天然水体中生物膜对水环境中磷的吸附特性研究

在自然环境条件下，生物膜存在于几乎所有暴露于水中的固体表面上，代表了一类微生物群体，生物膜对水环境中营养物质磷的吸附特性及磷循环过程发挥着重要作用，膜上的微生物种群使得营养物质磷具有不同的迁移转化能力和生物可利用性等特征。本申请项目将对生物膜的微生物种群特征、营养盐磷的吸附特性和磷的迁移转化规律进行系统研究，探讨生物膜上微生物种类、形态和群集特征，确定天然水体中生物膜对磷的吸附热力学和动力学特征，建立吸附动态过程的数学表达式，获得膜上特有的化学组分对磷吸附的贡献以及对磷的吸附能力，对比不同水体中生物膜对磷的吸附特征的差异，分析水中固体颗粒物对生物膜吸附特性的影响，揭示生物膜吸附作用下水环境中磷的输移扩散及转化规律。在系统研究的基础上，解析固相颗粒物与水相界面的物质输送过程和微生态环境效应，为预测天然水体污染状况和水体发生富营养化趋势及治理措施提供科学依据。

生物膜广泛地存在于自然水体中的各种固相物质表面，是一种具有生物活性的吸附剂，以往对生物膜的研究主要是生物膜对重金属和有机污染物的吸附特性，而生物膜对磷的吸附研究很少。本课题以天然水体中的生物膜为研究对象，采用光学显微镜和环境扫描电子显微镜对其形貌结构和微生物种群进行观测，深入认识生物膜及微生物构成；在温度、pH和振动速率等多种环境因素的影响下，研究生物膜吸附磷的动力学和热力学特征；采用不同粒径的泥沙在天然水体中进行生物膜的培养，并与表面处理过的泥沙在相同的环境因素下进行吸附磷的实验，比较生物膜对吸附的贡献；考虑水环境中泥沙吸附污染物和泥沙冲淤运动对污染物输移扩散特性的影响，建立非恒定非饱和输沙模型和污染物迁移转化模型。. 取得了以下重要成果：（1）自然水体中的生物膜优势种群为硅藻门藻类，绿藻次之；（2）培养7天的生物膜基本发育成熟，其活性微生物量最大，对营养盐磷的吸附率也最大；（3）水体中的生物膜对磷的吸附量一般为100—2000mg/kg，吸附过程比较缓慢，一般80—150小时达到吸附平衡；（4）生物膜吸附磷的过程符合准二级动力学模型，等温吸附符合Langmuir等温式；（5）温度对生物膜吸附磷有较大影响，最佳吸附温度为25—30℃，pH值对吸附特性影响不大，振荡速率对吸附磷有显著影响，吸附速率和平衡吸附量都随振荡速率增大而增加，达到平衡所需时间则随振荡速率增大而缩短；（6）表面处理的干净泥沙对磷的吸附很小，而在天然水体中培养的表面长有生物膜的泥沙对磷具有一定吸附性，相同条件下吸附量比表面干净的泥沙高出1个数量级，吸附规律与采集的天然生物膜的吸附规律类似，吸附速率和平衡吸附量随泥沙粒径增大而减小。（7）建立了水环境中颗粒态和溶解态污染物的水质数学模型。. 以上研究成果对于深入认识自然水体内的沉积物的吸附特性以及污染物迁移转化规律、水体自净过程具有重要的理论意义。根据研究成果公开发表论文10篇(其中2篇为SCI收录，4篇为EI收录)，培养硕士生2名。