基于藻基廢水處理技術(shù)的污染防治研究

閆 婧

（陽泉市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和應(yīng)急保障中心，山西 陽泉 045000）

引言

隨著工業(yè)化的蓬勃發(fā)展和人口的激增，廢水和工業(yè)廢氣等廢棄物的管理已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)一個(gè)重要的環(huán)境挑戰(zhàn)。這嚴(yán)重影響了水質(zhì)和生物多樣性，同時(shí)也威脅到水生生物的生命，特別是魚類等。因此，在將廢水排入大自然之前，對(duì)其進(jìn)行處理是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的基于活性污泥法的廢水處理技術(shù)存在營(yíng)養(yǎng)素回收效率低、能耗高的缺點(diǎn)。藻類廢水處理系統(tǒng)具有以生物質(zhì)形式回收資源和隨后合成增值產(chǎn)品的附加優(yōu)勢(shì)。將廢水處理和資源回收與生產(chǎn)各種增值產(chǎn)品的藻類生物煉制平臺(tái)相結(jié)合，有助于廢物流的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，并使低價(jià)值的藻類生物煉制更具商業(yè)可行性[1-4]。

從藻類生物質(zhì)中可以提取包括動(dòng)物飼料、生物炭、生物塑料、化肥、高價(jià)值分子（色素）以及生物能源和生物燃料。藻類處理系統(tǒng)可分為兩大類：即自由漂浮、懸浮的浮游藻類系統(tǒng)（如高速藻池HRAPs）和附著的底棲、絲狀藻類系統(tǒng)（如藻類草坪洗滌器ATS）。HRAPs 和ATS 顯示了相當(dāng)?shù)纳锪可a(chǎn)率，盡管ATS 系統(tǒng)中附著的藻類可以通過機(jī)械方法相對(duì)容易收獲。

1 高效藻池（HRAPs）系統(tǒng)

高速率藻池（HRAPs）是淺培養(yǎng)深度（通常＜500mm）的槳輪混合開放式池路，用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市廢水的生物修復(fù)以及同時(shí)回收資源的厭氧消化廢水。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，HRAP 的主要優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)單、能耗低。與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的培養(yǎng)不同，采用HRAPs 的室外藻類培養(yǎng)受到季節(jié)、天氣、晝夜光溫波動(dòng)等各種不可控環(huán)境因素的影響嚴(yán)重。除了環(huán)境因素外，它們還受到CO2、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、鹽度和pH 值等因素的影響，以及物種間的競(jìng)爭(zhēng)、藻類病原體和浮游動(dòng)物捕食者生物因素的進(jìn)一步影響。除微藻外，廢水中還含有大量其他微生物，如細(xì)菌、真菌、病毒等，這些微生物的污染會(huì)影響藻類的生長(zhǎng)、代謝物的積累，在正向刺激和負(fù)向抑制的情況下，細(xì)菌不僅為光合作用過程提供大量的二氧化碳，而且還參與污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解，將復(fù)雜的基質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的有機(jī)代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物很容易被藻類消耗。在這過程中出現(xiàn)NH4+-N 的硝化，硝化可以通過兩階段氧化過程發(fā)生，氨首先被氨氧化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽[見式（1）]：

亞硝酸鹽隨后被亞硝酸鹽氧化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽[見式（2）]：

雖然銨態(tài)氮比硝酸鹽對(duì)大多數(shù)微藻的同化作用要容易得多，但當(dāng)銨態(tài)氮濃度質(zhì)量超過100 mg/L 時(shí)，可能會(huì)發(fā)生藻抑制作用。當(dāng)重金屬和其他有毒化合物污染物濃度過高時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的情況。因此，當(dāng)廢水中氮和污染物的水平過高，適當(dāng)?shù)叵♂対舛纫约疤砑恿灼胶釴∶P 比栽培介質(zhì)對(duì)提高系統(tǒng)性能是至關(guān)重要的。

1.1 HRAP 的運(yùn)行參數(shù)

初始營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷對(duì)HRAP 的營(yíng)養(yǎng)物去除率和生物量的影響較大。與低負(fù)荷的NH4-N 質(zhì)量濃度19.9 g/m3相比，高負(fù)荷的NH4-N 質(zhì)量濃度39.7 g/m3使單位微藻的NH4-N 去除率（2.35 g NH4-N/g 生物量）和生物量生產(chǎn)率（305 mg/m2·d）更高，它導(dǎo)致排放的污水中NH4-N 質(zhì)量濃度較低（12.3 g/m3）。培養(yǎng)深度通常在0.15 m～0.45 m 范圍內(nèi)，較淺的培養(yǎng)深度促進(jìn)了藻類的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力，藻類進(jìn)行高效光合作用時(shí)具有更高的光可用性。在層流條件下，較深的培養(yǎng)深度可能比較淺的培養(yǎng)深度更具優(yōu)勢(shì)，微藻可以懸浮較長(zhǎng)時(shí)間，從而避免在池塘底部沉降。培養(yǎng)池越深，能夠提供更高的區(qū)域生產(chǎn)力和養(yǎng)分吸收能力。在光照條件和混合條件較好的情況下，淺池深度的藻類生長(zhǎng)受到的限制比深池深度的藻類更大，這是由于淺池較嚴(yán)格的碳限制導(dǎo)致了日pH 值的增加。同樣在較淺的深度下作業(yè)需要更大的表面積，以保證廢水的恒定流速，這將導(dǎo)致更高的資本投資和運(yùn)營(yíng)成本。

水力停留時(shí)間（HRT）是HRAPs 的關(guān)鍵操作參數(shù)之一，因?yàn)樗绊懪欧懦鏊乃|(zhì)，從而決定了廢水進(jìn)水的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷極限。夏季是藻類生長(zhǎng)的高峰期，較短的HRT 可獲得較高的生物量產(chǎn)量。在溫暖季節(jié)，縮短HRT 時(shí)間后，藻類產(chǎn)量幾乎提高了兩倍。在冬季藻類生長(zhǎng)較慢時(shí)，較長(zhǎng)的HRT 可以確保足夠的養(yǎng)分去除，以滿足排放需求。實(shí)現(xiàn)更高的營(yíng)養(yǎng)物去除時(shí)增加生物降解、光降解、去除和吸附去除的過程。

1.2 CO2 添加促進(jìn)生物量生產(chǎn)力和養(yǎng)分去除

由于廢水的碳氮比（3∶1）通常低于藻類細(xì)胞的碳氮比（6∶1），HRAPs 可能會(huì)出現(xiàn)碳限制的情況，導(dǎo)致池塘水pH 升高，這限制了藻類的生長(zhǎng)。因此，白天補(bǔ)充CO2可以提高HRAP 的碳有效性，進(jìn)而促進(jìn)生物量生產(chǎn)力，從而提高養(yǎng)分的去除率。此外，持續(xù)向池塘中注入CO2可以通過CO2濃度有效控制浮游動(dòng)物的數(shù)量。調(diào)節(jié)CO2添加的簡(jiǎn)單方法是將池塘水的最大pH 值保持在8 以下。避免較高的pH 值還有其他一些好處，如盡量減少高氨濃度對(duì)藻類和細(xì)菌的生長(zhǎng)抑制，減少氨揮發(fā)的損失，促進(jìn)微藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。在夏季運(yùn)行期間，添加CO2可以使處理生活廢水的中試規(guī)模HRAP 的生物量生產(chǎn)率提高30%，盡管其平均脂質(zhì)含量為20%，略低于對(duì)照組的25%。因此，CO2的添加使池塘環(huán)境更加穩(wěn)定，HRAP 群落更加穩(wěn)定。

1.3 HRAP 中的采收和藻類回收

由于藻類胞體尺寸微小、密度接近水體（1.08g/cm3～1.13 g/cm3）、表面負(fù)電荷強(qiáng)、游動(dòng)性強(qiáng)等原因，重力沉降是污水處理HRAPs 中常用技術(shù)，但也存在一些缺點(diǎn)，如沉降時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（1 d～2 d）和只能去除部分生物量（50%～80%）?；瘜W(xué)絮凝是一種從HRAPs 廢液中去除藻類生物量的常見方法，中和藻類細(xì)胞的表面電荷，然后通過物理或化學(xué)鏈接將它們結(jié)合在一起。更高分子量陽離子聚合物如殼聚糖、聚丙烯酰胺等作用時(shí)需要較小的劑量（1 mg/L～10 mg/L），在聚丙烯酰胺作用下，緊湊和密集的絮體沉降特征可以增強(qiáng)，從而減少了污泥體積。藻類生物量的收獲效率也可以通過生物絮凝的自然細(xì)胞聚集或促進(jìn)易于定居的群居藻類的優(yōu)勢(shì)來提高。

1.4 用于處理新出現(xiàn)污染物的HRAP

除了傳統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)豐富的廢水外，快速的工業(yè)化和城市化也導(dǎo)致了不同的“現(xiàn)代”污染物的排放不斷升級(jí)，如阻燃劑、藥品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、增塑劑、表面活性劑等。這些污染物被稱為新興污染物（ECs），以不同濃度存在于自然水體中，即使?jié)舛群艿?，它們也可能產(chǎn)生生態(tài)毒理學(xué)影響，對(duì)水生生物造成破壞，因此需要加以處理。HRAPs 高表面積體積比的幾何形狀提供了高的陽光照射，并增強(qiáng)了抗生素的光降解，長(zhǎng)時(shí)間的水力滯留時(shí)間使得抗生素的去除具有相當(dāng)緩慢的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，通過自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物的吸附去除抗生素?；钚匝酰ㄈ缌u基自由基（OH）、過氧化氫（H2O2）和超氧自由基（O2—））會(huì)對(duì)微藻細(xì)胞造成氧化損傷，可能會(huì)引起褪綠、光還原和蛋白質(zhì)和多不飽和脂肪酸的過氧化。從而對(duì)微藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面作用。然而，微藻有自己的保護(hù)性抗氧化機(jī)制，包括酶促抗氧化（如抗壞血酸過氧化物酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶）和非酶促抗氧化（如抗壞血酸、類胡蘿卜素、半胱氨酸、谷胱甘肽和脯氨酸）來對(duì)抗這些自由基，這增加了微藻對(duì)ROS 攻擊的耐受性。

2 高效藻池吸收柱（HRAP-AC）系統(tǒng)在沼氣升級(jí)與廢水處理中的應(yīng)用

厭氧消化系統(tǒng)的原材料有食品浪費(fèi)物、綠色廢物、牲畜糞便、城市垃圾、污水等。沼氣是一種混合氣體，組成主要是CH4（40%～75%）、二氧化碳（15%～60%）和微量的硫化氫（0.005%～2%）。因此，在用作汽車燃料或注入天然氣網(wǎng)格之前，需要對(duì)沼氣進(jìn)行升級(jí)。去除沼氣中的CO2可以幫助提高能量密度，降低運(yùn)輸和壓縮成本，而去除H2S 也很重要，因?yàn)镠2S 對(duì)管道、設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)具有毒性和腐蝕性。HRAP 通過培養(yǎng)液再循環(huán)與外部氣泡沼氣吸收柱（AC）連接，可以提高沼液管理和生物甲烷生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性和可持續(xù)性。在大多數(shù)情況下，可以通過HRAP-吸收柱（HRAP-AC）系統(tǒng)完全去除H2S。如圖1 所示，通過在HRAP-AC 系統(tǒng)中進(jìn)一步加入沉降槽，并控制沉降生物量的收獲速度，可以有效地將固體保留時(shí)間（生物量生產(chǎn)）與水力保留時(shí)間（出水流量）解耦，允許最大限度地從廢水中回收養(yǎng)分，同時(shí)主要使生物量的濃度低于光限值。

圖1 高速率藻池吸收柱（HRAP-AC）系統(tǒng)（配有沉淀池，用于沼氣升級(jí)）

在低溫分離、膜分離、化學(xué)擦洗、有機(jī)擦洗、水擦洗、變壓吸附（PSA）和HRAP 等不同的沼氣升級(jí)技術(shù)中，HRAP 的能耗最低，為0.08 kWh/m3～0.14 kWh/m3。與傳統(tǒng)的活性炭過濾器和水洗滌器相比，HRAP-AC需要增加1 860 倍的土地需求和1.6 倍的投資成本，因?yàn)樯镔|(zhì)干燥裝置，比傳統(tǒng)技術(shù)具有較高的能源消耗和環(huán)境影響（溫室氣體排放和材料和水消費(fèi)）更高的運(yùn)營(yíng)成本是由于頻繁更換的需要活性炭。

pH 值對(duì)CO2和H2S 的去除產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，因?yàn)楦邏A度（pH＞9）將這些酸性氣體有效吸收到循環(huán)培養(yǎng)介質(zhì)中。因此，通常會(huì)將廢水濃縮液中的IC 濃度調(diào)整到較高水平，以保持培養(yǎng)基的堿度，從而支持長(zhǎng)期高效的沼氣升級(jí)。利用高堿度可以防止捕食者和其他微生物的污染，從而增強(qiáng)微藻群落的穩(wěn)定性。

溫度對(duì)HRAP-AC 系統(tǒng)的沼氣升級(jí)性能表現(xiàn)出堿依賴的影響。在高堿度甚至中等堿度時(shí)，溫度對(duì)CO2去除的影響很小，而在低堿度時(shí)，當(dāng)溫度從35 ℃降到12 ℃時(shí)，CH4含量增加了3.3%。高堿度增強(qiáng)了該過程對(duì)全天溫度波動(dòng)的穩(wěn)健性。

3 結(jié)論

基于高效藻池（HRAP）、高效藻池吸收柱（HRAP-AC）藻類廢水處理技術(shù)，藻類在廢物管理和資源回收方面的巨大潛力，在循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)、減少廢物產(chǎn)生以及解決污染和可持續(xù)性問題方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)策略開發(fā)、生物工程技術(shù)以及與其他技術(shù)的整合等方面，應(yīng)充分挖掘藻類在廢水同步藻核降解和增值產(chǎn)品生產(chǎn)方面的潛力。