朱志偉

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥230601）

微藻對(duì)污水凈化效果及其生長情況研究

朱志偉

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥230601）

微藻由于其潛在的高烴類含量以及其在廢水處理中的優(yōu)越性，已經(jīng)吸引越來越多的關(guān)注，具有極大的研究和應(yīng)用前景.利用污水中培養(yǎng)的微藻凈化污水，將污水中的有機(jī)物及營養(yǎng)鹽類轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的形式儲(chǔ)存在微藻中，收獲的微藻又作為生產(chǎn)石油的原料，使污水處理和微藻生物制能兩個(gè)過程達(dá)到統(tǒng)一.基于此，本文首先分析了目前研究存在的問題，選用直接電解的方法對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理，研究了不同污水進(jìn)行處理時(shí)間、不同電解極板間距和不同的電解質(zhì)濃度對(duì)預(yù)處理效果的影響.在電解后的污水中培養(yǎng)微藻，研究微藻對(duì)不同濃度、不同水質(zhì)的污水處理效果，并測(cè)定了污水培養(yǎng)微藻的生長速率.

直接電解法；微藻；污水處理；生長速率

1 引言

能源危機(jī)和水體水質(zhì)惡化是目前可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大難題.人類能利用的地表淡水僅占地球總水量的0.0l%，而污水未經(jīng)處理即行排放引起的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重.傳統(tǒng)的污水處理法經(jīng)過預(yù)處理，初級(jí)處理和二級(jí)處理三個(gè)基本步驟后，可有效去除污水中的BOD、COD、SS等，但對(duì)營養(yǎng)鹽類的去除效果不明顯，出水中仍含有大量營養(yǎng)鹽類，無法達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn).為進(jìn)一步解決脫氮和除磷問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了三級(jí)深度處理方法的研究，三級(jí)深度處理方法主要是物理—化學(xué)方法，研究表明處理效果明顯.但三級(jí)深度處理方法運(yùn)行成本高，易產(chǎn)生二次污染，污水中的潛在資源也易被浪費(fèi).微藻處理污水技術(shù)具有系統(tǒng)建造運(yùn)行費(fèi)用低、能耗小、凈化效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用.可見，微藻對(duì)污水凈化效果及其生長情況的研究迫在眉睫，具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義.以污水為基質(zhì)進(jìn)行微藻培養(yǎng)，既能對(duì)污水進(jìn)行凈化，緩解水體水質(zhì)惡化，又能完成生物制油，緩解能源危機(jī).

但微藻處理污水技術(shù)也存在不少局限性，本文在分析目前研究存在問題的基礎(chǔ)上，分析微藻處理污水技術(shù)的局限性，選用直接電解的方法對(duì)高濃度污水進(jìn)行預(yù)處理，初步降低COD、BOD以及氮磷含量，降低污水中可能會(huì)對(duì)微藻生長有拮抗作用的微生物含量，提高污水的可生化性.然后，在電解后的污水中培養(yǎng)微藻，研究微藻的油脂含量.以期將污水中的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為新能源，實(shí)現(xiàn)資源的可循環(huán)利用.

2 存在的問題

目前國內(nèi)外對(duì)微藻對(duì)污水凈化的效果及微藻在污水條件下的生長情況進(jìn)行了較多研究，取得了大量研究成果.已有研究成果表明，微藻對(duì)污水具有很強(qiáng)的清潔能力，特別是絲狀微藻，由于比較容易與培養(yǎng)液進(jìn)行分離，所以是進(jìn)行污水生物處理的有效生物.但微藻污水處理法能去除的污染物局限于水中生物易降解(或生物可降解)的物質(zhì)，對(duì)生物難降解物質(zhì)去除效果甚微.

微藻污水處理法雖有待商榷，但作為生物燃料生產(chǎn)的備選材料，不會(huì)爭(zhēng)奪糧食生產(chǎn)的土地，不會(huì)影響生物多樣性或生態(tài)系統(tǒng)平衡，卻是不錯(cuò)的選擇.研究表明，部分微藻中含有相當(dāng)可觀的油脂類物質(zhì)，如布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)烴類物質(zhì)占干重的比例可以達(dá)到75%.另一些藻類含有極其豐富的脂類物質(zhì)，如硅藻(Diatom)、杜氏藻(Dunalienasalina)和小球藻(Chlorella)等，大多含有30%—50%左右脂類，有的甚至高達(dá)85%，可以直接提取得到微藻油.

因此，需要尋找另外合適的方法先處理污水，而后再在污水中培養(yǎng)微藻，將污水中的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為新能源，實(shí)現(xiàn)資源的可循環(huán)利用.

3 電化學(xué)法預(yù)處理污水

電化學(xué)法處理廢水可分為直接電解和間接電解兩大類，電解法處理污水主要以產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基（HO?）為特點(diǎn)，使難降解的大分子有機(jī)物氧化降解成低毒或無毒的小分子物質(zhì).一般用于處理含烴、醛、醇、醚、酚及染料等有機(jī)污染物廢水，如有機(jī)氯、磷、硫等合成藥物廢水，造紙、印染廢水等.當(dāng)有機(jī)污染物為高濃度時(shí)，發(fā)生的主要是直接陽極氧化，而在低濃度時(shí)才發(fā)生間接陽極氧化，本文選用直接電解的方法對(duì)高濃度污水進(jìn)行預(yù)處理.

本文選擇的污水分地表污水和沼液兩類，研究時(shí)，利用簡易電解裝置直接對(duì)污水進(jìn)行電解，選擇的電解質(zhì)為氯化鈉，記錄殺菌效果以及各水質(zhì)指標(biāo)（總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、總有機(jī)氮）的變化情況，對(duì)照組的電解條件為不加電解質(zhì).實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案包括的變量有：不同污水進(jìn)行處理時(shí)間（殺菌試驗(yàn)：10、20、30、60s、2min、5min；水質(zhì)實(shí)驗(yàn)：5min、10min、20min、30min、60min，120min）；不同電解極板間距（20、40、60mm）和不同的電解質(zhì)濃度（0.03、0.06、0.09mol/L）.記錄不同實(shí)驗(yàn)方案下的殺菌效果、脫氮除磷效果和水質(zhì)凈化效果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到所選擇污水處理的最佳電解條件.結(jié)果表明，電解時(shí)間對(duì)污水處理效果影響較大，隨著電解時(shí)間的增加，污水處理效果增大，電解極板間距對(duì)COD去除率影響較小.電解預(yù)處理最佳工藝參數(shù)宜選用較長的電解時(shí)間，極板間距建議取40mm.但電解時(shí)間的增加會(huì)增加能耗，需根據(jù)實(shí)際污水情況和需要得到的濃度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

4 微藻處理污水效果

藻類是自養(yǎng)型生物，生長對(duì)廢水中營養(yǎng)要求較低，以光能作為能源，利用氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)合成復(fù)雜的有機(jī)質(zhì).藻類可富集水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，并以有機(jī)物的形式將其儲(chǔ)存在藻細(xì)胞中.能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行脫氮除磷的微藻有許多種，效果最好的是螺旋藻、小球藻、柵藻、顫藻、柵列藻等.藻類在污水凈化過程中產(chǎn)生大量的氧氣，可減少水體因缺氧而形成的惡臭氣味.藻類細(xì)胞具有富集金屬的能力，并且由于其生長速度快，代謝迅速，吸附作用快而凈化效率高.微藻通過光合作用、光呼吸作用、以及無機(jī)氮和硫的同化作用可以將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，每年大約有1011噸碳元素和2× 1010噸氮元素被光合作用固定，相當(dāng)于3×1021J化學(xué)能.

本文將用直接電解法預(yù)處理后的兩類不同的高濃度污水稀釋為不同的濃度（25%、50%、75%、100%），并將每一濃度下的預(yù)處理后的污水分為多份，然后選擇同樣的藻類在其中進(jìn)行培養(yǎng).微藻培養(yǎng)到一定階段后，檢測(cè)培養(yǎng)前后污水中氮、磷元素的濃度變化，考察微藻對(duì)污水中氮、磷的吸收情況，從而獲得微藻生長適宜的水質(zhì)指標(biāo).對(duì)照組選用的污水未進(jìn)行任何處理.研究表明，利用微藻處理有機(jī)廢水，氨氮含量小于l9.38mg／L時(shí)，培養(yǎng)前期對(duì)污水中氨氮的去除率達(dá)到70%，7天后對(duì)氨氮的去除率達(dá)到90%以上，對(duì)磷的去除率接近70%.1d時(shí)間微藻對(duì)PO4—P的去除率達(dá)到35%，3d時(shí)間對(duì)PO4—P的去除率高達(dá)90%以上.可見，微藻對(duì)污水的處理效果較為明顯，但污水濃度較高時(shí)因?yàn)樯缘挠绊懀炊沟梦⒃迳L出現(xiàn)困難，從而降低了微藻處理污水的效果.

5 污水培養(yǎng)微藻的生長速率

污水培養(yǎng)微藻的生長速率與多種因素密切相關(guān)，如培養(yǎng)基中PH、二氧化碳的注入量，湍流度以及光照條件等.本文主要研究預(yù)處理后的污水對(duì)微藻生長速率的影響.生長速率的測(cè)定可以間接衡量藻類對(duì)污水的凈化效果.本文測(cè)定微藻生物量時(shí)，在培養(yǎng)過程中取培養(yǎng)液用721型分光光度計(jì)，測(cè)定540nm處的光密度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)取10ml培養(yǎng)液洗滌離心后，取藻體沉淀在150℃下烘干至恒重測(cè)定干重.本文測(cè)定微藻最大比生長速率時(shí)，在560nm下測(cè)定藻懸浮均質(zhì)液的光密度值，由光密度值與藻生物量的換算關(guān)系計(jì)算藻的比生長速率μ.為研究生長過程的生長率，其中幾組實(shí)驗(yàn)測(cè)定了培養(yǎng)過程中的干重和光密度值.研究表明，污水稀釋后的濃度為75%，微藻的生長條件在溫度34℃左右，2500—3000lx時(shí)，微藻生長速率最大.在連續(xù)培養(yǎng)中，第4天生物質(zhì)產(chǎn)量較高.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，異養(yǎng)生長可以提高微藻的生長效率，獲得高脂肪含量的微藻，可降低生物柴油生產(chǎn)的成本.實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，電化學(xué)處理廢水可在很大程度上提高廢水生化性，利于微藻的培養(yǎng).

6 總結(jié)

利用污水中培養(yǎng)的微藻可以使污水得到凈化，污水中的有機(jī)物及營養(yǎng)鹽類轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的形式儲(chǔ)存在微藻中，收獲的微藻又可以作為生產(chǎn)石油的原料.使污水處理和微藻生物制能兩個(gè)過程相輔相成.本文采用直接電解的方法對(duì)高濃度污水進(jìn)行預(yù)處理，初步降低污水中COD、BOD以及氮磷含量，提高污水的可生化性.然后利用微藻對(duì)預(yù)處理后的污水進(jìn)行凈化，將污水中的有機(jī)物及營養(yǎng)鹽類轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的形式儲(chǔ)存在微藻中，研究微藻處理污水效果及污水培養(yǎng)條件下微藻生物質(zhì)的生長速率，為污水處理工程及生物燃料生產(chǎn)方面提供了理論依據(jù).

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A

1673-260X（2013）08-0033-02

安徽建筑大學(xué)青年專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（2012nyjy-校青年-05）