電解預處理對微藻處理有機污水的促進作用研究

朱志偉

(安徽建筑大學 環境與能源工程學院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

水污染是當今人類面臨的主要環境問題之一，探索有效實用、易于推廣的污水處理技術，始終為環保學者們所關注[1-3]。藻類是自養型生物，生長對廢水中營養要求較低，可富集水體中的氮、磷等營養物質，并以有機物的形式將其儲存在藻細胞中[4-5]。利用藻類凈化污水成為污水處理中的重要研究方向，但微藻污水處理法又有其局限性，所能去除的污染物局限于水中生物易降解的物質，對于生物難降解物質則幾乎無去除效果，在這種情況下,單一應用微藻處理污水顯然是不適宜的[6-10]。

本研究選用直接電解的方法對合成有機污水進行預處理，通過電化學法能初步降低氮、磷以及總有機碳含量，減輕后續微藻生物處理的污染物負荷，殺滅污水中的細菌，提高污水的可生化性，為后續的微藻處理污水實驗提供更適宜的培養條件。

1 實驗材料及儀器

1.1 材料

實驗材料包括七水硫酸亞鐵、重鉻酸鉀、六水硫酸亞鐵氨、濃硫酸、氯化鈷和氯鉑酸鉀等，都是化學純。

待處理廢水為X養殖場的雞糞厭氧發酵出水，存于4 ℃冰箱中，在開展試驗前取用，污水水質指標見表1。

表1 水質指標

注:結果為三次測量平均值±標準誤差。

1.2 儀器

實驗主要儀器為COD瓶、錐形瓶、溶解氧儀、反應槽、冷凝管、電極板和恒溫加熱器、穩壓直流電源、電磁攪拌器等。

1.3 測試指標和測試方法

實驗運用的測試指標主要為CODCr,重鉻酸鉀氧化法及BOD5稀釋接種法。色度運用了稀釋倍數法。

1.4 微藻藻種和培養條件

1.4.1 藻種

選用普通小球藻C.vulgaris 1067藻種。

1.4.2 培養基

借助BG-I 1培養基對小球藻進行培養，試驗下微藻生長營養物由BG-I 1培養液所供應。

1.4.3 培養條件

在實驗室內通過規模化方式分批次對小球藻進行培養，將其在500 mL的裝有厭氧發酵廢水錐形瓶內(濃度各不相同，體積為300 mL)進行接種，并在恒溫光照反應器內放置，保持4 500 lux的光照強度和28 ℃的溫度，12 h光反應/12 h暗反應為光暗周期。搖瓶培養運用搖床，速度設定在150 r/min，微藻生物質干重樣品每24 h測量1次。

1.5 實驗裝置和方法

1.5.1 實驗裝置及材料

電磁攪拌器、電極板、穩壓直流電源及反應槽為主要裝置，電解池模擬運用正方形玻璃槽(1 L)，借助可溶性鐵金屬板作為陽、陰極板，面積都是15 cm×8 cm,應用JC1735穩壓直流電源， 79-1磁力加熱攪拌器進行較慢的攪拌。活性土壤下微生物菌群作為實驗菌種。

1.5.2 實驗方法

1)陽、陰極板的距離是10 cm，將FeSO4添加到原水水樣內，如果金屬離子在生物處理系統內的含量較大，會抑制微生物的作用，如果長時間進行反應，增大了污泥內無機物的總量，使系統不能穩定運行，所以要對酸堿度進行調節，保持在中性，加快重金屬離子的沉淀過程，進行絮凝沉淀。電化學氧化實驗裝置如圖1所示。

圖1 電化學氧化實驗裝置示意圖

2)靜置廢水，取出500 mL上清液，將NaCl添加到造紙廢水內，改善電解效果，保持15 V的電壓和1.6 A的電流，調整電解時間。

3)完成電解過程后，將Fe/Al加入其中，水樣進行絮凝，經過靜置、冷卻及過濾反應，對BOD5、COD進行測定。

4)結合結果對圖表進行繪制，實驗最佳電解條件即為BOD5/COD最大值下的各項數值。

5)理想電解條件下，分別從BOD5/COD、CODCr、BOD5和色度等方面對電解之前和之后的變化狀況進行對比。

1.6 微藻生長指標的測定

借助細胞干重測量法對微藻生物量進行測定，對進行均勻混合的藻液進行采取，基于分光光度計680 nm波長條件中，對光密度值(OD)ODbBo進行測量，實驗獲取微藻OD68。最后分析其同微藻細胞干重(DW)二者的線性關系：

DryWeight(DW,mg/L)=230.3OD68+0.6

R2=0.999 8

開展試驗過程中，要每天對藻液進行采取，對OD68進行測量，并對微藻生物質干重進行分析。

1.7 水質指標測定方法

1.7.2 總碳(TC)、無機碳(IC)和總有機碳(TOC)

借助離心沉淀對樣品內的微生物、懸浮顆粒物進行剔除，采集上清液，借助TOC分析儀對IC及TC進行測量，借助運算來獲取總有機碳值:

TOC(mg/L)=TC(mg/L)=IC(mg/L)

1.7.3 濁度(Turbidity)

借助可見光-紫外分光光度法來測量文中的濁度。聚合6-次甲基四胺與硫酸脫，獲得白色高分子聚合物，得到濁度標準溶液，借助石英比色皿(規格為1 cm),建立在660 nm的波長基礎上，測定濁度液吸光度值，獲取吸光度-濁度標準曲線。準確測量水樣濁度，設定660 nm的標準，對比研究和分析吸光度-濁度標準曲線與吸光度曲線，運算出水樣濁度值。在濁度大于100的情況下，開展測定工作之前，需要完成稀釋處理。

1.7.4 細菌數(Bacterial Counts)

通過平板計數法來測定細菌數。在微型旋渦混合儀中對樣品進行5 min的震蕩處理，使細菌進行有效分散，采取樣品的體積為1 mL，并將其加入到9 mL去離子水試管中，完成10倍稀釋操作之后，震蕩均勻，最終使溶液得到合理濃度，對2～3個稀釋度進行選取，采取污水樣品(0.1 mL)，涂抹于無菌固體營養瓊脂培養基，倒置在培養箱中，維持24 h的溫度在24 ℃，查看瓊脂培養基中菌落數，不同的稀釋度均應開展上述操作3遍。

1.7.5 pH值

利用玻璃電極法對溶液的pH值進行測定。

1.8 試驗設計

1.8.1 電解預處理

1.8.2 離心和高溫高壓預處理

1.8.3 預處理與微藻生物處理組合方法

厭氧發酵廢水進行2%(v/v)稀釋處理之后，進行離心、高溫高壓及電解處理，所培養的小球藻生長環境就是獲取的液體培養基。進行試驗前，要利用錐形瓶來對小球藻藻種進行保存，接種操作的標準為生物質干重達到了1 300 mg/L。參考10%(v/v)的接種標準對廢水進行預處理，添加30 mL藻液于270 mL廢水樣品中。搖勻之后在合理條件下的搖床上放置培養箱，每天在特定時間對生物質干重進行測定。

2 實驗結果及討論

2.1 不同稀釋濃度的沼液對小球藻生長的影響

不同稀釋濃度雞糞沼液下小球藻C.vulgaris的生長曲線如圖2所示。

圖2 不同稀釋濃度雞糞沼液下小球藻C.vulgaris的生長曲線

2.2 電解預處理對沼液中污染物去除和細菌殺滅的影響

2.3 電解預處理對沼液培養小球藻的影響

以10%(v/v)的標準稀釋處理雞糞沼液后，進行電解預處理操作，經過0、1、2、3、4、5 h之后，可以將相同量的普通小球藻藻種進行接入，創造良好環境，進行為期20 d的培養，微藻細胞干重積累狀況如圖3所示。

圖3 小球藻C.vulgaris在不同電解時間預處理的沼液生長曲線

基于2、3、4 h電解預處理作用下，樣品內的小球藻能夠存活下來，其中樣品在2 h電解預處理中的生物量是530 mg/L，達到了最高，樣品小球藻(未開展電解預處理和1、5 h電解預處理)進行20 d的培養之后，生物質干重達到了90 mg/L，出現了不增反降的現象。對0、1、5 h的電解預處理沼液樣品內，對小球藻進行培養，在時間不斷延長的過程中會出現發黃的狀況，體現出樣品水質對小球藻的生長不利。在開展試驗時，最先15 d培養時，2 h電解預處理樣品下小球藻同3 h電解預處理樣品下的小球藻相比，前者生長狀況更優，相應的生物量濃度也相對較高，然而在之后的過程中，后者下的微藻生物質干重不再增多，2 h電解預處理樣品下小球藻生物質積累量比3 h電解預處理樣品下的積累量要更多，為試驗樣品生物量積累最大值。分析具體緣由為3 h預處理樣品下營養元素在最初培養期間能夠被微藻所吸收掉，而在之后的16～20 d之間，因為營養不足，微藻生長速度大大降低。這就體現出，進行合理處理的厭氧發酵廢水能夠使沼液污染物負荷有效降低，將良好的生長環境提供給微藻，使微藻生物質產量明顯增大。電化學氧化作用下，一方面能夠使污染物含量大大減少，另一方面也能夠針對復雜有機物分子進行作用，其作為生物難降解物能夠形成簡單分子，使污水生物可降解性大大改善。而在2 h電解處理之后，濁度值降至89%，有利于微藻的生長，去除濁度能夠使污水透光性得到改善，將合理的光照環境提供給小球藻，便于其開展光合作用。

2.4 離心和高溫高壓預處理對沼液中污染物去除和細菌殺滅的影響

沼液經過離心和高溫高壓預處理后沼液中各種污染物含量及細菌數變化詳見表2。

表2 離心和高溫高壓頂處理對2%(v/v)沼液中污染物的去除情況

2.5 各種組合方法的沼液處理效果對比

表3 組合處理過程對氨氯的去除

表4 組合處理過程對總磷TP的去除

在選取污水處理技術過程中，還需要重視的指標就是成本費用問題。電解法比傳統污水處理方式的成本要高，然而因為前者能夠運用到高濃度污水處理領域，解決了生物降解難度大的問題，但是在活性污泥去除方面效果不理想，因此可以綜合考慮運用電解法。同時，將微藻生物污水處理技術同電解處理法進行整合，能夠大大解決污水處理費用，因為污水開始濃度相對較高，相對應的電流效率大，能夠快速、有效地去除掉污染物，但在污水中污染物濃度降低時，就需要發揮微藻生物處理技術的優勢，節約能源，降低電能的耗費。

3 結 語

作為全新的綠色環保技術，電解法在工業廢水及生活污水的處理方面發揮著極其重要的作用，能夠有效改善污水可生化性，對污水消毒也有積極效果[11]。在電化學研究快速發展的過程中，部分有機化合物在電極下的加成、分解及氧化還原等多類反應均已被證實，進一步佐證了借助電催化氧化法能夠對有機污染物進行有效降解的事實，使污水處理領域中的電解法得到普遍運用[12-13]。運用電解法技術對污水進行處理的過程中，發揮主要作用的是羥基自由基，其擁有強氧化性，很多大分子有機物比較難降解，但通過該技術方式能夠轉變為無毒及毒性較低的小分子物。文中研究發現：借助直接電解方式來預處理有機污水，可以使TN、TP以及TOC含量大大降低，減輕后續微藻生物處理的污染物負荷，殺滅污水中的細菌，提高污水的可生化性，為后續的微藻處理污水實驗提供更適宜的培養條件。