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1、 藻类在环境污染治理中的应用及其作用原理 Revised by Liu Jing on January 12,2021 藻 类 在 环 境 工 程 中 的 应 用 及 其 作 用 原 理 一、引言 我国是个多湖泊国家，大于lkm2的天然湖泊有2300余个，湖泊总面积为70988km2，总贮水量为708亿m3，其中淡水贮水量为225亿m3，是我国最重要的淡水资源之一，具有水利防洪、通水供水及气候调节等多种功能，对社会和经济的发展起到了不可估量的作用，是人民生活不可缺少的宝贵资源。因此，湖泊水资源与我国的经济持续发展以及人民生活休戚相关。但自70年代以来，随着我国工农业的迅速发展和城镇化进程的加速
2、，工业废水和生活污水排放量日益增加，加之人们环境意识淡薄，将湖泊用作工业废水、生活污水受纳场所和农业灌溉退水的归宿，最终导致了许多湖泊水体污染及富营养化。2004年中国环境状况公报指出，2004年监测的27个重点湖库中，满足II类水质的湖库2个，占75；类水质的湖库5个，占1 85；类水质的湖库4个，占148；V类水质湖库6个，占222：劣V类水质湖库lO个，占370。其中“三湖”(太湖、巢湖、滇池)水质均为劣V类，主要污染指标是总氮和总磷。大型湖泊如太湖、巢湖、洪泽湖、洞庭湖、鄱阳湖等因富营养化和水污染严重，导致一些水域已经失去其资源价值，无法利用，且情况仍在恶化，因此湖泊的治理成为当务之急
3、。目前的污水处理工艺较多，可以根据不同的进水水质和处理要求选择相关的工艺。这些在工艺上各具特色的处理系统有一个共同的特征，即都需要比较繁杂的设备，较高的日常运行费用，复杂的管理维护操作，并且对微生物生存的环境条件十分敏感。因此，研究新的污水处理工艺成为必然。而此时藻类便得到了科学家、学者们的亲睐。一、藻类的介绍 藻类泛指具同化色素而能进行独立营养生活的水生低等植物的总称。是一类(有些也为，如的藻类）。主要水生，无维管束，能进行光合作用。体型大小各异，小至长1微米的单细胞的，大至长达60公尺的大型。一些权威专家继续将藻类归入或植物样生物，但藻类没有真正的根、茎、叶，也没有维管束。一些藻类与其他真
4、核生物一样有，有具膜的液泡和(如线粒体)，大多数藻类於生活过程中需要。用各种分子(如叶绿素、等)进行光合作用。地球上的光合作用90由藻类进行，据信在地球早期的历史上藻类在创造富氧环境中发挥重要作用。藻类植物的种类繁多，目前已知有3万种左右。藻类分布的范围极广，对环境条件要求不严，适应性较强，在只有极低的营养浓度、极微弱的光照强度和相当低的温度下也能生活。不仅能生长在江河、溪流、湖泊和海洋，而且也能生长在短暂积水或潮湿的地方。从热带到两极，从积雪的高山到温热的泉水，从潮湿的地面到不很深的土壤内，几乎到处都有藻类分布。大多数藻类都是水生的，有产于海洋的；也有生于陆水中的淡水藻。在水生的藻类中，有躯
5、体表面积扩大（如单细胞、群体、扁平、具角或刺等），体内贮藏比重较小的物质，或生有鞭毛以适应浮游生活的浮游藻类；有体外被有胶质，基部生有固着器或，生长在水底基质上的底栖藻类；也有生长在冰川雪地上的冰雪藻类；还有在水温高达80以上温泉里生活的温泉藻类。藻体不完全浸没在水中的藻类也很多，其中有些是藻体的一部分或全部直接暴露在大气中的气生藻类；也有些是生长在土壤表面或土表以下的土壤藻类。就藻类与其它生物生长的关系来说，有附着在动、植物体表生活的附生藻类；也有生长在动物或植物体内的内生藻类；还有的和其它生物营共生生活的共生藻类。总之，藻类的生活习性是多种多样的，对环境的适应性也很强，几乎到处都有藻类的存
6、在。因此，将藻类应用到环境工程中的污水处理、环境净化方面具有相当大的可能性与研究空间。二、藻类在环境污染治理中的应用及其作用原理 1.蓝藻基因工程在环境保护方面的应用【1】1）吸收重金属 1996年美国的Erbe等将小鼠金属硫蛋白基因与报告基因ca t融合后转入聚球藻中,提高了对重金属Cd2+的抗性;小鼠金属硫蛋白和人肝脏金属硫蛋白已经分别被转进鱼腥藻PCC 7120和集胞藻PCC 6803中并成功表达,可用于改造重金属污染的土壤和水域并回收贵重金属离子。研究发现蓝藻基因组中的植物螯合肽合酶基因编码的植物螯合肽在对重金属解毒过程中扮演了重要的角色,将此基因在大肠杆菌中表达后可以有效保护大肠杆菌
7、对抗高温、重金属、高盐、杀虫剂和紫外线等的伤害。目前已有一批重金属抗性基因在细菌中表达成功,如汞操纵子基因、镍转运蛋白基因、汞转运蛋白基因等。这些基因工程菌对重金属的耐受性明显增强,其吸附容量和选择性吸附能力也有显着的提高。2)降解农药 鱼腥藻PCC7120可以降解卤代化合物林丹(六氯环己烷,六六六),转有来源于pseudomona spaucimobilis的linA基因(控制林丹降解的第一步)的鱼腥藻PCC 7120降解林丹速度加快,并且降解受nir启动子的调控。另外,表达42氯苯羟化酶的鱼腥藻PCC 7120能降解42氯苯和42碘苯 28。有机磷杀虫剂也可以被蓝藻降解,甲基对硫磷在有氧、
8、光合条件下可以被鱼腥藻PCC 7120还原转化。因此利用转基因蓝藻解决农药污染成为有希望的途径。1996 年日本的Suzuki等把真养产碱菌(Alca ligenes eurtrophus)的羧丁酸聚合酶基因转入聚球藻PCC 7942中表达后,催化合成的聚羟丁酸（PHB)是制造可降解塑料的原料。近年来,中国科学院植物所、上海师范大学和有机化学所合作,把高等植物光合作用中Calvin循环中三个酶:果糖1,6二磷酸酶、果糖1,6 二磷酸酯醛缩酶(ALD)和丙糖磷酸酯异构酶(TPI)的基因转入鱼腥藻PCC 7120中表达后,明显的提高了吸收和同化CO2 的能力,希望以后在减少大气中温室气体含量中发挥
9、作用。人们很早就认识到化石燃料是不可再生资源,因此可再生能源的研究越来越受到人们的关注。除了传统的风能、水能、太阳能等,生物燃料已经成为研究的热点。生物燃料包括用生物体生产氢气、甲烷、乙醇、生物柴油等,其中氢气由于燃烧产物是水而成为最清洁的生物燃料。目前为了应对能源危机,一些科学家正在寻找产氢的生物来制造清洁能源氢气,蓝藻便是其中之一。目前应用蓝藻产氢还处于研究阶段,一方面是继续筛选产氢率高的突变株,另一方面就是有效利用基因工程技术对产氢相关酶基因进行改造,从而改进生物产氢系统,使蓝藻提供大量的清洁、高效的理想能源。/O+硅藻强化新工艺在污水处理中的应用【2】1）A/O+硅藻土水处理新工艺介绍
10、 A/O+硅藻精土强化新工艺是利用硅藻土处理技术对传统A/O工艺的改进。用硅藻土处理池取代了传统工艺中的二沉池,首先提高了固液分离效率,降低了占地和投资;其次,不仅发挥了硅藻土物化处理的作用,还充分发挥了微生物载体的作用,提高生化处理效率;再次,系统产生的剩余污泥可通过硅藻精土处理池的自动排泥系统排出。与传统的A/O工艺相比,具有处理效果好、投资费用低、占地面积省等优点。图1 典型的A/O+硅藻精土强化新工艺流程框图 传统的A/O工艺是在一个反应池中划分为厌氧区和好氧区,只设一个终沉池,碳源物质由污水提供,既节省了外加药剂,又利用了反硝化过程去除了一部分污水中的有机物,节省了能耗。虽然A/O工
11、艺在去除有机物的时候能一定程度上去除磷氮,但很难同时取得好的除磷脱氮效果,而且反应池容积较大,投资费用较高。而当A/O工艺与硅藻精土结合成一个组合工艺,就弥补了双方的不足。2）A/O+硅藻精土强化新工艺的作用原理 A/O+硅藻精土强化新工艺通过硅藻精土与微生物的协同作用,利用硅藻精土处理系统具有的絮凝、吸附和过滤等功能,提高了对 CODcr,BOD5等有机污染物的去除率及脱氮效果；硅藻土回流至生化池后,由于硅藻土具有良好的生物粗 格 集 水 沉 砂 细 格 厌 氧 好 氧 中 间 硅 藻 土消 毒 砂 水 分 污 泥 污 泥 脱 风机 硅藻混合液回栅渣栅渣外砂外污泥回剩余污污泥栅渣外排放污相容
12、性,可以作为一种优良的多孔生物载体,多种微生物大量富集和挂膜在硅藻土上,进一步提高生化系统的处理效果；硅藻精土作为微生物的载体以其巨大的比表面积,为微生物提供了一个很好的附着生长的空间；采用硅藻土处理池取代传统工艺中的二沉池,表面负荷提高近一倍,并提高了泥水分离的处理。目前A/O+硅藻强化新工艺技术以其特有的优点在中小型城镇污水处理领域中备受关注。3）取得的成果 随着 A/O+硅藻土水处理工艺技术在工程应用中的不断成熟,考虑到地区水资源短缺的普遍现象以及缺水地区对污水处理厂出水中水回用的迫切需求,江苏省嘉庆水务发展有限公司科研人员和江苏省环境科学研究院、永城市污水处理中心环保专家们经过反复试验
13、论证,于 2007年提出了在该工艺中用由特殊材料制成的悬浮填料取代原有的悬挂纤维填料,就是生物浮动床(MBBR工艺)+硅藻精土强化工艺,它是 A/O+硅藻土水处理工艺技术的延伸。目前生物浮动床(MBBR工艺)+硅藻精土强化工艺已在工程实践中得到应用。本工艺具有以下优点:(1)处理效果稳定、效率高;(2)对水质水量的冲击负荷适应能力强;(3)占地面积小,投资省;(4)能耗低,运行费用低;(5)自控水平高,管理要求低,维护简便;(6)该工艺生化部分可采用全地埋式布置,故冬季低温对处理系统影响程度小,加上硅藻精土的作用不受温度的影响。因此处理系统可以确保冬季低温条件下的处理效果。(7)出水水质好,经
14、过滤、消毒后可以作为中水回用于工厂生产用水、道路冲洗、农田灌溉和绿化。(8)可根据进水水质浓度的高低和水量的大小调整运行方式,降低运行费用。3、川蔓藻在环境修复中的应用【3】大量的生态学研究已经表明以川蔓藻种群为建群种的海草床对于环境具有极其重要的价值。川蔓藻具有较好的净化水体的功能。它通过与浮游藻类争夺水体营养盐、光照以及释放克藻的次生代谢产物来有效抑制藻类的过量生长，从而提高水体的透明度。因此在富营养化日益严重的河口海岸带恢复与重建川蔓藻具有重要的意义。川蔓藻对于环境变化的高度响应，有利于它在恶化水环境中的恢复与重建。如它对盐度和碱度的较强适应性，可能使它成为生境严重破碎的海岸湿地恢复与重
15、建的先锋植物。2004 年 4 月，研究发现川蔓藻是我国天津滨海滩涂湿地发生次生演替的先锋植物，并首次将它用于以再生水为水源的滨海河道生态修复工程中。研究结果表明：川蔓藻能够在营养盐含量较高的再生水体中生长和繁殖，而且对于再生水体中无机营养盐的去除效果极好。它对于再生水体中的磷酸盐去除率达到 90%94%，氨氮的去除率超过92%98%。再生水河道水体中叶绿素 a 与川蔓藻的生物量呈显着的线性负相关，说明川蔓藻种群能够用于含盐量较高的滨海再生水的富营养化控制。近年来海岸资源调查结果表明，由于滨海城市经济迅速发展带来的河口海岸带的环境污染日益严重，我国华南地区的海草场的生态环境受到明显的威胁，华北
16、渤海湾的大面积的海草场已严重衰退。因此迫切需要我们去了解我国海岸湿地生态系统中的植物资源和它们对于污染环境的适应与改变，并进行生态修复。3固定化藻类细胞去除污水中N、P的应用【4】利用藻类处理污水始于20世纪60年代，利用污水培养藻类既可以廉价高效的去除污水中的N、P等污染物质，还可以产生大量的藻类生物量，这些生物量可以作为饲料、肥料或燃料等加以利用。用固定化藻类细胞处理污水具有藻类细胞密度高、反应速度快、去除效率高、藻细胞易于收获、净化后的水可再利用等优点，是一项重要的生物工程技术，在污水处理中有广阔的应用前景。1）固定化藻类细胞去除N、P的原理 藻类细胞能利用水体中多种无机氮和有机氮化合物
17、作为氮源，利用二氧化碳和硝酸盐作为碳源进行光自养生长，被藻细胞吸收的硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐可以用于氨基酸和蛋白质等物质的合成。污水中磷酸盐的去除有两条主要途径：（1）在有氧的条件下，直接被藻细胞吸收，并通过多种磷酸化途径转化成ATP、磷脂等有机物；（2）在无氧的条件下形成磷酸盐沉淀。因此，藻类细胞可以用来去除污水中富集的N、P等营养物质，并以有机物的形式将储存在藻细胞中。而采用固定化技术可以大大提高藻细胞对N、P等营养盐的去除效率。2）藻类细胞固定化技术 藻类细胞固定化的基本方式有2种：吸附和包埋。吸附是将藻细胞附着在载体(基质)的表面；而包埋是将藻细胞包埋或封闭在载体的内部。其中，包埋是目前
18、采用的主要方式。包埋载体可以采用人工合成的高分子聚合物，如聚乙烯基泡沫、聚氨基甲酸酯泡沫、聚丙烯酰胺等：也可采用天然聚合物如褐藻胶、角叉藻胶、琼脂、脱乙酰壳多糖等。包埋方法主要由包埋基质的物理和(或)化学性质决定。四、藻类在其他方面的应用 1、高效藻类塘技术的研究进展【5】高效藻类塘(HRAP)，又名高负荷氧化塘。与传统稳定塘(SP)相比主要有以下几个方面的特征：1)塘深较浅，一般为03O6m，而传统稳定塘的深度根据类型不同一般在O520m不等；2)有连续搅拌装置，促进塘内的污水与藻类完全混和，并推动水流作环型或螺旋型流动，流速在015O45rns，而传统稳定塘一般没有搅拌装置，只有曝气稳定塘
19、中的曝气装置在曝气的同时起到混合塘内水体的作用；3)停留时间较短，一般为410天，比传统稳定塘停留时间短7-10倍；4)高效藻类塘一般分成几个狭长的廊道，所以廊道的宽度较窄，而传统稳定塘不设挡板没有狭长的廊道。高效藻类塘对污染物的去除主要是通过藻类和细菌的共同作用而完成的。塘内由于水深较浅，太阳光能直射到塘底，所以有利于藻类的新陈代谢。藻类在水中经筛选存活并大量自然繁殖，同时藻类间又相互粘结交联及通过与细菌的作用形成一种类似于活性污泥的可絮凝结构，称之为藻菌共体。塘内生长的藻类光合作用释放的氧供给好氧型微生物进行代谢活动，从而对有机污染物进行氧化分解，代谢产物C02又成为藻类光合作用所需的碳源
20、，如此循环，使水质不断净化。高效藻类塘中藻类对污染物的去除起着直接和间接两种作用。直接的作用是藻类光合作用产生的氧供好氧菌降解有机物之用，同时为硝化细菌创造良好的好氧环境，有利于硝化作用的进行。另外，直接作用还包括藻类的生长繁殖过程中吸收氮、磷等营养盐，有利于氮、磷等污染物的去除。间接作用是藻类光合作用吸收C02，导致水中的pH值升高，从而有利于导致NH3的挥发和磷酸盐的沉淀。高效藻类塘高浓度藻类的光合作用使白天塘内的DO浓度保持在815mgL之间，pH值也能达到8O95，从而形成了藻菌生长繁殖和污染物去除的有利条件。2）冬季水网藻对源水水质的净化作用【6】水网藻是大型的网片状或网袋形缘藻,其
21、繁殖能力比形成水花的蓝绿藻更强,在其生长的过程中可大量吸收水体中的氮、磷,而使蓝绿藻由于失去赖以生长的高营养条件,无法在水体中大量繁殖,可达到以藻治藻的目的。水网藻还是一种营养价值极高的天然饵料。气候温暖的春夏秋季节,水网藻和刚毛藻生长速度快,对氨氮和生化需氧量等水质指标有较高的去除率,是净化水源水质的有效生态工程措施。三、总结 藻类 参考文献【1】席超 王春梅 施定基，蓝藻基因工程应用研究进展.中国生物工程杂志，2010,30（3）：107【2】赵崇山 田欣 潘红霞，A/O+硅藻强化新工艺在中小型城镇污水处理中的应用总结.环境科学与管理，2010年3月第35卷第3期92、95页【3】王卫红 季民，沉水植物川蔓藻的生态学特征及其对环境变化的响应.海洋通报，2006年6月第25卷第3期第18、19页【4】王起华 张岚翠 王冰，固定化藻类细胞去除污水中氮、磷的研究进展.工业水处理，2005年6月第25卷第6期第6、7页【5】王朝晖 林秋奇 祀桑 齐雨藻 骆育敏，水网藻（Hydrodictyonret reticulatum）在不同环境条件下对氮磷的吸收能力.中国环境科学，1999,19（3）：257