藻类处理氮磷和重金属废水 .pdfVIP

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藻类生物膜技术

1藻类生物膜处理污水的原理

利用藻类生物膜处理废水的技术在许多年以前就被提出来了,但在近年来才

受到关注。藻类可以有效地利用污水中的N、P,且在此过程中产生氧气,有利

于BOD物质的去除,又由于光合作用增加了pH值也可以起到消毒作用(减少大

肠杆菌及有毒细菌数量,并且它还可以缔合外源物质(如重金属),即去除了污水

中的营养盐,又促进了N、P等元素的循环,增加了生物量,创造了更多的经济

价值。所以,藻类系统对于去除引起富营养化问题的氮、磷化合物以及污水深度

处理提供了一个优良的解决方法。

1.1对氮、磷的去除

氮是藻类生物量的一个重要元素,一般而言,约占藻类干重的10%,藻类可

利用的氮源范围包括无机氮和有机氮,而藻类利用不同形态的N的优先顺序为,

NH4+-NNO3—N简单有机氮(如尿素、简单的氨酸等)。藻类消化吸收无机

氮,转化生物量的能力可以有效的进行氮化合物的解毒。无机氮的同化作用包括

三个步骤:首先,硝酸盐、亚硝酸盐、氨吸收,由一种特定的通透酶介导并需要

能量;其次,依赖ATP将硝酸盐还原为铵,需要8个电子,由两个酶活化催化

(硝酸盐还原酶、亚硝酸盐酶);最后,将钱并入碳骨架。

许多藻类除了自养方式之外,还可以运用有机物进行混合营养,直接吸收多

种有机氮如尿素、氨基酸等,有些藻类能固定大气中的氮并加以利用。

从对氮的需求观点来看,城市污水富含满足藻类生长的氮源,氨态氮是城市

污水含量最高的无机氮源;其次是尿素(有机氮),它可以直接或被细菌转化为氨

氮而被藻类利用;而水中的游离氨浓度过高却会对藻类的生长造成抑制。

有学者认为藻细胞合成的磷仅占藻细胞干重的1%,但它是细胞核酸的主要

成分,在能量的转化过程中起着重要作用。

磷的自然界存在形态主要有溶解性磷(DP)、颗粒磷(PP),其中溶解性磷又分

为可溶性活性磷(DRP)和可溶性非活性磷(DUP)。有人研究表明磷用于能量传递

-2-

和核酸合成细胞的过程,主要以无机离子HPO、HPO的形式被吸收。磷的

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++2+

消耗依赖于培养基中的磷浓度,细胞内的磷浓度,pH值,Na、K、Mg等离

子的浓度和温度。细胞内的磷被用作合成有机或无机化合物。藻类用底物水平磷

酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化三种不同的过程将其转化成高能有机化合物。一

般反应式为:

前两个过程,能量来自呼吸底物的氧化,或来自线粒体的电子转运系统。在

第三个系统中,光能被转化结合成ATP。

1.2对重金属的去除

在藻类吸收重金属的动力学过程中,第一步是快速的物理吸附,不需要代谢

提供能量,重金属只是简单地被吸附到藻细胞表面上,这些金属有一部分可以经

蒸馏水的反复清洗而洗掉;第二步是与代谢活动有关的主动吸收,这一过程发生

于活体细胞,是由于生物体代谢活动的结果,属于较慢的化学吸附,而且由于重

金属一般具有很强的生物毒性,当细胞中积累的重金属达到一定量时,细胞将被

钝化或杀死。对于死亡的藻细胞来说,则不存在主动吸收的过程。

日前大部分的研究者都认为,藻类对水体中重金属的去除效果主要取决于第

一阶段的快速吸附。采用活体藻细胞来去除水中的重金属并非有效的方法,一方

面是因为主动吸收过程对重金属的富集速率很低,另一方面需要考虑培养条件和

重金属毒性等复杂因素的影响。这就使得很多学者以非活体藻类为材料来进行吸

附实验,并发现它们对重金属的吸附去除率常常高于活体材料。

藻吸附金属离子的基本机理是金属阳离子与藻细胞壁功能基之间的表面络

合作用。通常,微生物的细胞表面主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成,这些成分

中含有可与金属离子结合的羧基、磷酞基、羟基、硫酸脂基、氨基和酞胺基等官

能基团,其中的氮、氧、硫可作为配位原子与金属络合。藻酸盐是藻类细胞壁的

重要组分,人们对藻酸盐的化学组成和结构进行研究发现,藻酸盐是由

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