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摘要：基于藻类生物膜技术的污水处理设备是一种基于藻膜生物反应器技术的设备，因具有能耗低、易操作、成效高、可回收等优点被广泛应用。文章对藻膜污水处理设备的分类、主要组成部分、优缺点进行了概述，重点分析了藻膜污水处理设备技术原理、影响因素和应用现状，并预测了未来优化方向，以期为藻膜技术在污水处理中的推广应用提供参考。
关键词：藻类生物膜；污水处理设备；应用现状；生态环保
0引言
随着我国经济的快速发展及生态环境保护力度的不断增强，国务院发布的《水污染防治行动计划》明确要求到2030年，我国城市黑臭水体应总体得到消除。一些地方的水体污染如果得不到及时治理，很快就会变为黑臭水体，将会增加治理难度[1]。因此，水污染治理工作刻不容缓，如何减轻水体污染程度已经成为一些地方政府当今的重大课题。
藻类生物膜是藻类在静电作用力或者胞外分泌物的粘附作用下附着在载体表面所形成的，在藻类固定化基础上发展起来的对污水中的氮磷和重金属都有较好去除效果的污水处理技术[2]。本文介绍了藻膜污水处理设备概况及其优劣势，综述了应用现状，并对其未来优化方向进行了展望，以期为藻膜技术在污水处理中的推广应用提供参考。
1藻膜污水处理设备概述
1.1定义
藻膜污水处理设备是一种基于藻膜生物反应器技术的设备，是生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新工艺。利用细菌与微藻协同作用机制、藻体强耐受能力及生物质高效资源化，可同步实现水中污染物的有效去除与微藻生物量收获。
1.2分类
按工艺可分为单一藻膜处理设备和组合工艺处理设备，单一藻膜处理仅采用藻类进行污水处理，而组合工艺处理设备则结合了其他处理技术，如生物反应器、膜分离等；按反应器可以分为固定床反应设备、流化床反应设备和悬浮式反应设备等，固定床反应设备中藻类固定在载体上，流化床反应设备中藻类在流体中悬浮生长，悬浮式反应设备中藻类在反应器中自由悬浮；按膜组件可以采用不同类型的膜组件，如中空纤维膜设备、平板膜设备、管式膜设备等；按应用场景可以分为城市污水处理、工业废水处理、农村污水处理等不同领域。
1.3主要组成部分
藻膜污水处理设备主要由膜生物反应器、膜组件、曝气系统、搅拌系统、控制系统等组成。生物反应器是藻膜污水处理设备的核心部分，通常采用圆柱形或矩形的封闭式反应器，内部装有菌藻和污水。曝气系统是藻膜污水处理设备的重要组成部分，通常采用鼓风机或空气压缩机将空气注入反应器中，为藻类提供氧气，同时也起到搅拌污水的作用。搅拌系统是藻膜污水处理设备的辅助部分，通常采用搅拌器或螺旋桨，搅拌污水，使其均匀分布，促进藻类的生长和代谢。控制系统是藻膜污水处理设备的重要组成部分，通常采用可编程序逻辑控制器(PLC)或分散控制系统(DCS)系统，实现设备的自动控制和监测，保证设备的稳定运行和处理效果。
1.4优劣势
与其他污水处理方法相比，藻膜污水处理具有能耗低、易操作、成效高、可回收等优点。但也存在基建投资高、膜污染、藻种选择和培养要求较高、进水水质浓度过高过低或剧毒会影响藻膜生长、氧气供应和气泡控制不佳影响处理效果和膜的稳定性等缺点[3]。
2藻膜污水处理设备技术
2.1脱氮除磷
氮磷是藻类生物量的主要组成元素之一，其中，氮的含量占藻生物量的1%～10%，磷占0.5%～3.3%，藻类生物膜对污水中氮、磷的吸收主要通过光合作用来实现，如反应式(1)所示：
106CO2+16NO3-+HPO-+122H2O+18H+→C 106H263O 110N 16P+138O2(1)
其作用原理如图1所示，对氮的去除主要通过三个途径：氮(NO3--N、NO2--N、NH3-N)在各种生物酶的作用下转化为最易被吸收的氨氮，与藻细胞中的有机酸反应生成各种蛋白质和氨基酸等营养物质，用于藻类生长繁殖；当污水的pH值呈碱-N转化为氨气挥发掉；有些简单的有机氮(尿素、氨基酸等)可以直接被藻细胞吸收用于生长繁殖，但是藻类一般不能直接利用复杂的有机氮化合物。
磷的去除主要通过两个途径：当污水呈碱性时，磷(PO--P、HPO--P、H2PO4--P)可以与水中的金属离子(Ca2+、Mg2+)形成沉淀沉于河底，通过河道清淤去除；磷通过多种磷酸化途径，如底物磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化，转化为藻类生长所必需的能量ATP、磷脂、核酸等营养物质，供给藻类生长。
2.2吸附重金属
目前，藻类生物膜去除重金属的机理还处于初步研究阶段，通常认为藻细胞主要通过两个途径对重金属进行吸附：(1)内部吸附。藻细胞先将重金属吸附于细胞壁上，然后再通过细胞的主动运输将其送到细胞内部。(2)外部吸附。藻细胞会分泌大分子胞外聚合物，这种聚合物会和金属发生络合反应，从而降低污水中的重金属浓度。用鞘藻生物膜处理废水中的Zn2+并对鞘藻去除Zn2+的动态试验及其机理进行了研究，通过对吸附后的生物膜样品进行了扫描电镜SEM观察和红外光谱分析FT-IR，发现重金属离子浓度高时能够刺激藻细胞分泌更多的胞外大分子聚合物，这些聚合物可以和重金属离子发生络合反应从而去除污水中的重金属离子。
3藻膜设备污水处理影响因素
3.1内部因素
3.1.1生物膜反应器的种类
藻类生物膜反应器是在反应器中添加各种填料，以便藻类附着生长时在填料上形成一层由生物构成的类似于膜的结构。随着藻类生物膜技术在污水处理领域的广泛应用，不同类型的生物膜反应器应运而生，它不仅优化了藻类生长状况而且提高了污染物的去除效果，如表1所示，列举了几种常用的藻类生物膜反应器的优缺点。
由表1可以看出，藻类生物膜反应器的研制由开放式到封闭式一直在不断发展中。总体来说，封闭式反应器要优于开放式，诸多封闭式反应器中，气升式反应器克服了许多其他反应器的局限性，对污染物去除效果更佳，应用也更广泛。
3.1.2微藻种类
不同的藻种对污染物的吸收速率和吸纳量各不相同，优选出对污染物吸收利用率高的藻种对藻类生物膜污水处理技术的发展至关重要。目前，国内外常用于污水处理的微藻主要包括小球藻、栅藻、螺旋藻、鱼腥藻等。研究表明小球藻除了能够进行光能自养外还能利用有机碳源进行混合营养，具有较高污染物去除速率和较大的生物量产率，是应用最广泛的挂膜藻种之一；相同条件下固定化小球藻、栅藻、鱼腥藻的净水能力对污水中的氮去除效果较好，栅藻对磷具有较高的去除效率。
3.1.3载体
载体的种类及表面化学结构对净水能力的影响也十分重要。应该选择对藻类吸附能力强、吸附负载大而且可以反复使用的材料作为生物膜的挂膜载体。常用的挂膜载体有棉质材料、尼龙材料、天然纤维材料、塑料板和高分子聚合物等[4]，各种材料的挂膜效果存在明显差异。研究发现，高分子聚合物载体与尼龙、棉质材料载体相比，脱氮除磷效果更佳，NH-N去除率达到90%，总磷(TP)去除率为70%～76%。
3.2外部因素
3.2.1污水的成分
酸碱度和营养组成对藻类的生长繁殖产生影响。过酸过碱的污水都不利于微藻生长，微藻生长繁殖的最适pH值略微有所差别，在pH值为6～8范围内大多数微藻生长状态最佳。污水营养组成对藻类净水能力2PO4--P含量高的污水更利于藻类的生长，因为NH-N和H2PO4--P是藻类生长最易吸收利用的氮源和磷源。污水中含有高浓度有机碳源，如葡萄糖、淀粉等，更利于藻类生长，因为藻类除了利用CO2、HCO3-等无机碳源进行光合自养外，有些微藻也能利用有机碳源进行混合营养或异养。
3.2.2污水流速
污水流量及流速会影响藻类生长状态和挂膜效果。污水流量或流速过大时，会减小藻类和载体的相互作用力，把固定藻转化为半悬浮藻，降低微藻的净水能力。龙天渝等[5]研究发现流量对河段的藻类密度和质量净增量有显著影响，水流量较小时，利于藻类生长，污水流速过大时，藻类密度及质量净增量明显减少。
3.2.3光照和温度
光照和温度都是影响藻类生长的重要因素。光照直接影响光合作用，温度主要影响酶的活性。在一定条件下，绿藻的生长速率由光照和温度共同决定，连续光照条件下，绿藻在20℃细胞生长周期是30℃的2倍以上，每个藻细胞的DNA、RNA和体积蛋白含量大约也是呈2倍关系。
4藻膜污水处理设备应用现状
藻类分布广泛、种类繁多、数量庞大、对环境适应能力强等优点，决定了它能在低透明度、弱光照强度、污染严重的各类水体中生存，这就拓宽了藻膜污水处理设备的应用领域。研究表明藻类生物膜技术被应用于处理不同类型的污水，如城镇生活污水、工业废水、农业废水，并取得了一定成效。
随着我国城镇化进程的加快，城市人口剧增，城镇生活污水的排放量也随之增加，这不仅影响水环境质量还会影响城镇的可持续发展，利用藻类生物膜处理城镇生活污水具有非常重要的现实意义。研究发现生物膜反应器(RAB)处理城市污水，RAB对TP和TN的去除率分别达到80%和87%，的去除率达到100%；将藻类生物膜(AB)与微生物池(MFC)相结合设计了一种新型藻类微生物系统(ABMFC)，并用它处理生活污水，发现ABMFC对COD、TN、TP的去除率分别达到80.2%、96.0%、91.5%，去除效果优于AB和MFC。
随着工业快速发展，越来越多的水被应用于工业生产中，如皮革厂、淀粉厂、制药厂等，这些工厂生产过程中都会产生有机物和氮磷含量高的废水，若处理不善将会污染水环境。研究发现造纸厂废水可以有效地用于微藻的培养，当废水浓度为60%时，栅藻生物量达到最大；用藻类光生物反应器和微生物池连用技术对制药厂的废水进行处理，再将产物用于燃料电池的研究，结果发现最终COD去除率达到97.24%，TN和TP去除率达到97.12%和93.71%，燃料电池的最大电压是745.96 mV。
农业废水主要来自养殖业。随着人们生活水平的提高，人们对畜禽类产品需求量的增大促进了养殖业的飞速发展，养殖废水的排放导致水环境污染现象突出，藻类应用于养殖废水处理的研究也随之产生。研究人员研发了一种高效的藻类生物膜光反应器对猪粪废水进行深度处理，其对废水中的COD、TP、TN和的去除率分别为95.67%、64.40%、69.55%和91.2%；利用藻类—细菌生物系统对水产养殖废水进行处理，对氮、磷的去除率分别为88.5%和99.8%。
5藻膜污水处理设备发展方向
藻膜污水处理设备的发展将朝着高效、智能、资源回收利用、模块化和可扩展性等方向发展，以满足不断增长的污水处理需求和环保要求。
5.1高效节能
随着能源成本的不断上升，藻膜污水处理设备将越来越注重节能和高效运行，设备将采用更加先进的技术，如优化膜材料和膜组件、藻种选择和培养等，以提高处理效率并降低能耗。
5.2智能化
智能化技术将广泛应用于藻膜污水处理设备中，实现设备的自动化控制和远程监控，通过实时监测和数据分析，可优化设备运行，提高处理效果，并降低运营成本。
5.3资源回收与利用
未来的藻膜污水处理设备将更加注重资源的回收和利用，例如通过膜分离技术可以回收污水中的有用物质，如氮、磷等营养元素，实现资源的再利用。
5.4模块化和可扩展性
藻膜污水处理设备将采用模块化设计，便于设备的组装、拆卸和维护。同时，设备应具备可扩展性，以便根据不同的处理需求进行灵活配置。
6结语
藻类生物膜技术是一种经济且高效的污水深度净化手段，基于该技术的污水处理设备展现出能耗低、成本低廉、耐冲击负荷能力强、运行稳定可靠以及操作简便等诸多优势。这些特点使得藻类生物膜技术在我国污水处理领域的应用前景极为广阔。随着相关研究的不断深入和技术的持续完善，该技术将变得更加成熟，进而带来更加显著的环境效益与经济效益。
参考文献：
[1]惠亚梅，王建军.基于全国城区黑臭水体现状探究综合治理方案[J].环境与发展，2019(12)：28-31.
[2]贾翔.菌藻生物膜形成机制与污染物去除作用研究[D].吉林：吉林建筑大学，2023.
[3]王森.污水处理中影响MBR膜工艺运行的因素及膜工艺的优缺点[J].化工管理，2022(5)：131-133.
[4]孙广垠，安恩方，刘勇.不同生物膜载体净化微污染水挂膜及处理效果研究[J].给水排水，2017，43(6)：48-53.
[5]龙天渝，刘腊美，郭蔚华.流量对三峡库区嘉陵江重庆主城段藻类生长的影响[J].环境科学研究，2008，21(4)：104-108.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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基于藻类生物膜技术污水处理设备的应用论文
人参与 2024-12-10 11:09:04 分类 : 管理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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