國外農村生活汙水處理技術彙編——美國:高效藻類塘

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技術簡介

高效藻類塘(High Rate Algal Pond，簡稱 HRAP) 由美國加州大學Oswald和 Gotaas 等人在20 世紀 50 年代提出並發展而來。其基於傳統穩定塘形式，強化利用藻類增殖產生有利於微生物生長和繁殖的環境，形成緊密的藻菌共生系統，達到對水體中有機碳、病原體、氮、磷等汙染物進行有效去除。

與傳統生物處理技術相比，該技術具有投資少、運行成本低等優點，在土地資源豐富而技術水平落後的農村地區具有較大的推廣價值。目前，高效藻類塘在美國、德國、法國、新加坡、墨西哥、巴西、以色列等國家得到了廣泛應用。在我國，該技術自2000年以來受到較快地發展，除了應用在汙水處理領域，在水產養殖行業也得到一定應用和推廣。

（圖片來自網際網路）

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典型工藝參數

高效藻類塘一般分成多個處理單元，通過菌藻共生系統逐級對來水淨化。與傳統穩定塘相比，高效藻類塘典型工藝特徵如下：

1）高效藻類塘水深較淺，一般為0.3~0.6m。傳統穩定塘的深度根據其類型，深度一般0.5~2 m；

2）塘體進水廊道中，設置有垂直於水流方向的連續攪拌裝置，促進汙水完全混合併調節溶氧和CO2濃度；

3）停留時間短。一般為4~10天（冬季相對較長），比一般穩定塘停留時間短7~10倍；

4）多個處理單元。高效藻類塘分成若干個狹長廊道，寬度較窄，逐級處理。

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工藝核心——菌藻共生系統

高效藻類塘是傳統穩定塘的一種改進形式，具有藻菌共生這一穩定塘系統所具有的基本生物特點。藻類塘中常見優勢藻種為衣藻屬、柵藻屬和小球藻屬等淡水綠藻，通過藻類大量繁殖，可為細菌提供充裕的附著空間及溶解氧，創造好氧細菌的適宜環境；細菌在此環境中大量繁殖，其呼吸作用又為藻類提供了充足的二氧化碳等碳源，使高效藻類塘內形成了緊密的藻菌共生系統。

高效藻類塘對汙染物的去除主要也是通過藻菌的共同作用而完成，即藻類和細菌兩類生物之間在生理功能上產生協同作用。廢水中的有機物由好氧細菌氧化分解為小分子的無機物，同時產生大量CO2；而藻類則以陽光為能源，CO2為碳源，氨氮為氮源，通過藻細胞中葉綠素的光合作用合成新的藻類細胞，並釋放大量O2，供細菌循環降解有機物，達到淨化水質的目的。

Oswald分析得出高效藻類塘內藻類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的藻類細胞，需消耗106 mol的CO2，並伴隨著118 mol的O2產生。即在光合作用的過程中每單位重量的藻類細胞可產生1.55單位重量的O2。

（圖片來自參考文獻）

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理化特徵

明顯強化的藻菌共生系統極大提升了汙染物的同化吸收過程，其顯著的物理化學特點是使得高效藻塘內的pH 與 溶解氧（DO）呈現明顯晝夜變化。

pH變化主要由水體中的 CO2-HCO3--CO32-平衡式來主導。

Henderson-Hasselbach方程揭示了CO32-和HCO3-的比值大小與pH的關係，如下：

白天藻類通過光合過程消耗CO2的速率更大，在平衡式體系中，CO32-/HCO3-變大，pH升高。夜間藻類和細菌呼吸作用產生CO2的速率更大，在平衡式體系中，CO32-/HCO3-減小，pH降低。另外，冬季低溫抑制藻類生長，高效藻類塘內pH變化幅度較小；而夏季溫度較高且光照強度大，有利於藻類快速生長，由於光合作用加劇，CO2的消耗速率提高，夏季塘內pH普遍較高且變化幅度較大。（值得注意的是，研究發現pH≥9.2時，若持續24h可以100%殺死大腸桿菌和大部分病原細菌，而高效藻類塘pH在白天達到9.5或10是很正常的，所以對於處理生活汙水，藻類塘的殺菌效果十分顯著。）

高效藻類塘DO含量遠遠高於傳統穩定塘。影響高效藻類塘內DO的因素主要是藻類光合作用和呼吸作用的強弱交替、細菌的呼吸作用和大氣復氧作用。法國 B.Picot等人研究發現，由於白天光合作用產氧，塘內DO含量上升迅速。pH在午後可達10~11，DO濃度最高可達33 mg/L，而在晚上由於藻類和微生物呼吸作用使DO急劇下降，甚至為0，一般塘內有9~10個小時的厭氧狀態，所以機械攪拌提供的復氧作用是必不可少的。陳鵬在上海用高效藻類塘處理生活汙水的中試試驗中，pH在白天有不同程度升高，最大可達9.3，而DO在白天基本在10 mg/L以上。

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去汙（脫氮除磷）機理

根據Nurdogan等人及同類研究結果，高效藻類塘對氮的去除機理主要通過藻類同化吸收及高pH下氨氮揮發兩個途徑。一方面，藻類攝取水中的氨氮，通過光合作用合成細胞所需要的胺基酸等物質。另一方面，高效藻類塘較高的pH亦會促進氨氮以氣態自水中逸出。pH為9時，水中40%的氨氮以氣態形式存在；pH為10時，80%的氨氮以氣態形式存在。至於藻類吸收和氨氮揮發哪個在高效藻類塘氮去除中佔優的問題，多數研究者都認為以氨氮揮發為主（~50%），藻類同化吸收為次（~30%）。在高效藻類塘中,由於高pH和DO的晝夜變化使得硝化細菌難以生存，故硝化現象很少發生。

高效藻類塘對磷的去除主要是藻類同化吸收和化學沉澱。化學沉澱主要是由磷酸鹽沉澱引起，即與水體中的某些陽離子如Ca2+、Mg2+等發生協同沉澱，從而從水中去除。大多數研究者認為，化學沉澱較藻類同化吸收對藻類的影響更顯著。Dorna和Byole指出，在去處磷的過程中，只有10%源於藻類吸收，其它都是通過沉澱去除的。

（圖片來自網際網路）

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淨化效果

陳廣等人採用二級串聯高效藻類塘系統處理太湖地區農村生活汙水的試驗表明，水力停留時間為 8d 的條件下，該系統對 COD、TN、TP 的平均去除 率 分 別 為69. 4% 、41. 7% 、45. 6%，該 工 藝 對NH4+－N的平均去除率達90. 8%。

李旭東等人採用沉澱水箱、高效藻類塘和水生生物塘等組成的試驗系統對高效藻類塘系統處理太湖地區農村生活汙水進行了試驗研究，結果表明: 高效藻類塘出水 COD 濃度受藻類生長影響較大，但出水溶解性 COD 比較穩定，平均去除率在 70% 以上，NH4+－N的去除效果好，平均去除率為 93% 。

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優勢與不足

技術優勢：

1、無需大面積佔地，工藝流程簡單；

2、基建投資少，後期維護費用、運行費用低廉；

存在不足：

1、處理效果受季節因素影響較大。由於秋冬季節，溫度、光照的時間和強度均低於夏季，塘內菌藻共生體系的活動強度也較弱，系統淨化效果受到抑制；

2、出水含有較多藻類，對受納水體影響較大。（如何資源化利用是當前主要研究方向，如水產養殖結合、培養經濟型藻類、菌類等）

參考文獻：

丁怡等，高效藻類塘在水質淨化中的研究進展［J］.工業水處理，2017，37（9）

支田田等，藻類去除水體中的重金屬及應用［J］.化學進展，2011，23（8）：1782-1794

陳廣等，高效藻類塘系統處理太湖地區農村生活汙水的中試研究［J］.給水排水，2006，32（2）

李旭東等，高效藻類塘系統處理太湖地區農村生活汙水［J］. 水處理技術，2006，32（6）：61-64.

Mehrabadi A，Craggs R，Farid M M. Wastewater treatment high rate algal ponds（WWT HRAP）for low cost biofuel production［J］.Bioresource Technology，2015，184（1）：202-214.

Posadas E，García Encina P A，Soltau A，et al. Carbon and nutrient removal from centrates and dmestic wastewater using algal bacteria biofilm bioreactors［J］. Bioresource Technoogy，2013，139（1）：50-58.

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