微藻對污水凈化效果及其生長情況研究

朱志偉

（安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽合肥230601）

微藻對污水凈化效果及其生長情況研究

朱志偉

（安徽建筑大學環境與能源工程學院，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越性，已經吸引越來越多的關注，具有極大的研究和應用前景.利用污水中培養的微藻凈化污水，將污水中的有機物及營養鹽類轉化為生物質的形式儲存在微藻中，收獲的微藻又作為生產石油的原料，使污水處理和微藻生物制能兩個過程達到統一.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污水進行預處理，研究了不同污水進行處理時間、不同電解極板間距和不同的電解質濃度對預處理效果的影響.在電解后的污水中培養微藻，研究微藻對不同濃度、不同水質的污水處理效果，并測定了污水培養微藻的生長速率.

直接電解法；微藻；污水處理；生長速率

1 引言

能源危機和水體水質惡化是目前可持續發展面臨的兩大難題.人類能利用的地表淡水僅占地球總水量的0.0l%，而污水未經處理即行排放引起的水體富營養化現象十分嚴重.傳統的污水處理法經過預處理，初級處理和二級處理三個基本步驟后，可有效去除污水中的BOD、COD、SS等，但對營養鹽類的去除效果不明顯，出水中仍含有大量營養鹽類，無法達到廢水排放標準.為進一步解決脫氮和除磷問題，國內外學者進行了三級深度處理方法的研究，三級深度處理方法主要是物理—化學方法，研究表明處理效果明顯.但三級深度處理方法運行成本高，易產生二次污染，污水中的潛在資源也易被浪費.微藻處理污水技術具有系統建造運行費用低、能耗小、凈化效率高、環境污染小等優點，得到了廣泛應用.可見，微藻對污水凈化效果及其生長情況的研究迫在眉睫，具有明顯的現實意義.以污水為基質進行微藻培養，既能對污水進行凈化，緩解水體水質惡化，又能完成生物制油，緩解能源危機.

但微藻處理污水技術也存在不少局限性，本文在分析目前研究存在問題的基礎上，分析微藻處理污水技術的局限性，選用直接電解的方法對高濃度污水進行預處理，初步降低COD、BOD以及氮磷含量，降低污水中可能會對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微藻，研究微藻的油脂含量.以期將污水中的營養物質轉化為新能源，實現資源的可循環利用.

2 存在的問題

目前國內外對微藻對污水凈化的效果及微藻在污水條件下的生長情況進行了較多研究，取得了大量研究成果.已有研究成果表明，微藻對污水具有很強的清潔能力，特別是絲狀微藻，由于比較容易與培養液進行分離，所以是進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，對生物難降解物質去除效果甚微.

微藻污水處理法雖有待商榷，但作為生物燃料生產的備選材料，不會爭奪糧食生產的土地，不會影響生物多樣性或生態系統平衡，卻是不錯的選擇.研究表明，部分微藻中含有相當可觀的油脂類物質，如布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)烴類物質占干重的比例可以達到75%.另一些藻類含有極其豐富的脂類物質，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微藻，將污水中的營養物質轉化為新能源，實現資源的可循環利用.

3 電化學法預處理污水

電化學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生具有強氧化能力的羥基自由基（HO?）為特點，使難降解的大分子有機物氧化降解成低毒或無毒的小分子物質.一般用于處理含烴、醛、醇、醚、酚及染料等有機污染物廢水，如有機氯、磷、硫等合成藥物廢水，造紙、印染廢水等.當有機污染物為高濃度時，發生的主要是直接陽極氧化，而在低濃度時才發生間接陽極氧化，本文選用直接電解的方法對高濃度污水進行預處理.

本文選擇的污水分地表污水和沼液兩類，研究時，利用簡易電解裝置直接對污水進行電解，選擇的電解質為氯化鈉，記錄殺菌效果以及各水質指標（總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、總有機氮）的變化情況，對照組的電解條件為不加電解質.實驗設計方案包括的變量有：不同污水進行處理時間（殺菌試驗：10、20、30、60s、2min、5min；水質實驗：5min、10min、20min、30min、60min，120min）；不同電解極板間距（20、40、60mm）和不同的電解質濃度（0.03、0.06、0.09mol/L）.記錄不同實驗方案下的殺菌效果、脫氮除磷效果和水質凈化效果，并對實驗數據進行處理，得到所選擇污水處理的最佳電解條件.結果表明，電解時間對污水處理效果影響較大，隨著電解時間的增加，污水處理效果增大，電解極板間距對COD去除率影響較小.電解預處理最佳工藝參數宜選用較長的電解時間，極板間距建議取40mm.但電解時間的增加會增加能耗，需根據實際污水情況和需要得到的濃度進行適當調整.

4 微藻處理污水效果

藻類是自養型生物，生長對廢水中營養要求較低，以光能作為能源，利用氮、磷等營養物質合成復雜的有機質.藻類可富集水體中的氮、磷等營養物質，并以有機物的形式將其儲存在藻細胞中.能夠對污水進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、以及無機氮和硫的同化作用可以將太陽能轉化為生物質，每年大約有1011噸碳元素和2× 1010噸氮元素被光合作用固定，相當于3×1021J化學能.

本文將用直接電解法預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處理后的污水分為多份，然后選擇同樣的藻類在其中進行培養.微藻培養到一定階段后，檢測培養前后污水中氮、磷元素的濃度變化，考察微藻對污水中氮、磷的吸收情況，從而獲得微藻生長適宜的水質指標.對照組選用的污水未進行任何處理.研究表明，利用微藻處理有機廢水，氨氮含量小于l9.38mg／L時，培養前期對污水中氨氮的去除率達到70%，7天后對氨氮的去除率達到90%以上，對磷的去除率接近70%.1d時間微藻對PO4—P的去除率達到35%，3d時間對PO4—P的去除率高達90%以上.可見，微藻對污水的處理效果較為明顯，但污水濃度較高時因為生化性的影響，反而使得微藻生長出現困難，從而降低了微藻處理污水的效果.

5 污水培養微藻的生長速率

污水培養微藻的生長速率與多種因素密切相關，如培養基中PH、二氧化碳的注入量，湍流度以及光照條件等.本文主要研究預處理后的污水對微藻生長速率的影響.生長速率的測定可以間接衡量藻類對污水的凈化效果.本文測定微藻生物量時，在培養過程中取培養液用721型分光光度計，測定540nm處的光密度值，實驗結束時取10ml培養液洗滌離心后，取藻體沉淀在150℃下烘干至恒重測定干重.本文測定微藻最大比生長速率時，在560nm下測定藻懸浮均質液的光密度值，由光密度值與藻生物量的換算關系計算藻的比生長速率μ.為研究生長過程的生長率，其中幾組實驗測定了培養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，微藻生長速率最大.在連續培養中，第4天生物質產量較高.同時發現，異養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的成本.實驗結果同時表明，電化學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.

6 總結

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

〔1〕張靜霞.利用微藻處理污水的研究進展及發展趨勢[J].現代農業科技,2008.

〔2〕況琪軍,胡征宇,趙先福,等.微藻生物技術在水環境保護中的應用前景探討[J].安全與環境學報,2004.

〔3〕趙國鵬,張招賢.綠色環保型技術——電解法處理生活污水和工業廢水(一)[J].電鍍與涂飾,2009,28(1).

〔4〕宋東輝,侯李君,施定基.生物柴油原料資源高油脂微藻的開發利用[J].生物工程學報,2008,24(3):314-348.

〔5〕許海鵬,張曉東,張杰,等.利用微藻生產生物柴油的研究進展[J].現代化工,2008.

〔6〕.C.Sharma,B.Singh,S.N.Upadhyay.Advancement in development and characterization of biodiesel:A review. Fuel,2008(87):2355-2373.

〔7〕梅洪,張成武,殷大蔥,等.利用微藻生產可再生能源研究概況[J].武漢植物學研究,2008,26(C):650-660.

X703

A

1673-260X（2013）08-0033-02

安徽建筑大學青年專項經費資助（2012nyjy-校青年-05）