养殖废水处理设备总承包

养殖废水处理设备总承包 新型一体化污水处理设备是我公司设计开发的一种将压力溶氧、射流曝气、内循环流化床、生物膜过滤等多项污水处理技术融为一体的处理设备；具有节省投资、节约用地、运行成本低的优势，更可实现全自动无人值守。利用该设备处理城镇污水，其出水水质可以达到GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准。
 

该设备适用范围
1、适用于住宅区，宾馆、饭店、疗养院、学校、村庄、集镇等。
2、适用于车站、飞机场、海湾码头、工厂、矿山、旅游景区等。
3、适用与生活污水类似的各种工业有机废水及养殖屠宰废水等。

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，一直未能成为污水处理的主流工艺. 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*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、中国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.

　　养殖废水处理设备总承包可见，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*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低廉的分离、采收方法. 但其耗时长，分离效果和可靠性差.

　　絮凝法是分离水中粗分散和胶体物质应用广泛的方法，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.

　　本文将从对微藻表面特性和絮凝机理的简要介绍出发，系统总结各种絮凝分离方法的研究应用现状，进而对各种方法进行综合比较，以期明确微藻絮凝分离的发展方向.

　　2 微藻表面特性和絮凝机理 2.1 微藻悬浮液聚集稳定性的理论框架

　　扩展DLVO(XDLVO)理论是胶体化学中描述胶体稳定性的经典理论之一，已成功应用于描述活性污泥系统微生物细胞间的粘附聚集(絮凝)过程. 研究证实，该理论同样适应于描述微藻悬浮液中藻细胞的聚集过程. 在XDLVO理论中，胶粒间的相互作用主要考虑了以下3种非共价键的相互作用力：①范德华力(Lifshitz-van der Waals interaction)，它是色散力、极性力和诱导偶极力之和; ②静电力(Electrostatic interaction)，源自胶粒表面所带电荷的静电相互作用; ③Lewis酸-碱水合作用力(Lewis acid-base interaction)，源自极性组分间的电子转移. 胶粒间的总表面位能(GTOT(d))为以上作用力的位能之和：

　　式中，GLW(d)为范德华作用力位能，GEL(d)为静电作用力位能，GAB(d)为Lewis酸-碱水合作用力位能.(d)表示作用力的大小和性质为胶粒间距的函数. 理论上，GTOT(d)>0则胶粒间相互排斥，处于聚集稳定状态; GTOT(d)<0则胶粒相互聚集. 典型的总位能曲线一般包含两个低位穴能(胶粒间距由远及近分别为第二低位穴能Em2和低位穴能Em1)，两者之间存在一斥力能峰(Eb). 当胶粒相互靠近，到达第二低位穴能点(Em2)时，胶粒间处于一种可逆的粘附状态;外界条件稍有变化则粘附的胶粒又将相互分离，是一种不牢固的粘结状态. 只有胶粒的动能足够大，足以克服斥力能峰到达低位穴能(EEm1)时才能形成牢固的粘结状态，即发生絮凝)

　　2.2 藻细胞表面特性与聚集稳定性

　　决定总表面位能(式(1))的3种基本作用力中，范德华力一般表现为引力，其大小取决于胶粒间距、单位体积内的粒子数量和和粒子的极化率等. 而静电力和Lewis酸-碱水合作用力的性质和大小则取决藻细胞的表面电势和亲/疏水性等表面特性.

　　2.2.1 表面电势

　　藻细胞表面覆盖着一层复杂的EPS，其主要成分为碳水化合物(EPSC)和蛋白质(EPSP)，其他成分包括腐殖质(Humus-like Substances)、核酸(Nucleic Acids)、糖醛酸(Uronic Acids)等. 这些成分导致藻细胞表面富集了大量羧基(—COOH)和氨基(—NH2)等功能团. 这些功能团随体系pH不同能接收或失去质子(H+)，由此形成表面电荷及电势. 例如: 当体系处于低pH条件时，羧基和氨基都将接收H+(质子化，protonation)，形成正的表面电荷;相反，当体系处于高pH条件时，羧基将失去H+(去质子化，deprotonation)，形成负的表面电荷;在特定pH条件下，可以形成羧基失H+而氨基得H+的情况，表面净电荷为零，即等电点. 对于微藻，其等电点一般在pH=3. 而实际微藻培养系统的pH一般在7以上. 所以，藻细胞一般带负电，即式(1)中的静电作用力项表现为斥力.

　　胶粒表面电势无法直接测量，只能测量出胶粒的Zeta电位后通过计算间接得出. Zeta电位是胶粒双电层结构中滑动面与水溶液之间的电位差，是表征分散体系稳定性的重要指标. Zeta电位值越高，胶粒之间的排斥力越大，体系越稳定. 实际培养条件下藻类的Zeta电位一般在-35~-15 mV之间. 因此，藻细胞间的静电斥力一般较大，是藻细胞在水溶液中保持聚集稳定性的主要原因.

　　2.2.2 亲/疏水性

　　藻细胞的表面亲/疏水性决定了式(1)中Lewis酸-碱水合作用力的性质和大小，具体有如下规律: 疏水性藻细胞间的Lewis酸-碱水合作用力表现为引力; 亲水性藻细胞间的Lewis酸-碱水合作用力表现为斥力; 亲水和疏水藻细胞间的Lewis酸-碱水合作用力性质则取决于藻细胞的相对亲/疏水程度，可为引力或斥力; 亲/疏水程度越高，Lewis酸-碱水合作用力的值越大. 以上规律可通俗地理解为疏水细胞在水溶液中将受到水分子的“排斥”作用，因而细胞间有相互团聚(吸引)的趋势; 而亲水细胞则各自受到水分子的“吸引”，因而细胞间有分散在水溶液中的趋势(相互排斥). 藻细胞间的静电斥力一般大于范德华引力，因此在没有外加絮凝剂消除静电斥力的情况下，Lewis酸-碱水合作用力(表面亲/疏性)的性质和大小对微藻悬浮液的聚集稳定性就具有决定性的影响，例如: 亲水性藻细胞间的Lewis酸-碱水合作用力为斥力，因此该类藻细胞悬浮液总是能保持聚集稳定性; 只有Lewis酸-碱水合作用力为引力时(疏水藻细胞之间及特定亲水-疏水藻细胞组合)，微藻悬浮液才有可能发生絮凝. 细胞亲/疏水性取决于其表面功能团: 表面富含长链烃类的微藻种属(如，葡萄藻属)表现为疏水性，因为长链烃类主要包含甲基和亚甲基等疏水基团，而羟基和羧基等亲水基团只占很小一部分; 表面富含糖醛酸、中性糖和葡糖胺等成分的微藻种属(如小球藻)则表现为亲水性，因为这些成分能形成大量羟基、羧基和氨基等亲水基团.

　　2.3 絮凝机理

　　根据上述XDLVO理论，微藻絮凝的基本原理就是要通过降低/消除静电斥力(Zeta电位)，使Lewis酸-碱水合作用力表现为引力等措施消除/降低藻细胞之间表面能的排斥能峰，使藻细胞能相互靠近到达低位穴能，从而紧密地粘结在一起形成絮体. 其中，外加无机絮凝剂的主要作用机理就是中和藻细胞表面的电负性，降低/消除静电斥力. 外加高分子有机絮凝剂则主要通过吸附架桥原理起作用: 链状高分子物质(少数情况也可能是无机絮凝剂形成的大胶粒)在静电引力、范德华力和氢键力的作用下，一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附了另一胶粒，从而把不同的胶粒连接起来而形成絮体(图 1). 生物絮凝剂和EPS诱导的自絮凝则可能是通过Lewis酸-碱水合作用力中的疏水引力及吸附架桥原理的综合作用实现絮凝. 投加絮凝剂形成的沉淀物和絮体等还可通过网捕和卷扫等物理作用进一步促进藻细胞的絮凝沉降.