采矿、冶炼、化工等行业的快速发展加速了重金属污水的排放,地表水体中严重的重金属污染问题受到越来越多的关注。传统方法对重金属污染的修复存在效率低、成本高,易产生二次污染的缺点。微藻是一种单细胞的微生物,具有生长速度快、抗逆性强的特点,不仅可以通过生物吸附和生物富集的方式去除重金属,而且可以通过光合作用实现太阳能对生物质能的转化。然而利用活藻处理含重金属废水在营养条件、重金属毒性和生物质回收利用等方面存在一定限制。生物炭密度低、亲水性高,表面利于微生物粘附的官能团丰富,污染物吸附能力强且在环境中具有高度的稳定性,使得生物炭可作为良好的微生物载体。因此,本项目提出一种以生物炭为载体的固定化微藻对重金属镉进行耦合修复的新方法,达到提高污水中镉的去除率和提高微藻的生物质回收率双重目标。具体研究内容和结果如下:1)游离的微藻生物质和水葫芦茎叶制备的生物炭粉末作为离散型生物吸附剂,可以和水体中的重金属离子充分接触。为了得到更加经济高效混合型离散吸附剂,实验考察了 pH、吸附剂添加量及微藻与生物炭的混合质量比对生物炭粉末、小球藻Chlorella sp.及微藻-生物炭混合吸附剂的吸附效果和的表面特性(表面官能团、表面电位及表面形貌)的影响。微藻和生物炭的表面电位随着pH和吸附剂添加量变化,并在微藻与生物炭以2:3的质量比混合时达到最低的表面电位(-29.3 mV),有利于吸附带正电的镉离子;在二者混合时增加了羧基基团、C-H不对称弯曲振动基团和-CH2对称伸缩振动基团参与重金属的结合。2)在得出最佳吸附pH和吸附剂添加量为6和1 g l-1的基础上,分析了接触时间、微藻与生物炭的混合质量比、初始Cd2+浓度对吸附性能的影响,建立等温吸附模型和动力吸附模型研究离散型混合吸附剂的吸附机理和吸附过程。由拟合度最高的Sips等温吸附模型得出,微藻与生物炭以2:3和4:1质量比混合时最大吸附量分别为217.41 mg g-1和186.03 mg g-1,高于小球藻和生物炭单独作用时的最大吸附量169.79mgg-1和95.1mgg-1;虽然二者的吸附过程都符合准二级动力吸附模型,但二者的吸附机理有很大区别,以4:1的质量比混合时由模型计算出来的吸附速率更大,表现出快速的表面吸附的特点,而以2:3的质量比混合时则表现出主动缓慢的胞内富集的特点。3)微生物可粘附在成型的生物膜填料上从而提高微生物和填料原料的固液分离性。为了降低生物膜填料的生产成本和微藻收获成本,实验采用废弃水葫芦生物质(茎叶、根须及茎叶、根须裂解而成的生物炭)制成堆积式生物膜填料,对培养后期微藻进行絮凝并共同处理低重金属镉浓度的水体。对四种填料的表面特性进行测试后发现,堆积式水葫芦茎叶生物炭填料呈现出良好的亲水性、丰富的孔结构和有利于微生物粘附的羧基、胺基、亚胺基、酰胺类等基团,对小球藻的絮凝效率可达到81.52%,生物炭填料也有助于提高微藻胞内吸附性能。光照与微藻的培养周期对微藻絮凝效率及絮凝部分胞外聚合物(EPS)的产量和成分有显著影响,粘附性EPS中的L-EPS含量与絮凝效率大致呈负相关,在培养后期(27d)提高光照可减少絮凝部分L-EPS含量同时提高絮凝效率;同时,微藻絮凝效率、可溶性EPS中蛋白质与多糖的质量比又与重金属镉去除量呈正相关。4)为了进一步提高填料的附着表面积和亲水性能,通过控制反相悬浮聚合反应中的各个参数制备了β 环糊精高分子生物炭聚合物填料,实现微藻的快速絮凝收获,5 h内絮凝效率可达到73.33%。由Langmuir等温吸附模型计算出絮凝挂膜前后填料最大吸附量分别为10.02和15.489 mg g-1;准二级动力吸附模型能很好地模拟挂膜前后的重金属镉吸附的过程(R2>0.99)。