斜生四链藻处理人工废水中氮磷的研究.docx

斜生四链藻处理人工废水中氮磷的研究.docx

3 斜生藻去除人工废水中氮磷的研究摘要氮和磷是废水处理中重要的去除目标，普通生物处理的脱氮除磷效果难以达标，排入环境中会造成二次污染等问题。现有的生物脱氮除磷工艺的除磷效果虽然达到了排放标准，但也存在着工艺复杂、处理成本高等问题。本实验主要研究斜生藻对人工废水中氮和磷的去除效果。研究表明，斜生藻具有一定的脱氮除磷效果，同时对废水中的COD也有一定的去除能力，为生物废水处理技术的发展提供了一定的思路。关键词：藻类；废水处理；脱氮除磷；研究 。 的是为了满足 ， 的进入会引起 等 。和有，也有诸如和成本高昂之类的问题。本文主要是研究的对的和的影响。结果表明，具有的和，并且对COD也有影响，为的提出了思路。关键词：藻类；；和；第1章引言1.1我国水环境污染现状我国水资源面临的形势十分严峻。当前，我国国内外水资源分布的一个主要特点是水资源总量不丰富，人均拥有量低。我国国内外水资源总量居世界第六位，人均水资源占有量约2240立方米，约占全球人均水资源的25%。

水污染问题严重，很多地区、流域的水污染向外蔓延，从大城市蔓延到农村，地表水渗透到土壤、地下水。近年来，我国年均污水排放量持续大幅增加，2015年全年污水排放量只有466亿立方米左右，2018年突破520亿立方米，2019年更是增长6.4%左右，污水排放量近560亿立方米。2020年，我国经济恢复平稳发展，工业经济实现稳中向好，预计2020年我国全年污水排放量与往年相比不会减少。近年来我国污水排放量如表1-1所示： 表1-1 我国历年污水排放量 4 中华人民共和国生态环境部发布的监测显示，我国重要湖泊水质状况为：约47%的湖泊水质优良，30%的湖泊水质良好，水质较前几年有所改善，但受污染水体仍占23%左右，其中约8%为中度污染及以上水体。我国重要湖泊水质状况如图1-1所示： 图1-1 2020年我国重要湖泊水质状况 氮和磷是动植物生长的营养元素，水环境中氮、磷含量过高，会造成水体营养过剩，藻类获得营养后会迅速生长。藻类的大量繁殖会产生过多的藻类尸体，藻类尸体经水中微生物有氧分解，会加速水环境中氧浓度的降低，造成水中溶解氧含量降低，使其他需要氧气进行生命活动的水生生物因缺氧不能进行正常代谢而死亡，水体的生态平衡遭到破坏。

传统的生物处理工艺可以有效去除废水中的有机物，但是对氮、磷的去除效果并不是很好。将废水中的氮、磷含量控制在一定的标准之内，对于改善我国当前的水污染现状有着十分重要的意义。目前，国家对环境问题越来越重视，在发展工业的同时，也注重对环境的影响，采取了一系列措施，制定完善了相关法律法规，水环境各项指标呈现出积极的发展趋势。但是，我们还需要研究更加高效的废水处理工艺，实现对水环境更好的改善。1.2.废水脱氮除磷技术1.2.1.水体富营养化的原因及危害1.什么是水体富营养化？简单地说，水体富营养化（ ）就是指大量含氮、磷污染物（ NH3 、 NO3- 、 NO2- 、 PO43- ）进入水环境，造成水体营养过剩，从而引起水体中某些藻类异常、大量繁殖的现象。后期产生的藻类尸体引起异养微生物旺盛的代谢活动，耗尽水体中的氧气，引起水底有机质的厌氧发酵，使水质恶化，导致其他水生动植物死亡，引起微生物种群的演替，破坏水体的生态平衡。如图所示： 图 1-2 水体富营养化 52.水体富营养化的危害 水体富营养化易发生在湖泊、水库、内海、河口等流速缓慢的水体。这些缓慢流动的水体适合营养物质的积累和水生生物的繁殖，水体的富营养化使水体变得浑浊，透明度低，影响藻类和其他水生植物因得不到所需的阳光，其光合作用受到一定的限制。

水生植物的光合作用是水体溶解氧的重要来源，当光合作用受到限制时，水体溶解氧含量也会降低。另外，富营养化水体表面藻类的异常繁殖，以及水体表面藻类的光合作用，都可能使水中溶解氧超过水生生物正常生长适宜的浓度范围。水体溶解氧含量必须维持在适当的浓度，过高或过低对水生生物都是有害的，死亡的藻类和生物会被水中的异养微生物氧化分解。富营养化水体底部沉积着丰富的有机物，由于水中缺氧，这些有机物会发生厌氧发酵，产生影响人体感官的恶臭气体，甚至会产生一些有毒物质。由于富营养化水体中​​含有亚硝酸盐及重金属，在水体中被鱼虾等富集，人类食用鱼虾后最终会危害人体健康。1.2.2.废水反硝化技术含氮物质进入水环境的途径有两种，一方面是自然过程，主要包括大气中的含氮物质受降水及扬尘、固氮微生物、雷电等影响进入河流;另一方面是人类活动。人类活动导致含氮物质进入水环境，是造成氮浓度超标的主要因素，如城镇生活污水、工业废水不达标排入水环境，如皮革厂、化肥厂、炼油厂、焦化厂、制药厂、农药厂等。当水环境中总氮含量超过0.3mg/L时，意味着水体的各项指标已经趋于异常发展，水体发生富营养化的风险较高。

废水反硝化是对废水进行反硝化以防止水体富营养化的过程。一般分为物理化学法和生物反硝化法。常见的物理化学反硝化技术有空气吹扫法、沸石选择性交换吸附法、断点加氯法等。在实际污水处理中，生物反硝化应用十分广泛。生物反硝化的原理和工艺流程如下：生物反硝化是指硝化和反硝化生物反硝化。污水生物反硝化主要通过四个生化过程将废水中的结合态氮转化为气态氮，从而去除废水中的氮污染物。这四个过程分别是同化、氨化、硝化和反硝化。其中，起关键作用的是硝化和反硝化。硝化过程是在有氧条件下，在硝化细菌的参与下，将废水中以氨氮形式存在的氮污染物转化为硝酸盐氮。反硝化过程是在厌氧条件下，在反硝化细菌的参与下，将废水中以硝酸盐氮形式存在的氮污染物转化为气态氮，然后从废水中排入大气。 1.2.3.废水除磷技术 生活污水经普通废水生物处理后，只能去除少部分磷（19%左右），出水含磷量仍然很高，如果将出水排入水环境仍然会造成二次污染等问题，因此需要设置除磷工艺。常见的废水除磷工艺主要分为化学法和生物法两大类。 1.化学法 实际处理过程中，最常见的化学方法是化学沉淀除磷，如氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体沉淀法等。

即通过向污水中投加化学药剂，与污水中的磷酸盐发生化学反应，生成不溶性固体产物，经自由沉淀后，采用固液分离的方法，达到降低污水中磷含量的目的。化学除磷工艺比较简单，但与生物处理法相比，需要投加大量的化学药剂，大量化学沉淀剂的投加会对生物处理过程中的微生物产生一定的毒性作用，使出水水质变差。2.生物法6 (1)生物除磷的本质是聚磷菌(指能吸收过量磷并积累PHB的细菌)在厌氧条件下，先将胞内磷释放出来，然后在好氧条件下过量吸收污水中的磷，形成核酸和ATP，另一部分形成不溶性的异染性颗粒—聚磷酸盐储存在细胞内。最终磷的去除是通过排出富含磷的剩余污泥来实现的。 （2）生物除磷原理a.厌氧释磷过程：在厌氧环境条件下，污水废水中的发酵菌将污水废水中复杂的大分子有机物转化为易被聚磷菌快速降解的简单有机物，包括甲酸、乙酸、乳酸、乙醇等。聚磷菌在体内水解PHB获得能量，将这些小分子有机物以主动运输方式运送到细胞内，同时将磷酸根离子以主动运输方式释放到体外。b.好氧吸磷过程：在好氧条件下，聚磷菌将体内储存的聚磷酸盐水解，释放能量吸收体内超出其需要的磷，形成ATP和核酸，多余的磷以异染的颗粒——聚磷酸盐的形式储存在细胞内。经过二沉池后，澄清水含磷极少，形成富磷的剩余污泥。最终除磷是通过排出含磷量较高的剩余污泥来实现的。

1.2.4.同步脱氮除磷工艺随着对水质处理要求的提高以及实际运行中遇到的各种问题，单纯的脱氮或除磷工艺的应用有一定的局限性，从而导致了同步脱氮除磷工艺的出现。同步脱氮除磷工艺可以在一个系统中同时去除氮和磷，并能达到很好的处理效果。目前常见的同步脱氮除磷工艺有：A2O工艺、改进工艺、SBR工艺、MBR工艺等[2]。下面主要介绍前两种工艺。 1.A2O同步脱氮除磷工艺 A2O同步脱氮除磷工艺是在厌氧/好氧生物除磷工艺和缺氧/好氧生物脱氮工艺的基础上形成的，许多生物脱氮除磷工艺都是在此基础上改进和发展起来的，对废水中的氮、磷和BOD都有非常有效的去除能力。如图所示：图1-3 A2O工艺流程为：原废水随二沉池回流的剩余污泥一起进入厌氧池，废水中的聚磷酸盐菌可利用二沉池回流污泥中聚磷酸盐菌释放的能量进行厌氧释磷，其释氮吸磷程度直接决定二沉池聚磷酸盐菌的吸磷程度。厌氧池出水与好氧池回流的混合液一起送至缺氧池，在缺氧池中反硝化菌利用剩余有机物和回流的硝酸盐进行反硝化，完成反硝化反应后一起进入好氧池，在好氧池中硝化菌进行硝化反应，聚磷酸盐菌进行好氧吸磷。最后进入二沉池进行沉淀分离，澄清水排出，沉淀后的剩余污泥一部分返回厌氧池，一部分以富含磷的剩余污泥形式排出。

2、改进五级工艺改进五级工艺相对于A2O工艺增加了缺氧池和好氧池。增加的缺氧池一方面是利用回流污泥的内源呼吸进行反硝化除氮，提高系统的脱氮能力，另一方面减少或完全消除回流污泥中的硝酸盐，提高系统的释磷能力和好氧池中聚磷菌的吸磷效果，提高系统的除磷能力。增加的好氧池起后曝气作用。改进五级工艺的脱氮除磷效果相对于A2O工艺都有一定程度的提高和稳定，但工艺相对复杂，水力停留时间相对较长。1.3.藻类在废水处理中的应用藻类是一类含叶绿素的光合自养微生物，可通过光合作用获取能量供给自身生长，在生态系统中占有十分重要的地位。利用藻类处理废水的技术方法很早就被提出，但只是在近几年才受到重视。藻类处理废水又称废水生物处理，具有成本低、效率高、不产生二次污染等优点，因此在废水处理中逐渐得到实际应用。利用藻类的新陈代谢，可以有效去除污水中的氮、磷、BOD，还可以去除一般生物处理难以降解的污染物。在一定条件下，藻类还能结合外源物质(如重金属)，对废水中的重金属有一定的去除能力[3]。

1.3.1 藻类去除废水中的氮和磷 氮和磷是藻类正常生长所必需的营养物质。废水中磷的存在形态有多种，大部分是正磷酸盐、多聚磷酸盐和有机磷。废水中的氮以氨氮、硝态氮和有机氮的形式存在。废水中的有机氮和无机氮都可以作为藻类的氮源，有些藻类能固定大气中的氮作为氮源。藻类利用这些形态的氮和磷作为自身生长所需的营养基质。藻类利用不同形态氮的顺序为：氨氮、硝态氮、简单有机氮[4]。研究表明，小球藻是最适合处理废水的藻类，小球藻对氮和磷的去除率为70%~80%，小球藻与活性污泥混合对氮和磷的去除率为80%~90%[5]。相比较而言,普通生物处理对氮、磷的去除率要高得多,此外斜生四爿藻、小孢颤藻和小环藻也具有良好的脱氮、除磷效果。1.3.2藻类去除废水中的有机物生活污水和各类工业废水中的主要污染物都是各种有机物,因此对有机物的去除效果成为衡量污水处理工艺处理效果的重要依据。藻类可以利用自身的新陈代谢,将废水中的有机物同化为自身的细胞物质或者转化为二氧化碳和水,从而达到去除污水中部分有机物的效果[6]。同时，藻类又可为各类好氧细菌通过光合作用氧化分解有机物提供所需的氧气，而细菌氧化分解有机物产生的磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐等又为藻类生长提供了所需的磷源、碳源、硫源等，构成了菌藻共生的生态系统——氧化塘（又称稳定塘）。

氧化塘是充分利用自然界净化能力的处理工艺[7]，是一种自然条件下的生态污水处理方法。氧化塘根据其优势菌种和溶解氧含量可分为四种类型，即好氧塘、厌氧塘、兼性塘和曝气塘。不同类型的氧化塘对处理不同类型的污染物具有不同的优势。图中所示为氧化塘净化污水的工艺原理： 图1-4 氧化塘净化污水的工艺原理 CO21.3.3. 藻类去除废水中的重金属 重金属对环境影响很大，难以降解，且易沿食物链富集，最终危害人类健康。目前已知的去除重金属的方法有化学沉淀法、活性炭吸附法、离子交换法等，这些物理化学方法普遍存在对化学试剂要求高、去除效果不稳定、处理成本高、易产生二次污染等缺点，需要进一步改进和发展。藻类可以吸附、富集普通生物处理中难以降解的重金属，是一种良好的重金属吸附剂，与普通物理化学方法相比，具有经济、环保、去除效果好等优势[8]。利用藻类处理和修复重金属污染水体有很好的开发应用前景。1.藻类处理废水中重金属的来源最初对藻类与重金属的研究主要研究重金属对藻类的毒性作用、藻类对重金属的耐受性及存活率等。后来的研究发现，藻类对于重金属有很高的富集能力，也就是说，藻类对重金属有很好的吸附效果。

2.藻类吸附重金属的过程[10] 第一步是物理吸附，不需要消耗能量，重金属离子只是简单的吸附到藻类细胞表面。第二步是化学吸附，化学吸附是利用藻类的新陈代谢，发生在活的藻类细胞表面的一种较慢的化学吸附。造成这种吸附过程缓慢的原因是重金属具有一定的毒性，当重金属的吸附量达到一定限度时，就会对藻类细胞产生一定的毒性和致死作用。目前的研究表明，藻类吸附重金属的速率主要取决于第一步的物理吸附过程。 1.4.本研究内容 氮、磷是废水处理中重要的去除对象，普通的生物处理的脱氮除磷效果难以达到排放标准，排入环境中会造成二次污染等问题。现有的生物脱氮除磷工艺虽然达到了排放标准，但也存在工艺复杂、处理成本高等问题。研究表明，某些藻类具有较好的脱氮除磷效果，藻类废水处理具有稳定性好、反应时间短、不产生二次污染等优点。本试验主要研究内容为斜生四齿藻对人工废水中氮、磷的去除效果[11]。本试验所用的藻种为斜生四齿藻，取自山西大学生命科学学院藻种库。斜生四齿藻生长于静止水体中，在国内外分布广泛，是鱼类的良好饲料来源，也是实验室研究废水中有机污染的良好实验材料[12]。四叶藻在自身的生长代谢中还可以利用废水中溶解态氮和磷作为氮源和磷源，从而达到去除废水中氮和磷的目的[12]。

人工废水模拟废水中各种物质的含量，按一定比例配制，可以避免实际生产生活中其他微生物的干扰，人工废水中悬浮物、浊度、色度均较低，更利于实验的进行。第二章实验材料与方法2.1实验材料2.1.1藻种本实验所用的藻种为斜生四爿藻（ ），取自山西大学生命科学学院藻种库，采用BG11培养基对藻种进行培养保藏。2.1.2药品 表 2-1 药品及规格 药品名称 规格 硫酸银 分析纯（AR） 硫酸亚铁铵 分析纯（AR） 过硫酸钾 超纯（GR） 抗坏血酸 分析纯（AR） 氢氧化钠 分析纯（AR） 葡萄糖 分析纯（AR） (NH4)2SO4 分析纯（AR） 硝酸钠 分析纯（AR） 碳酸氢钠 分析纯（AR） 磷酸二氢钾 分析纯（AR） 氯化钠 分析纯（AR） MgSO4.7H20 分析纯（AR） FeSO4.7H2O 分析纯（AR） 硼酸 分析纯（AR） 氯化钙 分析纯（AR） CaSO4.5H2O 分析纯（AR） 钼酸铵 分析纯（AR） 酒石酸钾钠 分析纯（AR） 水杨酸 分析纯纯（AR） 药品使用注意事项： （1）称量、取药时应佩戴口罩、手套，确保安全。 （2）药品使用后应密封，放回原位，以便下次使用。 （3）由于用药较多，请注意使用规范，防止药品污染。 2.1.3. 实验仪器 表 2-2 实验仪器及型号 9 仪器名称 型号 数量 电子天平 分析天平 普通电子吸收分光光度计 WFJ-21001 双光束紫外可见分光光度计 TU-19011 电热鼓风干燥箱 FXB 101-11