基于藻基废水处理技术的污染防治研究

闫 婧

（阳泉市生态环境监测和应急保障中心，山西 阳泉 045000）

引言

随着工业化的蓬勃发展和人口的激增，废水和工业废气等废弃物的管理已经成为世界范围内一个重要的环境挑战。这严重影响了水质和生物多样性，同时也威胁到水生生物的生命，特别是鱼类等。因此，在将废水排入大自然之前，对其进行处理是至关重要的。传统的基于活性污泥法的废水处理技术存在营养素回收效率低、能耗高的缺点。藻类废水处理系统具有以生物质形式回收资源和随后合成增值产品的附加优势。将废水处理和资源回收与生产各种增值产品的藻类生物炼制平台相结合，有助于废物流的循环经济，并使低价值的藻类生物炼制更具商业可行性[1-4]。

从藻类生物质中可以提取包括动物饲料、生物炭、生物塑料、化肥、高价值分子（色素）以及生物能源和生物燃料。藻类处理系统可分为两大类：即自由漂浮、悬浮的浮游藻类系统（如高速藻池HRAPs）和附着的底栖、丝状藻类系统（如藻类草坪洗涤器ATS）。HRAPs 和ATS 显示了相当的生物量生产率，尽管ATS 系统中附着的藻类可以通过机械方法相对容易收获。

1 高效藻池（HRAPs）系统

高速率藻池（HRAPs）是浅培养深度（通常＜500mm）的桨轮混合开放式池路，用于农业、工业和城市废水的生物修复以及同时回收资源的厌氧消化废水。与传统系统相比，HRAP 的主要优点是造价低廉、操作简单、能耗低。与室内实验室规模的培养不同，采用HRAPs 的室外藻类培养受到季节、天气、昼夜光温波动等各种不可控环境因素的影响严重。除了环境因素外，它们还受到CO2、营养物质浓度、盐度和pH 值等因素的影响，以及物种间的竞争、藻类病原体和浮游动物捕食者生物因素的进一步影响。除微藻外，废水中还含有大量其他微生物，如细菌、真菌、病毒等，这些微生物的污染会影响藻类的生长、代谢物的积累，在正向刺激和负向抑制的情况下，细菌不仅为光合作用过程提供大量的二氧化碳，而且还参与污染物和营养物质的降解，将复杂的基质转化为简单的有机代谢产物，这些产物很容易被藻类消耗。在这过程中出现NH4+-N 的硝化，硝化可以通过两阶段氧化过程发生，氨首先被氨氧化细菌转化为亚硝酸盐[见式（1）]：

亚硝酸盐随后被亚硝酸盐氧化细菌转化为硝酸盐[见式（2）]：

虽然铵态氮比硝酸盐对大多数微藻的同化作用要容易得多，但当铵态氮浓度质量超过100 mg/L 时，可能会发生藻抑制作用。当重金属和其他有毒化合物污染物浓度过高时，也会发生类似的情况。因此，当废水中氮和污染物的水平过高，适当地稀释浓度以及添加磷平衡N∶P 比栽培介质对提高系统性能是至关重要的。

1.1 HRAP 的运行参数

初始营养物负荷对HRAP 的营养物去除率和生物量的影响较大。与低负荷的NH4-N 质量浓度19.9 g/m3相比，高负荷的NH4-N 质量浓度39.7 g/m3使单位微藻的NH4-N 去除率（2.35 g NH4-N/g 生物量）和生物量生产率（305 mg/m2·d）更高，它导致排放的污水中NH4-N 质量浓度较低（12.3 g/m3）。培养深度通常在0.15 m～0.45 m 范围内，较浅的培养深度促进了藻类的生长和生产力，藻类进行高效光合作用时具有更高的光可用性。在层流条件下，较深的培养深度可能比较浅的培养深度更具优势，微藻可以悬浮较长时间，从而避免在池塘底部沉降。培养池越深，能够提供更高的区域生产力和养分吸收能力。在光照条件和混合条件较好的情况下，浅池深度的藻类生长受到的限制比深池深度的藻类更大，这是由于浅池较严格的碳限制导致了日pH 值的增加。同样在较浅的深度下作业需要更大的表面积，以保证废水的恒定流速，这将导致更高的资本投资和运营成本。

水力停留时间（HRT）是HRAPs 的关键操作参数之一，因为它影响排放出水的水质，从而决定了废水进水的营养负荷极限。夏季是藻类生长的高峰期，较短的HRT 可获得较高的生物量产量。在温暖季节，缩短HRT 时间后，藻类产量几乎提高了两倍。在冬季藻类生长较慢时，较长的HRT 可以确保足够的养分去除，以满足排放需求。实现更高的营养物去除时增加生物降解、光降解、去除和吸附去除的过程。

1.2 CO2 添加促进生物量生产力和养分去除

由于废水的碳氮比（3∶1）通常低于藻类细胞的碳氮比（6∶1），HRAPs 可能会出现碳限制的情况，导致池塘水pH 升高，这限制了藻类的生长。因此，白天补充CO2可以提高HRAP 的碳有效性，进而促进生物量生产力，从而提高养分的去除率。此外，持续向池塘中注入CO2可以通过CO2浓度有效控制浮游动物的数量。调节CO2添加的简单方法是将池塘水的最大pH 值保持在8 以下。避免较高的pH 值还有其他一些好处，如尽量减少高氨浓度对藻类和细菌的生长抑制，减少氨挥发的损失，促进微藻对营养物质的吸收。在夏季运行期间，添加CO2可以使处理生活废水的中试规模HRAP 的生物量生产率提高30%，尽管其平均脂质含量为20%，略低于对照组的25%。因此，CO2的添加使池塘环境更加稳定，HRAP 群落更加稳定。

1.3 HRAP 中的采收和藻类回收

由于藻类胞体尺寸微小、密度接近水体（1.08g/cm3～1.13 g/cm3）、表面负电荷强、游动性强等原因，重力沉降是污水处理HRAPs 中常用技术，但也存在一些缺点，如沉降时间相对较长（1 d～2 d）和只能去除部分生物量（50%～80%）。化学絮凝是一种从HRAPs 废液中去除藻类生物量的常见方法，中和藻类细胞的表面电荷，然后通过物理或化学链接将它们结合在一起。更高分子量阳离子聚合物如壳聚糖、聚丙烯酰胺等作用时需要较小的剂量（1 mg/L～10 mg/L），在聚丙烯酰胺作用下，紧凑和密集的絮体沉降特征可以增强，从而减少了污泥体积。藻类生物量的收获效率也可以通过生物絮凝的自然细胞聚集或促进易于定居的群居藻类的优势来提高。

1.4 用于处理新出现污染物的HRAP

除了传统的营养丰富的废水外，快速的工业化和城市化也导致了不同的“现代”污染物的排放不断升级，如阻燃剂、药品和个人护理产品、增塑剂、表面活性剂等。这些污染物被称为新兴污染物（ECs），以不同浓度存在于自然水体中，即使浓度很低，它们也可能产生生态毒理学影响，对水生生物造成破坏，因此需要加以处理。HRAPs 高表面积体积比的几何形状提供了高的阳光照射，并增强了抗生素的光降解，长时间的水力滞留时间使得抗生素的去除具有相当缓慢的动力学机制，通过自养和异养微生物的吸附去除抗生素。活性氧（如羟基自由基（OH）、过氧化氢（H2O2）和超氧自由基（O2—））会对微藻细胞造成氧化损伤，可能会引起褪绿、光还原和蛋白质和多不饱和脂肪酸的过氧化。从而对微藻的生长产生负面作用。然而，微藻有自己的保护性抗氧化机制，包括酶促抗氧化（如抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶）和非酶促抗氧化（如抗坏血酸、类胡萝卜素、半胱氨酸、谷胱甘肽和脯氨酸）来对抗这些自由基，这增加了微藻对ROS 攻击的耐受性。

2 高效藻池吸收柱（HRAP-AC）系统在沼气升级与废水处理中的应用

厌氧消化系统的原材料有食品浪费物、绿色废物、牲畜粪便、城市垃圾、污水等。沼气是一种混合气体，组成主要是CH4（40%～75%）、二氧化碳（15%～60%）和微量的硫化氢（0.005%～2%）。因此，在用作汽车燃料或注入天然气网格之前，需要对沼气进行升级。去除沼气中的CO2可以帮助提高能量密度，降低运输和压缩成本，而去除H2S 也很重要，因为H2S 对管道、设备和发动机具有毒性和腐蚀性。HRAP 通过培养液再循环与外部气泡沼气吸收柱（AC）连接，可以提高沼液管理和生物甲烷生产的经济可行性和可持续性。在大多数情况下，可以通过HRAP-吸收柱（HRAP-AC）系统完全去除H2S。如图1 所示，通过在HRAP-AC 系统中进一步加入沉降槽，并控制沉降生物量的收获速度，可以有效地将固体保留时间（生物量生产）与水力保留时间（出水流量）解耦，允许最大限度地从废水中回收养分，同时主要使生物量的浓度低于光限值。

图1 高速率藻池吸收柱（HRAP-AC）系统（配有沉淀池，用于沼气升级）

在低温分离、膜分离、化学擦洗、有机擦洗、水擦洗、变压吸附（PSA）和HRAP 等不同的沼气升级技术中，HRAP 的能耗最低，为0.08 kWh/m3～0.14 kWh/m3。与传统的活性炭过滤器和水洗涤器相比，HRAP-AC需要增加1 860 倍的土地需求和1.6 倍的投资成本，因为生物质干燥装置，比传统技术具有较高的能源消耗和环境影响（温室气体排放和材料和水消费）更高的运营成本是由于频繁更换的需要活性炭。

pH 值对CO2和H2S 的去除产生强烈影响，因为高碱度（pH＞9）将这些酸性气体有效吸收到循环培养介质中。因此，通常会将废水浓缩液中的IC 浓度调整到较高水平，以保持培养基的碱度，从而支持长期高效的沼气升级。利用高碱度可以防止捕食者和其他微生物的污染，从而增强微藻群落的稳定性。

温度对HRAP-AC 系统的沼气升级性能表现出碱依赖的影响。在高碱度甚至中等碱度时，温度对CO2去除的影响很小，而在低碱度时，当温度从35 ℃降到12 ℃时，CH4含量增加了3.3%。高碱度增强了该过程对全天温度波动的稳健性。

3 结论

基于高效藻池（HRAP）、高效藻池吸收柱（HRAP-AC）藻类废水处理技术，藻类在废物管理和资源回收方面的巨大潜力，在循环生物经济、减少废物产生以及解决污染和可持续性问题方面发挥着关键作用。在创新运营策略开发、生物工程技术以及与其他技术的整合等方面，应充分挖掘藻类在废水同步藻核降解和增值产品生产方面的潜力。