高效藻类塘氮磷去除机理的研究进展

高效藻类塘氮磷去除机理的研究进展 第7卷第8期 2006年8月 环境污染治理技术与设备 TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl VO1.7.No.8 Aug.2006 高效藻类塘氮磷去除机理的研究进展 何少林黄翔峰乔丽李旭东陈广安丽杨殿海周琪 (1.同济大学环境科学与3-程学院,上海200092;2.华中科技大学武昌分校城市建设 系,武昌430064) 摘要首先介绍了高效藻类塘的发展历史和特点,其次简述了高效藻类塘的生物特 性和物理化学变化规律,并重点 论述了高效藻类塘的氮磷去除机理及其影响因素,最后对高效藻类塘在控制非点 源污染中的应用前景进行展望. 关键词高效藻类塘氨氮挥发硝化作用化学沉淀 中图分类号X703.1文献标识码A文章编号1008—9241(2006)08-0006-06 Researchprogressontheremovalmechanisms ofnitrogenandphosphateinhighratealgalponds HeShaolinHuangXiangfengQiaoLiLiXudongChenGuangAnLiYangDianhaiZhouQi (1.SchoolofEnvironmentalScience&Engineering,Ton~iUniversity,Shanghai200092; 2.DepartmentofUrbanConstruction,HuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuchangBranch,Wuchang430064) AbstractInthispaperthehistoryandcharacteristicsofhighratealgalpondsarefirstlyintroduc ed.Then thebiologicalcharacteristicsandtheruleofphysicochemicalchangesinhighratealgalponds arepresented.Fur— thermore,theremovalmechanismsofnitrogenandphosphateandinfluencingfactorsinhighr atealgalpondsare especiallydiscussedandsummarized.Finallythefeasibilityofusinghighratealgalpondtoco ntrolthenon—point pollutionisdicussed. Keywordshighratealgalpond;ammoniavolatilization;nitrification;chemicalprecipitation 高效藻类塘(highratealgalpond,简称HRAP) 是美国加州大学伯克利分校的Oswald等人在20世 纪50年代末提出并发展的.高效藻类塘是在 传统稳定塘的基础上发展起来的一种改进形式,它 更加强化利用藻类的增值来产生有利于微生物生长 和繁殖的环境,形成更紧密的藻一菌共生系统,同时 创造一定的物化条件,达到对有机碳,病原体,尤其 是氮和磷等污染物的有效去除. 高效藻类塘不同于传统稳定塘的特征主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现 在以下3个方面: (1)水深浅,通常稳定塘的深度在0.5,2.0m 之间,而HRAP的深度则控制在0.3,0.6m; (2)连续搅拌推进,促进污水与藻类的混合,避 免污泥在塘内的淤积; (3)停留时间短,高效藻类塘的平均停留时间一 般为4,10d,较一般稳定塘的停留时间短. 在20世纪60年代初由Oswald在美国建造第 一 座高效藻类塘以来,因其对氮和磷的去除效率高, 能承受较高的负荷,占地面积少,加之在土建和运行 成本上并无明显增加,藻类产物又可创造经济效益, 如作为肥料,发酵,动物饲养,制药和颜料等原料,受 到越来越多专家的关注,并相继对高效藻类塘展开 了广泛的研究.在德国,法国,新西兰,以色列,南 非,新加坡,印度,玻利维亚,墨西哥和巴西等国家先 后有了高效藻类塘的应用,并取得了良好的运行效 果川]. 1高效藻类塘生物特性与物理化学变化 高效藻类塘既然属于塘系统的一种,自然具有 藻菌共生这一塘系统所具有的基本生物特点.但更 重要的是,由于藻类在高效藻类塘中的大量繁殖,其 作为一种生物载体不仅为细菌提供了大量的附着环 境,而且藻类的光合作用也为细菌提供了充足的溶 解氧,保证了好氧细菌的生长环境;细菌在藻类提供 的友好环境中大量繁殖,其呼吸作用也为藻类提供 资助项目:国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 "863"项目(2002AA601012) 收稿日期:2005—05—04;修订日期:2005—11—14 作者简介:何少林(1977一),男,博士研究生,主要研究方向:非点源 污染控制技术.E—mail:heshaolin@yahoo.com.cn 第8期何少林等:高效藻类塘氮磷去除机理的研究进展7 了充足的碳源二氧化碳,使高效藻类塘内形成了更 紧密的藻菌共生系统.也正因为藻类的大量繁殖, 其独特的昼夜变化生物特性和季节更替使高效藻类 塘内pH值和DO值等物理化学性质呈现明显的昼 夜变化规律和季节变化规律,从而使高效藻类塘在 氮磷去除方面相应呈现生物和物化方法相结合的 特点. 1.1高效藻类塘中的藻菌共生系统 高效藻类塘为藻类和细菌创造了更适宜的生长 环境,藻菌共生关系得以强化.Oswald【12] 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 得出 的高效藻类塘内藻类光合作用的方程式: 106C02+236H20+16NH4++HPO一—} C106H181045N16P+11802+171H20+14H(1) 藻菌共生系统最基本的生态功能单元是藻菌共 生体,藻菌体的种类和数量,决定着污水处理系统中 能量的流向和食物链的基本结构[131.Gideon等] 对高效藻类塘中的藻菌比进行1年的监测后指出, 塘中的藻菌比为1:100或更高,细菌密度约1011 个/L. 藻类和细菌虽然存在着密切的互惠互利的关 系,但同时也存在竞争和拮抗作用. 1.2高效藻类塘内的物理化学变化 在藻类的参与下,塘内的物理化学性质具有一 定的独特规律,主要表现为pH值和DO值的昼夜 变化. 1.2.1pH值的变化 高效藻类塘内pH值的变化主要受藻类和细菌 生理活动的影响,藻类的光合作用使pH增加,藻类 和细菌的呼吸作用以及硝化细菌的硝化作用使pH 值减小.这些反应都是通过左右水体中的CO一 HCO3-一c0;一平衡式来改变pH值的.Henderson— Hasselbach方程揭示了CO一和HCOj的比值大小 与pH值的关系?: pH=pK2+log(CO;一/HCO~) 式中:pK在通常情况下约等于10.3. 在白天,藻类光合作用消耗二氧化碳速率远大 于藻类和细菌呼吸作用产生二氧化碳的速率,平衡 的综合效应,CO;一/HCO~值增大,pH值上升;在夜 间,光合作用停止,仅有呼吸作用耗氧,CO:一/HCO; 值减小,pH值降低.因此在藻类充分繁殖的高效藻 类塘内,pH存在明显的昼夜变化规律.晴朗的夏季 正午14:00左右,pH值可达到10—11_4']. 1.2.2DO值的变化 高效藻类塘不同于普通稳定塘的特征之一就是 白天高效藻类塘内溶解氧的浓度远远高于普通稳定 塘.这和高效藻类塘内藻类的大量繁殖密切相关. 影响高效藻类塘内溶解氧的因素主要是藻类光合作 用和呼吸作用的强弱交替,细菌的呼吸作用和大气 复氧作用. 在白天光合作用强烈时,藻类产生氧气,因其速 率较呼吸作用,硝化作用等快得多,塘内溶解氧浓度 上升;在夜间由于呼吸作用等继续耗氧,又没有新的 氧源补充,溶解氧浓度下降.因此,在高效藻类塘内 DO值也存在明显的昼夜变化规律.法国Picot 等?钊在1989年6月对高效藻类塘的昼夜变化研究 中曾测得白天DO…为35mg/L,夜晚DO则降至0. 2高效藻类塘氮磷去除机理及影响因素 高效藻类塘对氮和磷的去除存在直接作用和间 接作用2个过程.直接作用是藻类对氮和磷的同化 吸收;间接作用是指藻类大量繁殖致使塘内pH升 高,从而促使氨氮以气态形式挥发以及磷酸盐与钙, 镁等离子形成沉淀.藻类同化吸收的氮和磷可通过 后续除藻将其从水中彻底去除.目前,这种生物直 接作用和物化间接作用共同去除污水中氮和磷的观 点都基本得到认可,但对于哪种作用占优尚存在 争议. 2.1高效藻类塘氮去除机理 高效藻类塘对氮的去除主要是藻类同化吸收和 氨氮挥发.塘内由于溶解氧较高,也有硝化现象发 生;虽然硝化作用对氮的去除没有直接贡献,但其消 耗塘内的NH4+,与氮的去除密切相关. 2.1.1藻类同化吸收 藻类生长的最主要氮源是氨氮.McCarthy 等在1977年指出浮游植物利用各种形式氮的优 先顺序为氨氮>有机氮>硝酸盐>亚硝酸盐.藻类 摄取水中的氨氮,通过光合作用合成细胞所需要的 氨基酸等物质.从Oswald建立的藻类同化吸收表 达式即式(1)可以看出,合成1个分子的细胞体,需 要16分子的氮.根据分子式,氮占藻类无灰干重的 9.22%,如果将藻类的灰分考虑在内的话,氮的含量 也大于8%. 藻类利用氨氮合成细胞的过程实际上是氨氮转 化为有机氮的过程,使出水中颗粒性的有机氮含量 增加,所以后续除藻对高效藻类塘内氮的彻底去除 8环境污染治理技术与设备第7卷 起着非常重要的作用??... 2.1.2高pH值下的氨氮挥发 高效藻类塘内pH值较高,兼有搅拌浆提供了 更大的气水交换界面,使氨氮以气态自水中逸出,达 到了氨氮大量挥发的效果.Konig等报道,在高 效藻类塘中,pH为9时,水中的40%氨氮以气态形 式去除;pH为10时,80%的氨氮以气态形式去除. Picot等对高效藻类塘的pH,氨氮去除率进行连 续2昼夜监测后发现,在13:00,15:00之间池中 pH高于9,氨氮的去除率达到94%.夜晚,光合作 用停止,pH降至8.6,氨氮的去除率明显下降.对 数据进行分析后显示,氨氮的去除率与pH呈现显 着相关(P<0.1%). 关于藻类吸收和氨氮挥发哪个在高效藻类塘氮 去除中占优的问题,多数研究者都认为以氨氮挥发 为主,藻类同化吸收为次.Picot等在高 效藻类塘的研究中发现塘内冬季和夏季分别有 36.1%和46.3%的氮从系统中"损失",此部分氮的 变化源于氨氮的挥发,并认为氨氮的挥发是高效藻 类塘去除氮的主要过程;Shelef等的研究结果也 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了在氮的去除中氨氮挥发占优.而Garcfa 等在对2组高效藻类塘的研究中发现停留时间 短的一组高效藻类塘藻类吸收的氮占总氮的33%, 而氨氮挥发占总氮的32%,略小于藻类吸收量;停 留时间长的另一组藻类吸收的氮占总氮的35%,氨 氮挥发占总氮的47%. Garcfa等还认为,污水进入高效藻类塘后,在时 间顺序上首先是藻类吸收氮,然后才是氨氮的挥发. 到底哪个在氮的去除中作用较大取决于进水中的总 氮浓度和控制藻类生长的环境变量.例如在进水总 氮浓度低,太阳辐射强,温度高和适当停留时间的环 境条件下,藻类对氮的吸收作用会限制氨氮的挥发. 如果在藻类吸收和氨氮挥发后,氨氮仍有剩余,将会 发生硝化反应. 2.1.3硝化作用 Nurdogan_】副认为,在高效藻类塘中,由于高pH 值和DO的昼夜变化使得硝化细菌难以生存,故硝 化现象很少发生.Picot等和Shelef等在高效 藻类塘的研究中也未发现有硝化现象产生. 但Garcfa等,Cromar等,G6mez等以 及陈鹏在对高效藻类塘的研究中均出现硝化现 象或不完全硝化现象(亚硝氮积累).究其原因,Pi— cot等所研究的高效藻类塘中pH和DO变化异常 显着,pH值约在8,10之间,DO值则在0, 35mg/L呈现昼夜变化.在这种环境条件下,硝化 细菌生长的可能性非常小.而Cromar等所研究 的高效藻类塘中DO值在6,10mg/L之间,pH值 在7.4,10.8之间,相比之下,较适合硝化细菌生 长.Garc~a等和陈鹏所遇情况也与Cromar相 似.Cromar在研究期间还发现高效藻类塘出现不完 全硝化现象.过量亚硝氮的出现可能是因为硝 化菌和亚硝化菌的不平衡造成的,这种现象通常在 较高温度下出现,可能源于硝化菌对光辐射增加的 敏感性强于亚硝酸菌的结果. 另外,Nurdogan等?5指出,正磷酸盐和氨氮可 以生成沉淀物如CaNHPO和MgNHPO.但目前 尚未发现相关实验和资料证明此观点. 2.2高效藻类塘磷去除机理 高效藻类塘对磷的去除主要是藻类同化吸收和 化学沉淀. 从Oswald建立的藻类同化吸收表达式即式(1) 计算可得藻类同化吸收的磷占细胞干重的1%.关 于藻类同化吸收磷的计算,Mespl~等按照藻类含 磷量与叶绿素a之比为2.33,3.5gP/gChla,通 过测定叶绿素a的浓度计算藻类同化吸收磷的量; Mespl~等的计算结果显示,按最小值2.33gP/g Chla计算而得的藻类吸收磷的量大于沉淀的磷酸 盐.而且Mespl~等副建立高效藻类塘除磷模型,2 年的模拟数据显示,只有10%的磷酸盐通过沉淀得 以去除,30%的磷酸盐通过藻类吸收去除.因此, Mespl~等认为高效藻类塘对磷的去除是以藻类 同化吸收为主. 但是,大多数研究者的结论与Mespl~等相 反,他们认为化学沉淀较藻类同化吸收更重要. 化学沉淀主要是由磷酸盐沉淀引起,即与水体中的 某些阳离子如Ca",Mg等发生协同沉淀,从而从 水中去除.这个过程受pH和阳离子浓度的影响. Picot等?对高效藻类塘的pH,磷酸盐去除率进行 连续2昼夜监测后发现,在13:00,15:00之间池中 pH高于9,磷酸盐的去除率达到89%.夜晚,光合 作用停止,pH降至8.6,磷酸盐的去除率明显下降. 对数据进行分析后显示,磷酸盐的去除率与pH呈 现显着相关(P<0.1%).Moutin等对现场实验 数据pH和磷酸盐进行指数回归分析后发现,pH值 和磷酸盐浓度之间的关系为[PO].=2035× 10..?唧",其中r=0.69,显示有69%的磷酸盐变化 第8期何少林等:高效藻类塘氮磷去除机理的研究进展9 可以由pH的变化来解释;Moutin等叫认为如果污 水中钙离子含量高,则pH决定了磷酸盐的去除率; 如果污水中钙离子含量低,则钙离子决定了磷酸盐 的去除率.Craggs等p所研究的高效藻类塘对磷 的去除效果较差,并认为此种现象可能源于污水中 钙镁离子浓度太低的缘故.Doran等指出在去除 的磷中,只有10%源于藻类吸收,其他都是通过沉 淀去除的. Moutin等根据Goherman等提出的分析 方法对高效藻类塘内的沉淀进行分析,发现沉淀中 的磷浓度为60mgP/g干重,其中92%为含钙磷酸 盐,3.9%为含铁磷酸盐,3.1%为有机磷,0.3%为溶 解性磷酸盐,证实了高效藻类塘沉淀中主要是含钙 磷酸盐的观点. 但关于含钙磷酸盐主要是以何种化合物形式沉 淀,许多研究者在理论分析上都认为磷的去除主要 归结于Ca(PO),OH的沉淀,因为在所有的磷酸盐 中,此物质的溶解度最小.而Sukenik等和 Moutin等..针对沉淀物质的研究分别提出了各自 的分析方法. Sukenik等研究了不同pH值对沉淀物的影 响,利用显微镜观察到沉淀物为非晶质或杆状微晶 体,并使藻类细胞凝聚成肉眼可见絮体;沉淀物聚集 于藻类细胞多刺部位,与藻类细胞紧密结合并通过 架桥方式将藻类细胞凝聚成团.Sukenik还通过能 量分散x射线分析仪(energydispersiveX-rayanaly- zer) 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到沉淀中含磷和钙,认为将藻类细胞凝聚 在一起的沉淀物质为磷酸钙,而且Ca:P(原子个数 之比)随pH值不同在1.07—1.34范围内变化;在 pH8.5条件下搅拌24h得到的沉淀Ca:P为1.34, 这与caH(PO),的值几乎相等.虽然 Ca(PO)OH在热力学上是最稳定的磷酸钙固体, 但多数自然形成的磷酸钙沉淀相对更易溶解,在结 构上与Ca(PO),OH不同.许多研究认为,这 种变化是由于杂质离子的替代,沉淀时间短以及超 饱和条件引起的.这些因素可能导致了凝聚藻类细 胞的"非晶质"磷酸钙的形成,使沉淀的Ca:P低于 Ca5(PO4)3OH,接近Ca4H(PO4)3. Moutin等则认为,高效藻类塘内的磷酸盐浓 度随pH值(7.5—10)的升高而显着降低,表明含钙 磷酸盐是一种在pH值为7.5—10时变化显着的物 质.在对4种含钙磷酸盐Ca(PO)OH, Ca3(PO4)2,CaHPO4?2H20和Ca4H(PO4)3的溶度 进行分析后发现,Ca,(PO):在pH为7.5—10之间 的溶度变化与现场高效藻类塘的结果吻合,说明沉 淀中含钙磷酸盐主要为Ca(PO). 2.3高效藻类塘氮磷去除的影响因素 高效藻类塘对氮磷的去除主要是藻菌共生系统 的直接和间接作用.因此,影响藻菌的生长和繁殖 的因素都会对高效藻类塘氮磷的去除产生不同程度 的影响,其中主要的影响因素有温度,光照和进水水 质等非生物因素以及水深,水面面积和停留时间等 系统运行因素. 2.3.1温度和光照 温度和光照是藻生长的重要因子.不同藻类有 不同的适宜温度,但对于大多数藻类来说,它们的最 适宜温度为18—25?.在温度一定时,光合作用速 率随光强度的增加而增加,在达到饱和光强度后,如 果光强度再提高,将产生光抑制现象,光合作用速率 反而下降. 通常情况下,在温度和光照条件较好的春夏季, 高效藻类塘的氮磷去除效率较高,秋冬季氮磷去除 效率较低.因此,秋冬季可通过适当延长停留时间, 维持塘内较高的藻类浓度,提高氮磷的去除效率. Cromar等口刮提出以日长(daylength)代替温度 和光照作为衡量高效藻类塘性能的影响因素之一. 日长结合了温度和光照,可更精确的反映这些参数 与藻类生物量的关系.并在对日长和氮磷去除率的 研究中发现,日长在12—16h之间时,氮磷的去除 率均有不同程度下降. 2.3.2进水水质 Cromar等研究了C:N:P和COD负荷对高 效藻类塘性能的影响.研究结果显示,低C:N:P或 低COD负荷有利于硝化作用,但对总氮的去除没有 显着作用;高COD负荷或高C:N:P提高了高效藻 类塘中藻类的浓度,使总磷和COD的去除效率增 加. 2.3.3水深和水面面积 Picot等对3组停留时间和水面面积相同但 水深不同的高效藻类塘进行了对比研究.3组高效 藻类塘的水深分别为0.3In,0.45in和0.6In.研究 显示,在夏季0.6In水深的高效藻类塘对氮和磷的 处理效率最佳;在冬季0.45In水深的高效藻类塘对 氮和磷的处理效率最佳;从年平均值来看,0.6In水 深的高效藻类塘在TP和KN的处理效率上最好, 0.45In水深的高效藻类塘在PO和NH处理效率 1O环境污染治理技术与设备第7卷 上则占优. 而Craggs等对2组进水流量和有效容积相 同但水深和水面面积不同的高效藻类塘进行2年的 对比研究后发现,2组高效藻类塘在性能上的差异 甚微. 2.3.4停留时间 Garcia等和Cromar等分别研究了停留 时间对高效藻类塘氮磷去除的影响.研究结果均显 示,在其他条件均相同的情况下,停留时间决定了氮 的去除效率和出水中各种形式氮的比例,停留时间 长,则出水中无机氮浓度偏低,氨氮挥发的比例大, 总氮去除率高.同时,延长停留时间也可以提高总 磷的去除效率,减小出水中磷酸盐的比例,而且停留 时间对磷去除的影响在低辐射,低温度的冬季更加 显着. 3高效藻类塘控制非点源污染的应用前景 随着各国政府对点源污染控制的重视,点源污 染在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制 和治理,而非点源污染由于涉及范围广,控制难度 大,目前已成为影响水体环境质量的重要污染源. 我国非点源污染主要发生在经济相对落后的农村或 郊区,其中农村生活污水是非点源污染的主要组成 部分.因此,为了实现对非点源污染的有效控制,对 农村生活污水进行集中或分散处理已迫在眉睫. 高效藻类塘系统不仅氮磷处理效率相对普通稳 定塘高,而且投资省,维护管理简单,非常适合在经 济相对落后,缺乏环保专业人员的农村地区用于农 村生活污水的集中处理及回用.该系统无噪音,无 臭气,可以邻近农户住宅而建,不仅不占用耕地,还 可使村庄居住区内的闲置或废弃土地得到有效 利用. 目前,同济大学已在宜兴市大浦镇洋渚村建立 了一套处理农村生活污水的高效藻类塘系统,取得 了良好的初期运行效果,初步表明了该系统在农村 地区的适用性.当然,仍需大量的后续研究来完善 该系统,使其在农村地区实现长效可靠运行,从而达 到有效控制非点源污染的最终目的. 参考文献 Ind.Biotechno1.,1963,4:112—119 [3]陈鹏.高效率藻类塘处理城市污水的研究[硕士学位论 文].上海:同济大学,2001 [4]PicotB.,HalouaniH.E.L.,eta1.Nutrientremovalby highratepondsysteminaMediterraneanclimate (France).Wat.Sci.Tech.,1991,23(7):1535—1541 [5]PicotB.,BahlaouiA.,eta1.Comparisonofthepurifying efficiencyofhighratealgalpondwithstabilizationpond. 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