专题2-藻类与水处理 51页

藻类在污水处理中的应用藻类学专题2\n污水处理系统水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。污染物主要有：（1）未经处理而排放的工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水；（3）大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；（4）堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；（5）水土流失；（6）矿山污水。\n污水处理概述一级处理：机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等；BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准；二级处理：生物处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD，COD物质），去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准；三级处理：深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。\n\n好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。废水好氧生物处理的最终过程可用下图表示。废水的好氧生物处理图示表明，有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有1/3被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有2/3被转化，合成为新的原生质（细胞质），即进行微生物自身生长繁殖。\n好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。废水的好氧生物处理\n废水的厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能量。在这个过程中，有机物的转化分为三部分进行：部分转化为CH4，这是一种可燃气体，可回收利用；还有部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。为维持较高的反应速度，需维持较高的温度，就要消耗能源。对于有机污泥和高浓度有机废水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厌氧生物处理法。废水的厌氧生物处理\n藻类在污水处理中的应用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,效率30-50％藻类是自养型生物,生长对废水中营养要求较低,利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质。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。\n藻类去除氮磷的原理藻类细胞能利用无机氮和有机氮化合物作为氮源,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；磷酸盐被藻细胞吸收,并通过多种磷酸化途径转化成ATP、磷脂等有机物。《现代农业科技》2008年第4期\n藻类细胞壁和真菌细胞壁相似，也是多层微纤维结构，其组成一般都含有纤维素和果胶质以及藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等，它们可提供氨基、酰胺基、醛基、羟基、硫醇等功能团与金属结合;藻类细胞壁一般为多孔结构，允许分子和离子自由通过，而细胞膜是具有高度选择性的半透膜，一般只允许中性分子通过而离子不能通过;藻类群体外的胶质层主要由糖类、果胶质等大分子物质所组成，易于和重金属形成缔合物或络合物，附着在群体细胞的外胶上被改变形态，从而降低污水中游离态的Pb、Zn的含量，实现解毒功能。藻类去除重金属的原理\n藻类去除重金属的原理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；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。\n图1藻类生物吸收重金属的主要途径(江用彬2007）Fig.1Themainwaysofuptakeheavymetalbyalgae藻类去除重金属的原理\n污水处理中的藻类可用于提取多种有价值的天然产物。印度是在这方面应用比较成功的国家；藻类在污水处理中的应用(FOX1984)\n常用于污水处理的藻类（胡洪营等2009）\n应用藻类处理污水的主要类型稳定塘（生物塘）生物膜技术\n稳定塘稳定塘又名氧化塘或生物塘，是一种利用水塘中的微生物和藻类对污水和有机废水进行生物处理的方法。生物塘法的基本原理是通过水塘中的“藻菌共生系统”进行废水净化。稳定塘对污水的净化过程与自然水体的自净过程相似，是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理设施。稳定塘多用于小型污水处理，可用作一级处理、二级处理，也可用作三级处理。\n稳定塘稳定塘具有基建投资少、运转费用低、维护简单、便于操作、能有效去除污水中的有机物和病原体以及无需污泥处理等优点；在我国，特别是在缺水干旱地区，稳定塘是实施污水资源化利用的有效方法，近年来成为我国着力推广的一项技术；与传统的二级生物处理技术相比，藻类塘具有很多独特的性质，对于土地资源相对丰富，但技术水平相对落后的农村地区来说，是一种较具推广价值的污水处理技术。\n藻菌共生系统藻类植物通过光合作用利用水中的CO2和NH4+、PO43-等营养物质，合成自身细胞物质并释放出O2；好氧细菌则利用水中O2对有机污染物进行分解、转化，产生CO2和上述营养物质，以维持藻类的生长繁殖， 如此循环往复，实现污水的生物净化作用；藻菌共生系统的最基本的生态功能单元是藻菌共生体，藻类的种类与数量，决定着污水处理系统中能量的流向和食物链的基本结构；\n藻菌共生系统藻菌共生系统处理污水的效率取决于太阳能辐射量、温度、污染程度（负荷与毒性）和停留时间等多种因素;中国长期利用生活污水养鱼，实际上也是一种利用藻菌系统净化污水并回收渔产品的方法；藻菌共生系统的原理，现已成为稳定塘法处理污水的理论基础，以及设计和管理稳定塘的依据。\n按塘内的微生物类型、供氧方式和功能等划分好氧塘兼性塘厌氧塘曝气塘深度处理塘水生植物塘生态塘完全储存塘常见其他稳定塘的分类\n好氧塘兼性塘厌氧塘曝气塘深度处理塘好氧塘的深度较浅，阳光能透至塘底，全部塘水内都含有溶解氧，塘内菌藻共生，溶解氧主要是由藻类供给，好氧微生物起净化污水作用。适用于气候温暖且阳光充足的地区。也称作氧化塘，在生物塘中最为流行，其塘深一般为1．5～2．5m，上层是好氧区，藻类的光合作用和大气复氧作用使其有较高的溶解氧，由好氧微生物起净化污水作用；中层的溶解氧逐渐减少，称兼性区（过渡区），由兼性微生物起净化作用；下层塘水无溶解氧，称厌氧区，沉淀污泥在塘底进行厌氧分解。厌氧塘的塘深在2．5～6m，有机负荷高，且不设好氧区，全部塘水均无溶解氧，呈厌氧状态，由厌氧微生物起净化作用，净化速度慢，污水在塘内停留时间长，需20～50日。可部分混合或完全混合，由漂浮式机械曝气机或扩散式曝气机供氧，其塘深为3～6m，全部塘水有溶解氧，由好氧微生物起净化作用，污水停留时间较短在5～30日。深度处理塘又称三级处理塘或熟化塘，属于好氧塘。其进水有机污染物浓度很低，一般BOD5≤30mg/L。常用于处理传统二级处理厂的出水，提高出水水质，以满足受纳水体或回用水的水质要求。\n好氧塘好氧塘的深度较浅，阳光能透至塘底，全部塘水内都含有溶解氧，塘内菌藻共生，溶解氧主要是由藻类供给，好氧微生物起净化污水作用。适用于气候温暖且阳光充足的地区。\n好氧塘内的生物种群主要有藻类、菌类、原生动物、后生动物、水蚤等微型动物。菌类主要是生存在水深0.5m的上层，浓度为1×108～5×109个/mL，主要种属与活性污泥和生物膜相同。原生动物和后生动物的种属数与个体数，均比活性污泥法和生物膜法少。藻类的种类和数量与塘的负荷有关，它可以反映塘的运行状况和处理效果。好氧塘内的生物种群\n厌氧塘厌氧塘的塘深在2．5～6m，有机负荷高，且不设好氧区，全部塘水均无溶解氧，呈厌氧状态，由厌氧微生物起净化作用，净化速度慢，污水在塘内停留时间长，需20～50日。\n兼性塘也称作氧化塘，在生物塘中最为流行，其塘深一般为1．5～2．5m，上层是好氧区，藻类的光合作用和大气复氧作用使其有较高的溶解氧，由好氧微生物起净化污水作用；中层的溶解氧逐渐减少，称兼性区（过渡区），由兼性微生物起净化作用；下层塘水无溶解氧，称厌氧区，沉淀污泥在塘底进行厌氧分解。\n\n高负荷好氧塘-高速率藻塘(HRAP)由美国加州大学伯克利分校的Oswald提出并发展；不同于传统稳定塘的特征主要表现在四方面:①较浅的塘的深度,一般为0.3～0.6m,而传统的稳定塘的深度,根据其类型塘内深度一般在0.5～2.0m;②有一垂直于塘内廊道的连续搅拌的装置;③较短的停留时间,一般为4～10d左右,比一般的稳定塘的停留时间短7～10倍;④高效藻类塘的宽度较窄,且被分成几个狭长的廊道.这样的构造可以很好地配合塘中的连续搅拌装置,促进污水的完全混合,调节塘内氧和CO2的浓度,均衡池内水温以及促进氨氮的吹脱作用.以上四种特征创造了有利于藻类和细菌生长繁殖的环境,强化藻类和细菌之间的相互作用,所以高效藻类塘内有着比一般稳定塘更加丰富多样的生物相,对有机物、氨氮和磷有着良好的去除效果,从而大大减少占地面积.现在高效稳定塘在美国、法国、德国、南非、以色列、菲律宾、泰国、印度、新加坡等国都有应用.\n高速率藻塘(HRAP)废水处理与藻类生产一体化的组合式HRAP系统（KOSARIC1974）\n完全混合曝气塘部分混合曝气塘曝气塘曝气塘是在塘面上安装有人工曝气设备的稳定塘。\n稳定塘的优点基建投资低当有旧河道、沼泽地、谷地可利用作物作为稳定塘时，稳定塘系统的基建投资低。运行管理简单经济稳定塘运行管理简单，动力消耗低，运行费用较低，约为传统二级处理厂的1/3~1/5。可进行综合利用实现污水资源化，如将稳定塘出水用于农业灌溉，充分利用污水的水肥资源；养殖水生动物和植物，组成多级食物链的复合生态系统。稳定塘的缺点占地面积大没有空闲余地时不宜采用。处理效果受气候影响如季节、气温、光照、降雨等自然因素都影响稳定塘的处理效果。设计不当时，可能形成二次污染如污染地下水、产生臭氧和滋生蚊蝇等。稳定塘的优缺点\n串联稳定塘串联稳定塘较之单塘不仅出水藻菌浓度低,BOD、COD、N和P的去除率高,而且只需较短的水力停留时间；单塘结构的氧化塘短路现象严重,存在很多死水区,将单塘改造成多级串联塘,其流态更接近于推流反应器的形式,从而减少了短流现象,提高了单位容积的处理效率；多级串联有助于污水的逐级递变,减少了反混现象,使有机物降解过程趋于稳定.由于不同的水质适合不同的微生物生长,串联稳定塘各级水质在递变过程中,会产生各自相适应的优势菌种,因而更有利于发挥各种微生物的净化作用.\n稳定塘的流程组合依当地条件和处理要求不同而异，下图为几种典型的流程组合。稳定塘的流程组合\n稳定塘的流程组合\n稳定塘的流程组合\n稳定塘的流程组合\n我国目前较大的稳定塘齐齐哈尔稳定塘（日处理20万m3城市污水）;西安漕运河稳定塘（日处理17万m3城市污水）；山东胶州氧化塘（日处理3万m3城市污水）；湖北鸭儿湖氧化塘（日处理8万m3化工污水）。\n生物膜生物膜法是分散生活污水处理主要应用的一种人工处理技术，包括厌氧和好氧生物膜两种。厌氧或好氧微生物附着在载体表面，形成生物膜来吸附、降解污水中的污染物，达到净化目的，该方法设备简单、运行成本较低，处理效率高。反应器一般由填料(载体)、布水装置和排水系统三部分组成，采用的填料有无机类(陶粒、矿渣、活性炭等)和有机类(PVC、PP、塑料、纤维等)。是对污水土地处理的模拟和强化；1893年英国创建了第一个具有喷嘴布水装置的生物滤池；目前，新型的生物膜反应器和固定化微生物技术也得到了广泛的研究。\n\n生物膜法的主要设施生物接触氧化池生物流化床间歇生物滤池普通（单层）生物滤池塔式（多层）生物滤池生物转盘生物滤池\n有机物转化深度生物膜脱落原因真菌藻类原生动物后生动物一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫细菌（好氧、厌氧、兼性）低负荷滤池：原因复杂，昆虫及其幼虫的活动促使生物膜脱落。高负荷滤池：水力冲刷使生物膜不断脱落，生物膜厚度与滤率大小有关。低负荷滤池：有机物被深度转化，出水中硝酸盐含量较高，残膜呈深棕色，类似腐殖质，沉淀性能较好。高负荷滤池：只有在负荷率较低时，出水才含有较低的硝酸盐，残膜易腐化。生物膜的组成\n藻类固定化技术是细胞固定化技术中的一部分，始于20世纪80年代，利用物理或化学手段将游离的藻类细胞定位于限定的空间区域，使其成为一种既保持本身代谢活性，又可在连续反应后回收和反复利用的生物体系；在污染物排放标准比较严格而单纯依靠传统处理难以达标的情况下，藻类固定法成为有效的废水处理辅助方法。将藻类固定法与传统处理法结合起来，可扬长避短，改善处理效果。\n采用固定化藻类细胞处理污水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。优点明显：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同藻类氧化塘相比，不仅有效地解决了氧化塘存在的缺点，而且也大大提高了系统的处理效率与出水水质。\n目前藻类的固定化技术主要有包埋法和吸附法。吸附法是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法。吸附法可固定细胞量有限，固定的细胞易脱落；包埋法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，细胞和载体间没有束缚，对微生物活性影响小，颗粒强度高。适合于大多数藻类的固定化，是目前应用最广泛的藻类固定化方法；包埋法固定化载体主要有聚丙烯酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、海藻酸钠、甲壳素等。海藻酸钙(CA)和聚乙烯醇(PVA)凝胶机械强度和传质性能均较好，对生物无毒，且耐生物分解性良好，是较为合适的固定化细胞载体。藻类固定化技术\n藻种的选择不同种类的废水污染物成分、含量皆不同，用单一的藻类处理一般很难达到要求。因此，就要根据不同的处理对象选择优良藻种，并深入探讨其生理生化特性和净化机制。对于复杂的污水体系，也可研究选择多菌种或菌藻共生系统的混合固定化技术。藻类固定化技术\n固定化载体的研制固定化技术面临的一个主要难题是细胞成球难、传质阻力大、产气上浮及发胀粘连，因此，研制开发性能稳定、强度高、寿命长、费用低、传质阻力小的包埋载体材料仍是生物固定化技术的重要课题之一。开发复合型固定化载体、在有机包埋载体中加人某些添加剂以改善其性能，也是藻类固定化技术研究的重要内容。藻类固定化技术\n对处理后的固定化藻细胞资源化利用众所周知，藻类中部分蓝藻与绿藻的蛋白质含量很高，例如，小球藻属中以蛋白核小球藻蛋白质含量最高，一般不低于50％，明显高于植物蛋白质。螺旋藻的蛋白质含量更是高达60％一80％，是目前已知蛋白质含量和质量最高的食物口7|。利用污水培养蛋白质含量高的藻类，既可以廉价高效地去除污水中的污染物质，还可以产生大量的藻类生物量。污水中的营养物质被大量的藻类细胞吸收、同化后所产生的多糖、蛋白质、脂肪等可用于加工精细饲料或优质肥料藻类固定化技术\n藻类在水处理中的应用–硅藻精土硅藻遗骸沉积形成硅藻土。硅藻土经过选矿,除去与其共生的粘土、石英砂、磷屑矿物等杂质后,把硅藻富集到92%以上的称为精土\n中和作用：静电分离，不平衡电位，减弱胶体颗粒和带电元素间的斥力；过滤作用：去除水中的SS、COD、BOD、重金属等污染物；吸附作用：硅藻每克60m2具大的比表面积，具有较强的吸附力，把超细微粒物质、色度、有毒有害物质和气味吸附到硅藻表面，下沉并与水体分离。，絮凝作用：硅藻精土处理剂由不导电非晶体二氧化硅的硅藻壳体和超导的硅藻纳米微孔组成，可在硅藻表面形成不平衡电位和外墙电位。在水处理过程中，污染物被快速静电聚合（物理絮凝）并沉淀；载体作用：1%浓度时，每立方米达60万m2比表面积，用硅藻纳米微孔作生物载体，微生物在硅藻具大的比表面积上繁殖。硅藻具有自身脱水的功能，脱水时不加絮凝剂，污泥成饼状装袋，回收再利用，不会形成二次污染；硅藻精土和活性炭使用方法一样，但是无论是过滤效果，过滤速率和澄清度都要比活性炭高，并且用量要比活性炭少，综合价格也比活性炭较便宜。藻类在水处理中的应用–硅藻精土\n藻类在不同的水体中具有特定组成和种类，它们的数量和种类的变化，并因此而导致的结构和功能的变化反映了环境中水质的变化。由此人们用它作为水质监测和评价的重要参数。水体严重污染的指示藻：绿色裸藻(Euglenaviridis)、静裸藻(E.caudata)、小颤藻(Oscillatoriatenuis)；水体中度污染的指示藻：被甲栅藻（Scenedesmusarmatus）、四角盘星藻（Pediastrumtetras）、环绿藻（Ulothrixzonata）、脆弱刚毛藻(Cladophorafracta)、蜂巢席藻（Phormidiumfavo-sum)；清洁水体的指示藻：肘状针杆藻(Synedraulna)、簇生竹枝藻(Draparnaldiaglomerata)等。藻类在水处理中的应用–指示藻类\nShannon-Weaver多样性指数(H’)Margalef多样性指数(d)藻类在水处理中的应用–多样性指数式中S为群落中的总种数，N为观察到的个体总数（随样本大小而增减）。d值是进行水质生物监测和评价的重要参数,它能较为客观地反映出水体污染状态和水质变化清况,即d值越低,污染越严重;反之,d值越高水质越好。\n复习思考题生物塘的工作原理；膜固定化技术的定义及优点？