 已有文献［ 2- 4］ 进一步确认 藻类生物处理技术的潜力， 特别是其对废水中营养物 质氮磷去除效果明显。但是， 现有研究工作中， 主要 利用藻类悬浮和藻类固定化运行处理模式， 而前一种 模式存在着后续处理中泥水分离困难的缺点， 后一种 模式也存在技术成本高的不足。因此， 高效低耗的藻 类生物脱氮除磷技术已成为研究的热点之一。本研 究利用藻类生长在填料上形成藻类生物膜， 对武昌南 湖、 紫阳湖和汤逊湖等富营养化湖水进行处理， 研究 其脱氮除磷效果， 为以后深入研究奠定基础。 1实验设计 1. 1材料 藻种 蛋白核小球藻 Chlorella pyrenoidose 、 斜 生栅藻 Scenedesmus obliquus 、 水华鱼腥藻 Anabaena flos-aquae 、 细长聚球藻 Synechococcus elongatus 和 微囊藻 Microcystis ， 由中国科学院水生生物所 武 汉 提供。 1. 2装置 图 1 为藻类生物膜废水处理装置示意图。实验 01 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 装置材料为有机玻璃， 共分为 4 个廊道， 其中 3 个廊 道为藻类生物膜反应槽， 1 个廊道为沉淀槽 用于泥 水分离 。每个廊道的尺寸为长 0. 1 m 宽 0. 1 m 高 0. 8 m。单个廊道的容积为 8 L， 藻类生物膜反应 槽总容积为 24 L。填料为放射状弹性聚氯乙烯填料， 外形为多环串连， 其中圆形载体直径为 10 cm。 图 1藻类生物膜废水处理装置 1. 3原水水质 本实验选取武昌南湖、 紫阳湖和汤逊湖水， 其原 水水质如表 1 所示。 表 1武昌南湖、 紫阳湖和汤逊湖湖水水质 mg/L 名称ρ TPρ TNρ NH3－ N 南湖2. 4789. 9898. 687 紫阳湖0. 3641. 9051. 349 汤逊湖0. 0913. 4840. 651 1. 4方法 1. 4. 1藻类培养 藻种均采用 BG11 培养基进行培养， 培养液初始 pH 为 7. 0。培养容器为 1 000 mL 玻璃三角锥形瓶， 在 每个锥形瓶中加入 BG11 培养基 400 mL 和藻液 20 mL。所有玻璃器皿和培养液均经过手提式不锈钢蒸 汽消毒器 125 ℃、 30 min 灭菌， 冷却后再置于净化工作 台内进行 30 min 紫外灯杀菌。将接种的藻液置于自 然光条件下进行培养， 每天不定时人工摇瓶2 ～3 次。 1. 4. 2藻类挂膜及富营养化原水处理 将处于对数增长期的各藻液共计 1 000 mL 加入 藻类 生 物 膜 废 水 处 理 装 置 中， 再 加 BG11 培 养 基 21 L。 在藻类生物膜废水处理装置四周安装 8 盏20 W 的荧光灯进行光照， 光照强度约 3 500 lx。混合藻在 BG11 培养基中静态培养 3 d， 然后再加入模拟废水进 行驯化培养， 每天加入模拟废水置换出 3 L 藻液， 连 续置换 7 d; 最后加入模拟废水将藻液全部置换 先 将藻液全部放空， 然后加模拟废水至 21 L 。稳定 2 周， 直至在填料上形成稳定的藻类生物膜。 按照静态运行方式进行富营养化原水处理实验， 每天下午固定时间 15∶ 00 取样进行水质检测。 2结果与讨论 实验共进行 6 d 挂膜成功， 稳定 2 周后计时 ， 每天 下 午 在 固 定 时 刻 进 行 取 样 和 检 测 TP、 TN 和 NH3－ N等 3 项指标。 2. 1TP 去除效果 图 2 为藻类膜对 3 个湖泊中磷去除率与时间的 关系。由图 2 可知， 藻类膜对 TP 的去除效果随处理 时间的增加， 装置内的 TP 浓度逐渐降低， 去除率不 断提高。对于南湖和紫阳湖， 前 2 天， 装置内的 TP 浓 度降解的速度比较快， 去除率呈急剧上升的趋势， 湖 水的 TP 分别降解了 93. 79 和 85. 99 。在后 4 天， TP 的去除率变化趋势变缓， 最终也只上升到94. 96 和 96. 43 。对于汤逊湖， TP 的初始浓度比较低， 在 整个实验期间， TP 的去除率达 81. 32 。因此， 藻类 膜技术对富营养化湖水除磷的效果非常明显。同时， 对 3 个湖泊的 TP 去除率比较得出， 富营养化越严重， TP 去除效果越好。 图 2藻类膜对湖水中磷的去除率 磷是藻类生长的营养因子， 藻类对营养物质的吸 收动力学遵循 Michalis-Menten 酶动力模型 ［ 5］ V VmaxCs/ Ks Cs 1 式中V 营养物质吸收速率， μmol/ g min ; Vmax 营养物质的最大吸收速率， μmol/ g min; Cs 基质浓度， μmol/L; Ks 吸收半饱和常数， 即 V Vmax/2 时的基 质浓度。 由式 1 可知， 在基质浓度即 TP 浓度比较高时， 藻类对 TP 的吸收速率比较大。反之， 藻类对 TP 的 吸收速率比较小。一般认为， 藻类对磷的去除机理主 要是藻类同化吸收和化学沉淀。化学沉淀主要是由 磷酸盐沉淀引起， 即与水体中的某些阳离子如 Ca2 、 Mg2 等发生协同沉淀， 因而从水中去除磷。 11 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 2. 2TN 和 NH3－ N 去除效果 图 3、 图 4 分别表示了 TN 和 NH3－ N 的去除效 果。从图 3、 图 4 可看出， 藻类膜对 TN 和NH3－ N的 去除效果随处理时间的增加， 装置内 TN 和 NH3－ N 浓度逐渐降低， 去除率不断提高。对于南湖， 在实验 中的前 2 天， 装置中的 TN 和 NH3－ N 浓度降解的速 度比较快， 去除率呈急剧上升的趋势， 湖水的 TN 和 NH3－ N 分别降解了 91. 63 和 94. 69 。在实验的 后 4 天， TN 去除率的变化趋势变缓， TN 去除率最后 也只上升到 93. 21 。而 NH3－ N 去除率还有下降 趋势， NH3－ N 去除率为 92. 84 。对于紫阳湖， 实验 期间， TN 和 NH3－ N 去除率最终分别为 78. 11 和 97. 63 。对于汤逊湖， 在实验中的前 3 天， 装置中的 TN 和 NH3－ N 浓度降解速度比较快， 去除率呈急剧 上升 的 趋 势， 湖 水 的 TN 和 NH3－ N 分 别 降 解 了 71. 81 和 78. 03 。在实验的后 3 天， TN 和 NH3－ N 的去除率变化趋势变缓， TN 和 NH3－ N 的去除率 最后分别也只上升到 76. 38 和 84. 64 。 图 3藻类膜对湖水中 TN 的去除率 图 4藻类膜对湖水中 NH3 － N 的去除率 另外， 从图 3 和图 4 可知， TN 去除率与 NH3－ N 去除率随处理时间的变化情况有所不同。实验的前 2 天， NH3－ N 去除率明显快于 TN 去除率， 去除的速 度基本符合相对浓度越高去除率越高的规律。对比 图 3 和图 4， 湖水中 TN 的去除率主要来自对 NH3－ N 的去除， 当 NH3－ N 的去除率变化不大时， TN 去除速 率也随之变小， 但变小的趋势没有 NH3－ N 明显， 尤 其是对汤逊湖湖水的处理， 汤逊湖 TN 中 NH3－ N 所 占比例不大， 在实验前 2 天， 待 NH3－ N 去除率已经 趋于稳定时， TN 去除率在第 3 天仍然有较大的升高， 说明藻类膜对非氨态氮有一定的去除效果。 藻类对氮去除主要有藻类同化吸收和 NH3－ N 挥发两条途径。藻类生长的最主要氮源是 NH3－ N， 一般认为藻类倾向优先利用 NH3－ N， 所以 NH3－ N 是藻类吸收的直接形式。从 Oswald［ 6］建立的藻类同 化吸收表达式可以看出， 合成 1 分子的藻细胞体， 需 16 分 子 的 氮。同 时， 实 验 装 置 内 pH 值 较 高， 使 NH3－ N以气态自水中逸出， 达到了 NH3－ N 挥发去 除的效果。水中的氮不是以单一形态存在的， 通常有 氨、 分子氮、 硝酸盐、 亚硝酸盐和尿素等形态。由于藻 类的光合作用， 在合成藻细胞的同时， 释放出大量氧 气， 因而在装置中溶解氧较高， 可能存在发生硝化的 现象; 虽然硝化作用对氮的去除没有直接贡献， 但其 消耗装置内的 NH3－ N， 与氮的去除密切相关。 3结论 1 藻类膜对富营养化湖水氮磷的去除效果较 好， 2 d 内的去除速率最大。 2 藻类膜处理氮磷的效果与湖泊富营养化程度 有关。湖泊富营养化越严重， 藻类膜的脱氮除磷效果 越好。 3 在 6 d 实验时间内， 南湖的 TP、 TN 和 NH3－ N 的去除率分别为 96. 96 、 93. 21 和 92. 84 ， 紫阳 湖的 TP、 TN 和 NH3－ N 的去除率分别为 96. 43 、 78. 11 和 97. 63 ， 汤逊湖的 TP、 TN 和 NH3－ N 的 去除率分别为 81. 32 、 76. 38 和 84. 64 。 参考文献 ［1 ］ 黄翔峰，池金萍，何少林，等. 高效藻类塘处理农村生活污水 研究［J］ . 中国给水排水，2006，22 5 35- 39. ［2 ］ 吕福荣，杨海波，李英敏. 小球藻净化污水中氮磷能力的研究 ［J］ . 生物学杂志，2003，20 2 25- 26. ［3 ］ 邢丽贞，张向阳，张波，等. 藻菌固定化去除污水中氮磷营养 物质的初步研究［J］ . 环境科学与技术，2006，29 1 33- 34. ［4 ］ 凌晓欢，况琪军，邱昌恩，等. 两种藻类对水体氮、 磷去除效果 ［J］ . 武汉大学学报理学版，2006，52 8 487- 491. ［5 ］ 施永生. 亚硝酸型生物脱氮技术［J］ . 给水排水，2000，26 11 21- 24. ［6 ］ 何少林，黄翔峰，乔丽，等. 高效藻类塘氮磷去除机理的研究 进展［J］ . 环境污染治理技术与设备，2006，7 8 6- 11. 作者通信处魏群530004南宁市 广西大学环境学院 E- mailhustweiqun 163. com 2010 － 09 － 29 收稿 21 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期