朱志伟

（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601）

微藻对污水净化效果及其生长情况研究

朱志伟

（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601）

微藻由于其潜在的高烃类含量以及其在废水处理中的优越性，已经吸引越来越多的关注，具有极大的研究和应用前景.利用污水中培养的微藻净化污水，将污水中的有机物及营养盐类转化为生物质的形式储存在微藻中，收获的微藻又作为生产石油的原料，使污水处理和微藻生物制能两个过程达到统一.基于此，本文首先分析了目前研究存在的问题，选用直接电解的方法对污水进行预处理，研究了不同污水进行处理时间、不同电解极板间距和不同的电解质浓度对预处理效果的影响.在电解后的污水中培养微藻，研究微藻对不同浓度、不同水质的污水处理效果，并测定了污水培养微藻的生长速率.

直接电解法；微藻；污水处理；生长速率

1 引言

能源危机和水体水质恶化是目前可持续发展面临的两大难题.人类能利用的地表淡水仅占地球总水量的0.0l%，而污水未经处理即行排放引起的水体富营养化现象十分严重.传统的污水处理法经过预处理，初级处理和二级处理三个基本步骤后，可有效去除污水中的BOD、COD、SS等，但对营养盐类的去除效果不明显，出水中仍含有大量营养盐类，无法达到废水排放标准.为进一步解决脱氮和除磷问题，国内外学者进行了三级深度处理方法的研究，三级深度处理方法主要是物理—化学方法，研究表明处理效果明显.但三级深度处理方法运行成本高，易产生二次污染，污水中的潜在资源也易被浪费.微藻处理污水技术具有系统建造运行费用低、能耗小、净化效率高、环境污染小等优点，得到了广泛应用.可见，微藻对污水净化效果及其生长情况的研究迫在眉睫，具有明显的现实意义.以污水为基质进行微藻培养，既能对污水进行净化，缓解水体水质恶化，又能完成生物制油，缓解能源危机.

但微藻处理污水技术也存在不少局限性，本文在分析目前研究存在问题的基础上，分析微藻处理污水技术的局限性，选用直接电解的方法对高浓度污水进行预处理，初步降低COD、BOD以及氮磷含量，降低污水中可能会对微藻生长有拮抗作用的微生物含量，提高污水的可生化性.然后，在电解后的污水中培养微藻，研究微藻的油脂含量.以期将污水中的营养物质转化为新能源，实现资源的可循环利用.

2 存在的问题

目前国内外对微藻对污水净化的效果及微藻在污水条件下的生长情况进行了较多研究，取得了大量研究成果.已有研究成果表明，微藻对污水具有很强的清洁能力，特别是丝状微藻，由于比较容易与培养液进行分离，所以是进行污水生物处理的有效生物.但微藻污水处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)的物质，对生物难降解物质去除效果甚微.

微藻污水处理法虽有待商榷，但作为生物燃料生产的备选材料，不会争夺粮食生产的土地，不会影响生物多样性或生态系统平衡，却是不错的选择.研究表明，部分微藻中含有相当可观的油脂类物质，如布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)烃类物质占干重的比例可以达到75%.另一些藻类含有极其丰富的脂类物质，如硅藻(Diatom)、杜氏藻(Dunalienasalina)和小球藻(Chlorella)等，大多含有30%—50%左右脂类，有的甚至高达85%，可以直接提取得到微藻油.

因此，需要寻找另外合适的方法先处理污水，而后再在污水中培养微藻，将污水中的营养物质转化为新能源，实现资源的可循环利用.

3 电化学法预处理污水

电化学法处理废水可分为直接电解和间接电解两大类，电解法处理污水主要以产生具有强氧化能力的羟基自由基（HO?）为特点，使难降解的大分子有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质.一般用于处理含烃、醛、醇、醚、酚及染料等有机污染物废水，如有机氯、磷、硫等合成药物废水，造纸、印染废水等.当有机污染物为高浓度时，发生的主要是直接阳极氧化，而在低浓度时才发生间接阳极氧化，本文选用直接电解的方法对高浓度污水进行预处理.

本文选择的污水分地表污水和沼液两类，研究时，利用简易电解装置直接对污水进行电解，选择的电解质为氯化钠，记录杀菌效果以及各水质指标（总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、总有机氮）的变化情况，对照组的电解条件为不加电解质.实验设计方案包括的变量有：不同污水进行处理时间（杀菌试验：10、20、30、60s、2min、5min；水质实验：5min、10min、20min、30min、60min，120min）；不同电解极板间距（20、40、60mm）和不同的电解质浓度（0.03、0.06、0.09mol/L）.记录不同实验方案下的杀菌效果、脱氮除磷效果和水质净化效果，并对实验数据进行处理，得到所选择污水处理的最佳电解条件.结果表明，电解时间对污水处理效果影响较大，随着电解时间的增加，污水处理效果增大，电解极板间距对COD去除率影响较小.电解预处理最佳工艺参数宜选用较长的电解时间，极板间距建议取40mm.但电解时间的增加会增加能耗，需根据实际污水情况和需要得到的浓度进行适当调整.

4 微藻处理污水效果

藻类是自养型生物，生长对废水中营养要求较低，以光能作为能源，利用氮、磷等营养物质合成复杂的有机质.藻类可富集水体中的氮、磷等营养物质，并以有机物的形式将其储存在藻细胞中.能够对污水进行脱氮除磷的微藻有许多种，效果最好的是螺旋藻、小球藻、栅藻、颤藻、栅列藻等.藻类在污水净化过程中产生大量的氧气，可减少水体因缺氧而形成的恶臭气味.藻类细胞具有富集金属的能力，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.微藻通过光合作用、光呼吸作用、以及无机氮和硫的同化作用可以将太阳能转化为生物质，每年大约有1011吨碳元素和2× 1010吨氮元素被光合作用固定，相当于3×1021J化学能.

本文将用直接电解法预处理后的两类不同的高浓度污水稀释为不同的浓度（25%、50%、75%、100%），并将每一浓度下的预处理后的污水分为多份，然后选择同样的藻类在其中进行培养.微藻培养到一定阶段后，检测培养前后污水中氮、磷元素的浓度变化，考察微藻对污水中氮、磷的吸收情况，从而获得微藻生长适宜的水质指标.对照组选用的污水未进行任何处理.研究表明，利用微藻处理有机废水，氨氮含量小于l9.38mg／L时，培养前期对污水中氨氮的去除率达到70%，7天后对氨氮的去除率达到90%以上，对磷的去除率接近70%.1d时间微藻对PO4—P的去除率达到35%，3d时间对PO4—P的去除率高达90%以上.可见，微藻对污水的处理效果较为明显，但污水浓度较高时因为生化性的影响，反而使得微藻生长出现困难，从而降低了微藻处理污水的效果.

5 污水培养微藻的生长速率

污水培养微藻的生长速率与多种因素密切相关，如培养基中PH、二氧化碳的注入量，湍流度以及光照条件等.本文主要研究预处理后的污水对微藻生长速率的影响.生长速率的测定可以间接衡量藻类对污水的净化效果.本文测定微藻生物量时，在培养过程中取培养液用721型分光光度计，测定540nm处的光密度值，实验结束时取10ml培养液洗涤离心后，取藻体沉淀在150℃下烘干至恒重测定干重.本文测定微藻最大比生长速率时，在560nm下测定藻悬浮均质液的光密度值，由光密度值与藻生物量的换算关系计算藻的比生长速率μ.为研究生长过程的生长率，其中几组实验测定了培养过程中的干重和光密度值.研究表明，污水稀释后的浓度为75%，微藻的生长条件在温度34℃左右，2500—3000lx时，微藻生长速率最大.在连续培养中，第4天生物质产量较高.同时发现，异养生长可以提高微藻的生长效率，获得高脂肪含量的微藻，可降低生物柴油生产的成本.实验结果同时表明，电化学处理废水可在很大程度上提高废水生化性，利于微藻的培养.

6 总结

利用污水中培养的微藻可以使污水得到净化，污水中的有机物及营养盐类转化为生物质的形式储存在微藻中，收获的微藻又可以作为生产石油的原料.使污水处理和微藻生物制能两个过程相辅相成.本文采用直接电解的方法对高浓度污水进行预处理，初步降低污水中COD、BOD以及氮磷含量，提高污水的可生化性.然后利用微藻对预处理后的污水进行净化，将污水中的有机物及营养盐类转化为生物质的形式储存在微藻中，研究微藻处理污水效果及污水培养条件下微藻生物质的生长速率，为污水处理工程及生物燃料生产方面提供了理论依据.

〔1〕张静霞.利用微藻处理污水的研究进展及发展趋势[J].现代农业科技,2008.

〔2〕况琪军,胡征宇,赵先福,等.微藻生物技术在水环境保护中的应用前景探讨[J].安全与环境学报,2004.

〔3〕赵国鹏,张招贤.绿色环保型技术——电解法处理生活污水和工业废水(一)[J].电镀与涂饰,2009,28(1).

〔4〕宋东辉,侯李君,施定基.生物柴油原料资源高油脂微藻的开发利用[J].生物工程学报,2008,24(3):314-348.

〔5〕许海鹏,张晓东,张杰,等.利用微藻生产生物柴油的研究进展[J].现代化工,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,张成武,殷大葱,等.利用微藻生产可再生能源研究概况[J].武汉植物学研究,2008,26(C):650-660.

X703

A

1673-260X（2013）08-0033-02

安徽建筑大学青年专项经费资助（2012nyjy-校青年-05）