生物法处理污水

微藻处理污水及其产生物柴油串联研究

摘要：微藻由于其潜在的高烃类含量以及其在废水处理中的优越性，已经吸引越来越多

的关注，具有极大的研究和应用前景.利用污水中培养的微藻净化污水，将污水中的有机物及营养盐类转化为生物质的形式储存在微藻中，收获的微藻又作为生产石油的原料，使污水处理和微藻生物制能两个过程达到统一。

引言

目前的污水处理方法主要有物理化学法和生物法。物理化学法处理费用较高, 且易产生二次污染, 越来越多的学者关注生物处理法［1］。废水二级处理后出水的进一步脱氮和除磷问题是国内外研究的难题和热点。传统的生化二级处理除磷工艺使大量的磷从污水中转移到剩余污泥中, 从根本上看, 仍然不能消除磷对生态环境的影响。藻类是自养型生物, 生长对废水中营养要求较低, 以光能作为能源, 利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质。因此, 藻类可降低水体中的氮、磷含量。另外, 藻类细胞具有富集金属的能力,对一些金属离子如Zn、Hg、Cd、Cu、U、Pb 等金属离子的富集可达几千倍, 并且由于其生长速度快, 代谢迅速, 吸附作用快而净化效率高［2］。因此, 利用藻类净化污水正成为污水处理中的重要研究方向。

1 微藻处理污水的原理

1.1 除氮磷的原理

营养物质是藻类生长的限制因子之一, 藻类生长良好,对氮磷营养物质去除效率也高。对氮的去除, 一般为吸收利用。藻类细胞能利用水体中多种无机氮和有机氮化合物作为氮源, 利用二氧化碳和碳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。藻类对污水中磷酸盐的去除有两条主要途径: 一是在有氧的条件下, 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; 二是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氮、磷等营养物质, 并以有机物的形式将其储存在藻细胞中。

1.2 除重金属的原理

藻类具有吸收污水中重金属的能力, 利用藻类修复重金属污染的水体, 已为众多的研究证明具有高效、低耗、环保等特点。通常认为藻类去除重金属的过程分为吸附和累积两个阶段。吸附的途径很多: 重金属与藻细胞表面的负电荷反应点( 一般为多糖类) 的结合发生吸附, 吸附分为物理吸附和生物吸附, 其中以生物吸附为主; 累积是一种主动运输的过程, 需要代

谢提供能量。在整个吸收过程中, 累积重金属的量只占总吸收量的10%~20%, 而生物吸附的量则占80%~90%, 生物吸附为吸收的主要途径。因此, 死亡藻细胞也具有较强的吸附能力。而且, 试验证明, 死亡藻体细胞对重金属吸附能力更强, 这种吸附能力提高的原因是: 生活藻细胞的表面积一定, 细胞膜具有高度的选择性, 一般只允许中性分子通过; 细胞死亡后, 胞壁破碎, 细胞内部更多的功能团外露, 与离子结合的功能团增多; 同时, 细胞膜失去选

择透性功能, 离子很容易通过, 故总吸附能力增强。

2 微藻在处理污水中的应用

微藻污水处理方法应用范围广泛, 可用于处理生活污水和工业废水。目前微藻主要用于废水二级处理后的除氮、磷和污水中重金属的去除两方面。

2.1 对营养物的去除

王翠红等利用体积百分比生活污水为80%, 添NaHCO38mg/L 为培养基培养钝顶螺旋藻, 结果表明, NH4-N 的去除率达91.8%［3］。

2.2 对污水中重金属的去除

到目前为止, 已有大量的藻类被应用到对有毒重金属( 如Cu、Cd、Pb、Hg 等)、放射性金属(U、Ra、Th 等) 及有经济价值的金属(Au、Ag、Co、Pt) 等的生物修复研究上。傅华龙等研究表明, 轮藻对Cd2+、Hg2+、Pb2+、Cr2+这4 种重金属离子均具有一定的净化与富集能力［4］。李英敏等发现, 叉鞭金藻(Dicrateria sp.) 对Cu2+具有较强的富集能力［5］。吴海锁等发现, 小球藻吸附重金属离子的速度快, 吸附容量大, 适宜的pH 值在 3.0～5.0 之间, 小球藻对Cd2+的吸附性能明显高于其他重金属离子［6］。

3 利用微藻处理污水的常见应用类型

3.1 藻类塘

藻类塘主要是利用塘内藻类、细菌的共同作用形成菌藻体, 菌藻体在塘内的协同作用共同促进了塘内污染物的去除。目前应用和研究最广的是高效藻类塘, 因其对氮和磷的去除效率高、能承受较高的负荷、占地面积少; 加之在土建和运行成本上并无明显增加, 藻类产物又可创造经济效益, 如作为肥料、发酵、动物饲养、制药和颜料等原料, 受到越来越多专家的关注, 并相继对高效藻类塘展开了广泛的研究［7］。高效藻类塘作为稳定塘的一种改进形式, 具有良好的运行效果。而且它具有运行成本低、维护管理简单的优点。在广大农村和小城镇的污水处理方面具有广阔的应用前景。在德国、法国、新西兰、以色列、南非、新加坡、印度、玻利维亚、墨西哥和巴西等国家先后有了高效藻类塘的应用,并取得了良好的运行效果［7］。

3.2 活性藻

活性藻处理系统是先采用人工强化培养出高浓度藻类, 然后在一定光生物反应器中利用部分或全部污水进行藻类继续培养的系统。况琪军等研究表明, 活性藻系统能有效地去除氮、磷等营养物质以及其他污染颗粒, 尤其是对有机质的降解效果最为理想［8］。

3.3 固定化藻

目前藻类的固定化技术主要有包埋法和吸附法。吸附法主要适于纤丝状藻类, 但吸附法可固定细胞量有限, 固定的细胞易脱落。包埋法的原理是将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物的网络空间中, 通过聚合作用或通过离子网络形成, 或通过沉淀作用, 或改变溶剂、温度、pH 值使细胞截留。该法操作简单, 从理论上说细胞和载体间没有束缚, 对微生物活性影响小, 颗粒强度高, 适合大多数藻类的固定化［9］。因此包埋法成为目前应用最广泛的藻类固定方法。采用固定化藻类细胞处理污水具有藻细胞密度高、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。

4 污水培养微藻的生长速率

污水培养微藻的生长速率与多种因素密切相关，如培养基中PH、二氧化碳的注入量，湍流度以及光照条件等。下面研究处理后的污水对微藻生长速率的影响。测定微藻生物量时，在培养过程中取培养液用分光光度计，测定540nm处的光密度值，实验结束时取10ml 培养液洗涤离心后，取藻体沉淀在150℃烘干至恒重测定干重。测定微藻最大比生长速率时，在560nm 下测定藻悬浮均质液的光密度值，由光密度值与藻生物量的换算关系计算藻的比生长速率µ。

研究表明，污水稀释后的浓度为75%，微藻的生长条件在温度34℃左右，2500——3000lx 时，微藻生长速率最大.在连续培养中，第4 天生物质产量较高.同时发现，异养生长可以提高微藻的生长效率，获得高脂肪含量的微藻，可降低生物柴油生产的成本。