工艺技术 美国农村污水高效藻类塘处理技术

1、技术简介

高效藻类塘(High Rate Algal Pond，简称 HRAP) 由美国加州大学Oswald和 Gotaas 等人在20 世纪 50 年代提出并发展而来。其基于传统稳定塘形式，强化利用藻类增殖产生有利于微生物生长和繁殖的环境，形成紧密的藻菌共生系统，达到对水体中有机碳、病原体、氮、磷等污染物进行有效去除。

与传统生物处理技术相比，该技术具有投资少、运行成本低等优点，在土地资源丰富而技术水平落后的农村地区具有较大的推广价值。目前，高效藻类塘在美国、德国、法国、新加坡、墨西哥、巴西、以色列等国家得到了广泛应用。在我国，该技术自2000年以来受到较快地发展，除了应用在污水处理领域，在水产养殖行业也得到一定应用和推广。




2、典型工艺参数

高效藻类塘一般分成多个处理单元，通过菌藻共生系统逐级对来水净化。与传统稳定塘相比，高效藻类塘典型工艺特征如下：

1）高效藻类塘水深较浅，一般为0.3~0.6m。传统稳定塘的深度根据其类型，深度一般0.5~2 m；

2）塘体进水廊道中，设置有垂直于水流方向的连续搅拌装置，促进污水完全混合并调节溶氧和CO2浓度；

3）停留时间短。一般为4~10天（冬季相对较长），比一般稳定塘停留时间短7~10倍；

4）多个处理单元。高效藻类塘分成若干个狭长廊道，宽度较窄，逐级处理。




3、工艺核心——菌藻共生系统

高效藻类塘是传统稳定塘的一种改进形式，具有藻菌共生这一稳定塘系统所具有的基本生物特点。藻类塘中常见优势藻种为衣藻属、栅藻属和小球藻属等淡水绿藻，通过藻类大量繁殖，可为细菌提供充裕的附着空间及溶解氧，创造好氧细菌的适宜环境；细菌在此环境中大量繁殖，其呼吸作用又为藻类提供了充足的二氧化碳等碳源，使高效藻类塘内形成了紧密的藻菌共生系统。

高效藻类塘对污染物的去除主要也是通过藻菌的共同作用而完成，即藻类和细菌两类生物之间在生理功能上产生协同作用。废水中的有机物由好氧细菌氧化分解为小分子的无机物，同时产生大量CO2；而藻类则以阳光为能源，CO2为碳源，氨氮为氮源，通过藻细胞中叶绿素的光合作用合成新的藻类细胞，并释放大量O2，供细菌循环降解有机物，达到净化水质的目的。

Oswald分析得出高效藻类塘内藻类光合作用的方程式如下：

106CO2+236H2O+16NH4++HPO42-

→  C106H181O45N16P+ 118O2+171H2O+ 14H+

上式表明，每合成1 mol的藻类细胞，需消耗106 mol的CO2，并伴随着118 mol的O2产生。即在光合作用的过程中每单位重量的藻类细胞可产生1.55单位重量的O2。

4、理化特征

明显强化的藻菌共生系统极大提升了污染物的同化吸收过程，其显著的物理化学特点是使得高效藻塘内的 pH 与 溶解氧（DO）呈现明显昼夜变化。

pH变化主要由水体中的 CO2-HCO3--CO32-平衡式来主导。




Henderson-Hasselbach方程揭示了CO32-和HCO3-的比值大小与pH的关系，如下：




白天藻类通过光合过程消耗CO2的速率更大，在平衡式体系中，CO32-/HCO3-变大，pH升高。夜间藻类和细菌呼吸作用产生CO2的速率更大，在平衡式体系中，CO32-/HCO3-减小，pH降低。另外，冬季低温抑制藻类生长，高效藻类塘内pH变化幅度较小；而夏季温度较高且光照强度大，有利于藻类快速生长，由于光合作用加剧，CO2的消耗速率提高，夏季塘内pH普遍较高且变化幅度较大。（值得注意的是，研究发现pH≥9.2时，若持续24h可以100%杀死大肠杆菌和大部分病原细菌，而高效藻类塘pH在白天达到9.5或10是很正常的，所以对于处理生活污水，藻类塘的杀菌效果十分显著。）

高效藻类塘DO含量远远高于传统稳定塘。影响高效藻类塘内DO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。法国 B.Picot等人研究发现，由于白天光合作用产氧，塘内DO含量上升迅速。pH在午后可达10~11，DO浓度最高可达33 mg/L，而在晚上由于藻类和微生物呼吸作用使DO急剧下降，甚至为0，一般塘内有9~10个小时的厌氧状态，所以机械搅拌提供的复氧作用是必不可少的。陈鹏在上海用高效藻类塘处理生活污水的中试试验中，pH在白天有不同程度升高，最大可达9.3，而DO在白天基本在10 mg/L以上。




5、去污（脱氮除磷）机理

根据Nurdogan等人及同类研究结果，高效藻类塘对氮的去除机理主要通过藻类同化吸收及高pH下氨氮挥发两个途径。一方面，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。另一方面，高效藻类塘较高的pH亦会促进氨氮以气态自水中逸出。pH为9时，水中40%的氨氮以气态形式存在；pH为10时，80%的氨氮以气态形式存在。至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（~50%），藻类同化吸收为次（~30%）。在高效藻类塘中,由于高pH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。

高效藻类塘对磷的去除主要是藻类同化吸收和化学沉淀。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Ca2+、Mg2+等发生协同沉淀，从而从水中去除。大多数研究者认为，化学沉淀较藻类同化吸收对藻类的影响更显著。Dorna和Byole指出，在去处磷的过程中，只有10%源于藻类吸收，其它都是通过沉淀去除的。




6、净化效果

陈广等人采用二级串联高效藻类塘系统处理太湖地区农村生活污水的试验表明，水力停留时间为 8d 的条件下，该系统对 COD、TN、TP 的平均去除 率 分 别 为 69. 4% 、41. 7% 、45. 6% ，该 工 艺 对NH4+－N的平均去除率达90. 8% 。

李旭东等人采用沉淀水箱、高效藻类塘和水生生物塘等组成的试验系统对高效藻类塘系统处理太湖地区农村生活污水进行了试验研究，结果表明: 高效藻类塘出水 COD 浓度受藻类生长影响较大，但出水溶解性 COD 比较稳定，平均去除率在 70% 以上，NH4+－N的去除效果好，平均去除率为 93% 。

7、优势与不足


技术优势：

1、无需大面积占地，工艺流程简单；

2、基建投资少，后期维护费用、运行费用低廉；

存在不足：

1、处理效果受季节因素影响较大。由于秋冬季节，温度、光照的时间和强度均低于夏季，塘内菌藻共生体系的活动强度也较弱，系统净化效果受到抑制；

2、出水含有较多藻类，对受纳水体影响较大。（如何资源化利用是当前主要研究方向，如水产养殖结合、培养经济型藻类、菌类等）