養(yǎng)殖廢水處理設(shè)備總承包 新型一體化污水處理設(shè)備是我公司設(shè)計開發(fā)的一種將壓力溶氧、射流曝氣、內(nèi)循環(huán)流化床、生物膜過濾等多項污水處理技術(shù)融為一體的處理設(shè)備；具有節(jié)省投資、節(jié)約用地、運行成本低的優(yōu)勢，更可實現(xiàn)全自動無人值守。利用該設(shè)備處理城鎮(zhèn)污水，其出水水質(zhì)可以達到GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準。
 

該設(shè)備適用范圍
1、適用于住宅區(qū)，賓館、飯店、療養(yǎng)院、學(xué)校、村莊、集鎮(zhèn)等。
2、適用于車站、飛機場、海灣碼頭、工廠、礦山、旅游景區(qū)等。
3、適用與生活污水類似的各種工業(yè)有機廢水及養(yǎng)殖屠宰廢水等。

利用微藻進行污水處理的歷史追溯已久. 早在20世紀50年代，Oswald等就提出利用微藻處理污水的設(shè)想. 此后，以藻-菌共生體系和高效藻類塘為代表的懸浮生長藻類塘系統(tǒng)在分散式污水處理中得到了廣泛的工程應(yīng)用. 但這類系統(tǒng)因占地面積大、處理效果不穩(wěn)定等局限性，一直未能成為污水處理的主流工藝. 近年來，在市政污水處理廠深度凈化需要以及渴望從污水中獲得生物柴油的驅(qū)動下，微藻污水處理在世界范圍內(nèi)重獲新生.

　　微藻生長過程需要大量吸收氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)元素，可直接降低二/三級出水中N、P等污染物的含量. 通過固定二氧化碳(CO2)、產(chǎn)生氧氣(O2)、提高pH等間接作用，微藻還能創(chuàng)造出有效去除水中殘留有機物和病原性微生物的環(huán)境條件. 此外，微藻也具有吸附重金屬等有害物質(zhì)的能力. 因此，微藻具有成為污水深度凈化技術(shù)的良好潛力. 在污水二/三級處理中，去除營養(yǎng)元素的常見藻種包括: ①綠藻門的小球藻(Chlorella)、葡萄藻(Botryococcus)、柵藻(Scenedesmus)和微綠球藻(Nannochloris)等，其中尤以小球藻(Chlorella)和柵藻(Scenedesmus)的研究報道為多;②藍藻門的節(jié)旋藻屬(Arthrospira sp.)、顫藻屬(Oscillatoria sp.)和席藻屬(Phormidium);③硅藻門的三角褐指藻(P. tricornutum)等.以上種屬的N、P去除效果可參見Cai等的綜述文章. 在藻種選擇的基礎(chǔ)上，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)(反應(yīng)器)的構(gòu)建是實現(xiàn)微藻污水處理工程化應(yīng)用的關(guān)鍵. 按微藻的生長方式不同，微藻培養(yǎng)系統(tǒng)可分為懸浮培養(yǎng)和附著培養(yǎng)兩大類. 懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)可進一步分為開放式和封閉式兩類：①開放式系統(tǒng)主要指各類塘系統(tǒng)，典型的如高效藻類塘和跑道式藻類塘等;②封閉式系統(tǒng)主要指各類光生物反應(yīng)器，分為管式(垂直、水平、螺旋)、圓柱式、薄板式和袋式等. 附著式系統(tǒng)包括光生物膜(平板)反應(yīng)器和藻細胞固定化. 考慮到污水處理的實際情況(水量大，建造、運行成本等)，開放培養(yǎng)系統(tǒng)仍將是微藻污水處理的主流反應(yīng)器構(gòu)型.

　　如上所述，藻細胞用于生產(chǎn)生物柴油是微藻污水處理重獲新生的主要驅(qū)動力之一. 通過微藻生產(chǎn)生物柴油具有其他任何產(chǎn)油作物*的優(yōu)勢：①藻細胞的光合效率高，生長速度快、周期短，其產(chǎn)油量為47000~190000 L · hm-2 · a-1，是農(nóng)作物的7~30倍;②生物質(zhì)燃油熱值高，平均達33 MJ · kg-1，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍;③不需占用農(nóng)業(yè)用地;④生物質(zhì)(藻細胞)生產(chǎn)和加工成本低，尤其是以污水為底物進行藻細胞培養(yǎng)時. 有鑒于此，美國、歐洲、澳大利亞、日本、中國臺灣等發(fā)達國家和地區(qū)都已將微藻培養(yǎng)作為實現(xiàn)污水生態(tài)處理和可再生能源生產(chǎn)的戰(zhàn)略發(fā)展目標. 常見的產(chǎn)油藻種及其油脂含量文獻已述及. 工業(yè)上以產(chǎn)油為目的的微藻培養(yǎng)一般采用封閉式光生物反應(yīng)器，并且往往采用純培養(yǎng)或單株培養(yǎng)的方式. 當(dāng)結(jié)合污水處理目標時，因巨大的水量及污水中復(fù)雜的成分(尤其是其中包含的混合種屬)，以上培養(yǎng)方式將很難維持.

　　近年來，國內(nèi)外學(xué)者在開發(fā)微藻污水深度凈化和可再生能源生產(chǎn)潛力方面進行了大量研究;在污水凈化機理、藻種篩選、反應(yīng)器設(shè)計、工藝條件控制及藻細胞加工利用等方面都取得了積極的進展. 然而，無論從污水凈化本身，還是能源生產(chǎn)來說，藻細胞的分離、采收都一直是一個懸而未決的基礎(chǔ)性技術(shù)難題. 微藻細胞一般小于30 μm，帶負電荷，密度接近于水，這些特性使得藻細胞在水中往往處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，很難像活性污泥那樣通過重力沉淀而實現(xiàn)自然分離. 結(jié)果，藻細胞會隨處理水大量流失，不僅二次污染處理水，而且導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)生物量難以大量維持(一般僅為0.2~0.6 g · L-1). 低的培養(yǎng)密度導(dǎo)致去除效率低下，使得處理效果穩(wěn)定性較差. 對此，往往需降低處理負荷，同時采用較長的水力停留時間(HRT)，進而導(dǎo)致占地面積加大. 目前普遍應(yīng)用的藻類塘系統(tǒng)HRT一般為2~6 d，當(dāng)量人口占地一般>10 m2. 顯然，其占地面積要比二/三級污水處理主體單元還要龐大許多，這在用地緊張的城市中是很難被接受的.

　　從能源生產(chǎn)角度看，滿足工業(yè)利用要求的藻細胞原料其生物量應(yīng)達到300~400 g · L-1(干質(zhì)量). 因此，常規(guī)培養(yǎng)下的藻液需濃縮1 000倍以上后方能在工業(yè)上加以利用. 這一高能耗的分離、濃縮過程是微藻能源生產(chǎn)中的主要能耗成本(占微藻生物質(zhì)生產(chǎn)總成本的20%~50%. 過高的生產(chǎn)成本使得藻類生產(chǎn)生物柴油與化石燃料相比仍處于劣勢.

　　養(yǎng)殖廢水處理設(shè)備總承包可見，藻細胞分離、采收困難是限制微藻技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的重要瓶頸. 微藻分離、采收常用的方法包括離心法、過濾法(包括膜濾)、氣浮法、直接重力沉降法和絮凝法等. 離心法是快速、可靠的分離采收方法. 但由于其*的能耗和投資運行成本，在目前技術(shù)條件下并不具備大規(guī)模工程應(yīng)用的潛力. 過濾法僅在分離絲狀藻時能耗和成本較低; 對于非絲狀藻極易形成膜污染，能耗和運行成本很高，不能滿足高效、低成本采收的要求. 氣浮法僅適用于采收單細胞藻類，在污水混合培養(yǎng)的條件下不能普遍適用; 此外，由于要產(chǎn)生大量的微小氣泡，其投資和運行成本/能耗亦很高，甚至可能高過離心法. 直接重力沉降法是成本低廉的分離、采收方法. 但其耗時長，分離效果和可靠性差.

　　絮凝法是分離水中粗分散和膠體物質(zhì)應(yīng)用廣泛的方法，在20世紀80年代就已經(jīng)用于微藻的分離采收(. 懸浮藻液經(jīng)絮凝后能實現(xiàn)高效重力沉淀分離; 分離的藻細胞能直接被截留在反應(yīng)器內(nèi)，達到維持高生物量和保障出水水質(zhì)的目的. 從單純的藻細胞采收角度來說，絮凝法是處理大量稀藻液時經(jīng)濟、可行的方法. 雖然藻細胞經(jīng)絮凝沉淀后還不能直接達到工業(yè)應(yīng)用的要求，但已能顯著降低后續(xù)濃縮過程的能耗和成本. 因此，絮凝法已被視為實現(xiàn)微藻大規(guī)模分離采收的方法. 根據(jù)是否需要添加絮凝劑可分為“外加絮凝劑法”和“自發(fā)性絮凝法”兩大類. 其中，外加絮凝劑法根據(jù)所使用的絮凝劑種類又可分為無機絮凝劑法、有機高分子絮凝劑法和生物絮凝劑法. 自發(fā)性絮凝按照發(fā)生機理可進一步分為高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝和胞外聚合物(EPS)引起的自發(fā)性絮凝.

　　本文將從對微藻表面特性和絮凝機理的簡要介紹出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)各種絮凝分離方法的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，進而對各種方法進行綜合比較，以期明確微藻絮凝分離的發(fā)展方向.

　　2 微藻表面特性和絮凝機理 2.1 微藻懸浮液聚集穩(wěn)定性的理論框架

　　擴展DLVO(XDLVO)理論是膠體化學(xué)中描述膠體穩(wěn)定性的經(jīng)典理論之一，已成功應(yīng)用于描述活性污泥系統(tǒng)微生物細胞間的粘附聚集(絮凝)過程. 研究證實，該理論同樣適應(yīng)于描述微藻懸浮液中藻細胞的聚集過程. 在XDLVO理論中，膠粒間的相互作用主要考慮了以下3種非共價鍵的相互作用力：①范德華力(Lifshitz-van der Waals interaction)，它是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶極力之和; ②靜電力(Electrostatic interaction)，源自膠粒表面所帶電荷的靜電相互作用; ③Lewis酸-堿水合作用力(Lewis acid-base interaction)，源自極性組分間的電子轉(zhuǎn)移. 膠粒間的總表面位能(GTOT(d))為以上作用力的位能之和：

　　式中，GLW(d)為范德華作用力位能，GEL(d)為靜電作用力位能，GAB(d)為Lewis酸-堿水合作用力位能.(d)表示作用力的大小和性質(zhì)為膠粒間距的函數(shù). 理論上，GTOT(d)>0則膠粒間相互排斥，處于聚集穩(wěn)定狀態(tài); GTOT(d)<0則膠粒相互聚集. 典型的總位能曲線一般包含兩個低位穴能(膠粒間距由遠及近分別為第二低位穴能Em2和低位穴能Em1)，兩者之間存在一斥力能峰(Eb). 當(dāng)膠粒相互靠近，到達第二低位穴能點(Em2)時，膠粒間處于一種可逆的粘附狀態(tài);外界條件稍有變化則粘附的膠粒又將相互分離，是一種不牢固的粘結(jié)狀態(tài). 只有膠粒的動能足夠大，足以克服斥力能峰到達低位穴能(EEm1)時才能形成牢固的粘結(jié)狀態(tài)，即發(fā)生絮凝)

　　2.2 藻細胞表面特性與聚集穩(wěn)定性

　　決定總表面位能(式(1))的3種基本作用力中，范德華力一般表現(xiàn)為引力，其大小取決于膠粒間距、單位體積內(nèi)的粒子數(shù)量和和粒子的極化率等. 而靜電力和Lewis酸-堿水合作用力的性質(zhì)和大小則取決藻細胞的表面電勢和親/疏水性等表面特性.

　　2.2.1 表面電勢

　　藻細胞表面覆蓋著一層復(fù)雜的EPS，其主要成分為碳水化合物(EPSC)和蛋白質(zhì)(EPSP)，其他成分包括腐殖質(zhì)(Humus-like Substances)、核酸(Nucleic Acids)、糖醛酸(Uronic Acids)等. 這些成分導(dǎo)致藻細胞表面富集了大量羧基(—COOH)和氨基(—NH2)等功能團. 這些功能團隨體系pH不同能接收或失去質(zhì)子(H+)，由此形成表面電荷及電勢. 例如: 當(dāng)體系處于低pH條件時，羧基和氨基都將接收H+(質(zhì)子化，protonation)，形成正的表面電荷;相反，當(dāng)體系處于高pH條件時，羧基將失去H+(去質(zhì)子化，deprotonation)，形成負的表面電荷;在特定pH條件下，可以形成羧基失H+而氨基得H+的情況，表面凈電荷為零，即等電點. 對于微藻，其等電點一般在pH=3. 而實際微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的pH一般在7以上. 所以，藻細胞一般帶負電，即式(1)中的靜電作用力項表現(xiàn)為斥力.

　　膠粒表面電勢無法直接測量，只能測量出膠粒的Zeta電位后通過計算間接得出. Zeta電位是膠粒雙電層結(jié)構(gòu)中滑動面與水溶液之間的電位差，是表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標. Zeta電位值越高，膠粒之間的排斥力越大，體系越穩(wěn)定. 實際培養(yǎng)條件下藻類的Zeta電位一般在-35~-15 mV之間. 因此，藻細胞間的靜電斥力一般較大，是藻細胞在水溶液中保持聚集穩(wěn)定性的主要原因.

　　2.2.2 親/疏水性

　　藻細胞的表面親/疏水性決定了式(1)中Lewis酸-堿水合作用力的性質(zhì)和大小，具體有如下規(guī)律: 疏水性藻細胞間的Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為引力; 親水性藻細胞間的Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為斥力; 親水和疏水藻細胞間的Lewis酸-堿水合作用力性質(zhì)則取決于藻細胞的相對親/疏水程度，可為引力或斥力; 親/疏水程度越高，Lewis酸-堿水合作用力的值越大. 以上規(guī)律可通俗地理解為疏水細胞在水溶液中將受到水分子的“排斥”作用，因而細胞間有相互團聚(吸引)的趨勢; 而親水細胞則各自受到水分子的“吸引”，因而細胞間有分散在水溶液中的趨勢(相互排斥). 藻細胞間的靜電斥力一般大于范德華引力，因此在沒有外加絮凝劑消除靜電斥力的情況下，Lewis酸-堿水合作用力(表面親/疏性)的性質(zhì)和大小對微藻懸浮液的聚集穩(wěn)定性就具有決定性的影響，例如: 親水性藻細胞間的Lewis酸-堿水合作用力為斥力，因此該類藻細胞懸浮液總是能保持聚集穩(wěn)定性; 只有Lewis酸-堿水合作用力為引力時(疏水藻細胞之間及特定親水-疏水藻細胞組合)，微藻懸浮液才有可能發(fā)生絮凝. 細胞親/疏水性取決于其表面功能團: 表面富含長鏈烴類的微藻種屬(如，葡萄藻屬)表現(xiàn)為疏水性，因為長鏈烴類主要包含甲基和亞甲基等疏水基團，而羥基和羧基等親水基團只占很小一部分; 表面富含糖醛酸、中性糖和葡糖胺等成分的微藻種屬(如小球藻)則表現(xiàn)為親水性，因為這些成分能形成大量羥基、羧基和氨基等親水基團.

　　2.3 絮凝機理

　　根據(jù)上述XDLVO理論，微藻絮凝的基本原理就是要通過降低/消除靜電斥力(Zeta電位)，使Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為引力等措施消除/降低藻細胞之間表面能的排斥能峰，使藻細胞能相互靠近到達低位穴能，從而緊密地粘結(jié)在一起形成絮體. 其中，外加無機絮凝劑的主要作用機理就是中和藻細胞表面的電負性，降低/消除靜電斥力. 外加高分子有機絮凝劑則主要通過吸附架橋原理起作用: 鏈狀高分子物質(zhì)(少數(shù)情況也可能是無機絮凝劑形成的大膠粒)在靜電引力、范德華力和氫鍵力的作用下，一端吸附了某一膠粒后，另一端又吸附了另一膠粒，從而把不同的膠粒連接起來而形成絮體(圖 1). 生物絮凝劑和EPS誘導(dǎo)的自絮凝則可能是通過Lewis酸-堿水合作用力中的疏水引力及吸附架橋原理的綜合作用實現(xiàn)絮凝. 投加絮凝劑形成的沉淀物和絮體等還可通過網(wǎng)捕和卷掃等物理作用進一步促進藻細胞的絮凝沉降.