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养殖污水处理工艺流程

文章出处:未知 人气:发表时间:2018-02-27 21:44

利用微藻进行污水处理的历史追溯已久. 早在20世纪50年代,Oswald等就提出利用微藻处理污水的设想. 此后,以藻-菌共生体系和高效藻类塘为代表的悬浮生长藻类塘系统在分散式污水处理中得到了广泛的工程应用. 但这类系统因占地面积大、处理效果不稳定等局限性,一直未能成为处理的主流工艺. 近年来,在市政污水处理厂深度净化需要以及渴望从污水中获得生物柴油的驱动下,微藻污水处理在世界范围内重获新生.

  微藻生长过程需要大量吸收氮(N)、磷(P)等营养元素,可直接降低二/三级出水中N、P等污染物的含量. 通过固定二氧化碳(CO2)、产生氧气(O2)、提高pH等间接作用,微藻还能创造出有效去除水中残留有机物和病原性微生物的环境条件. 此外,微藻也具有吸附重金属等有害物质的能力. 因此,微藻具有成为污水深度净化技术的良好潜力. 在污水二/三级处理中,去除营养元素的常见藻种包括: ①绿藻门的小球藻(Chlorella)、葡萄藻(Botryococcus)、栅藻(Scenedesmus)和微绿球藻(Nannochloris)等,其中尤以小球藻(Chlorella)和栅藻(Scenedesmus)的研究报道为多;②蓝藻门的节旋藻属(Arthrospira sp.)、颤藻属(Oscillatoria sp.)和席藻属(Phormidium);③硅藻门的三角褐指藻(P. tricornutum)等.以上种属的N、P去除效果可参见Cai等的综述文章. 在藻种选择的基础上,微藻培养系统(反应器)的构建是实现微藻污水处理工程化应用的关键. 按微藻的生长方式不同,微藻培养系统可分为悬浮培养和附着培养两大类. 悬浮培养系统可进一步分为开放式和封闭式两类:①开放式系统主要指各类塘系统,典型的如高效藻类塘和跑道式藻类塘等;②封闭式系统主要指各类光生物反应器,分为管式(垂直、水平、螺旋)、圆柱式、薄板式和袋式等. 附着式系统包括光生物膜(平板)反应器和藻细胞固定化. 考虑到污水处理的实际情况(水量大,建造、运行成本等),开放培养系统仍将是微藻污水处理的主流反应器构型.

  如上所述,藻细胞用于生产生物柴油是微藻污水处理重获新生的主要驱动力之一。 通过微藻生产生物柴油具有其他任何产油作物无法比拟的优势:①藻细胞的光合效率高,生长速度快、周期短,其产油量为47000~190000 L · hm-2 · a-1,是农作物的7~30倍;②生物质燃油热值高,平均达33 MJ · kg-1,是木材或农作物秸秆的1。6倍;③不需占用农业用地;④生物质(藻细胞)生产和加工成本低,尤其是以污水为底物进行藻细胞培养时。 有鉴于此,美国、欧洲、澳大利亚、日本、台湾等发达国家和地区都已将微藻培养作为实现污水生态处理和可再生能源生产的战略发展目标。 常见的产油藻种及其油脂含量文献已述及。 工业上以产油为目的的微藻培养一般采用封闭式光生物反应器,并且往往采用纯培养或单株培养的方式。 当结合污水处理目标时,因巨大的水量及污水中复杂的成分(尤其是其中包含的混合种属),以上培养方式将很难维持。

  近年来,国内外学者在开发微藻污水深度净化和可再生能源生产潜力方面进行了大量研究;在污水净化机理、藻种筛选、反应器设计、工艺条件控制及藻细胞加工利用等方面都取得了积极的进展. 然而,无论从污水净化本身,还是能源生产来说,藻细胞的分离、采收都一直是一个悬而未决的基础性技术难题. 微藻细胞一般小于30 μm,带负电荷,密度接近于水,这些特性使得藻细胞在水中往往处于稳定的悬浮状态,很难像活性污泥那样通过重力沉淀而实现自然分离. 结果,藻细胞会随处理水大量流失,不仅二次污染处理水,而且导致反应器内生物量难以大量维持(一般仅为0.2~0.6 g · L-1). 低的培养密度导致去除效率低下,使得处理效果稳定性较差. 对此,往往需降低处理负荷,同时采用较长的水力停留时间(HRT),进而导致占地面积加大. 目前普遍应用的藻类塘系统HRT一般为2~6 d,当量人口占地一般>10 m2. 显然,其占地面积要比二/三级污水处理主体单元还要庞大许多,这在用地紧张的城市中是很难被接受的.

  从能源生产角度看,满足工业利用要求的藻细胞原料其最佳生物量应达到300~400 g · L-1(干质量). 因此,常规培养下的藻液需浓缩1 000倍以上后方能在工业上加以利用. 这一高能耗的分离、浓缩过程是微藻能源生产中的主要能耗成本(占微藻生物质生产总成本的20%~50%. 过高的生产成本使得藻类生产生物柴油与化石燃料相比仍处于劣势.

  可见,藻细胞分离、采收困难是限制微藻技术大规模工业化应用的重要瓶颈. 微藻分离、采收常用的方法包括离心法、过滤法(包括膜滤)、气浮法、直接重力沉降法和絮凝法等. 离心法是快速、可靠的分离采收方法. 但由于其极高的能耗和投资运行成本,在目前技术条件下并不具备大规模工程应用的潜力. 过滤法仅在分离丝状藻时能耗和成本较低; 对于非丝状藻极易形成膜污染,能耗和运行成本很高,不能满足高效、低成本采收的要求. 气浮法仅适用于采收单细胞藻类,在污水混合培养的条件下不能普遍适用; 此外,由于要产生大量的微小气泡,其投资和运行成本/能耗亦很高,甚至可能高过离心法. 直接重力沉降法是成本最为低廉的分离、采收方法. 但其耗时长,分离效果和可靠性最差.

  絮凝法是分离水中粗分散和胶体物质应用最为广泛的方法,在20世纪80年代就已经用于微藻的分离采收(. 悬浮藻液经絮凝后能实现高效重力沉淀分离; 分离的藻细胞能直接被截留在反应器内,达到维持高生物量和保障出水水质的目的. 从单纯的藻细胞采收角度来说,絮凝法是处理大量稀藻液时最为经济、可行的方法. 虽然藻细胞经絮凝沉淀后还不能直接达到工业应用的要求,但已能显著降低后续浓缩过程的能耗和成本. 因此,絮凝法已被视为实现微藻大规模分离采收的最佳方法. 根据是否需要添加絮凝剂可分为“外加絮凝剂法”和“自发性絮凝法”两大类. 其中,外加絮凝剂法根据所使用的絮凝剂种类又可分为无机絮凝剂法、有机高分子絮凝剂法和生物絮凝剂法. 自发性絮凝按照发生机理可进一步分为高pH诱导的自发性絮凝和胞外聚合物(EPS)引起的自发性絮凝.

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