WLX荊州地埋式一體化生活污水處理設(shè)備
WLX荊州地埋式一體化生活污水處理設(shè)備
養(yǎng)殖污水處理工藝
絮凝法是分離水中粗分散和膠體物質(zhì)應(yīng)用廣泛的方法，在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)用于微藻的分離采收(. 懸浮藻液經(jīng)絮凝后能實現(xiàn)高效重力沉淀分離; 分離的藻細(xì)胞能直接被截留在反應(yīng)器內(nèi)，達(dá)到維持高生物量和保障出水水質(zhì)的目的. 從單純的藻細(xì)胞采收角度來說，絮凝法是處理大量稀藻液時經(jīng)濟、可行的方法. 雖然藻細(xì)胞經(jīng)絮凝沉淀后還不能直接達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求，但已能顯著降低后續(xù)濃縮過程的能耗和成本. 因此，絮凝法已被視為實現(xiàn)微藻大規(guī)模分離采收的方法. 根據(jù)是否需要添加絮凝劑可分為“外加絮凝劑法”和“自發(fā)性絮凝法”兩大類. 其中，外加絮凝劑法根據(jù)所使用的絮凝劑種類又可分為無機絮凝劑法、有機高分子絮凝劑法和生物絮凝劑法. 自發(fā)性絮凝按照發(fā)生機理可進(jìn)一步分為高pH誘導(dǎo)的自發(fā)性絮凝和胞外聚合物(EPS)引起的自發(fā)性絮凝.
本文將從對微藻表面特性和絮凝機理的簡要介紹出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)各種絮凝分離方法的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)而對各種方法進(jìn)行綜合比較，以期終明確微藻絮凝分離的發(fā)展方向.
2 微藻表面特性和絮凝機理 2.1 微藻懸浮液聚集穩(wěn)定性的理論框架
擴展DLVO(XDLVO)理論是膠體化學(xué)中描述膠體穩(wěn)定性的經(jīng)典理論之一，已成功應(yīng)用于描述活性污泥系統(tǒng)微生物細(xì)胞間的粘附聚集(絮凝)過程. 近研究證實，該理論同樣適應(yīng)于描述微藻懸浮液中藻細(xì)胞的聚集過程. 在XDLVO理論中，膠粒間的相互作用主要考慮了以下3種非共價鍵的相互作用力：①范德華力(Lifshitz-van der Waals interaction)，它是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶極力之和; ②靜電力(Electrostatic interaction)，源自膠粒表面所帶電荷的靜電相互作用; ③Lewis酸-堿水合作用力(Lewis acid-base interaction)，源自極性組分間的電子轉(zhuǎn)移. 膠粒間的總表面位能(GTOT(d))為以上作用力的位能之和：
式中，GLW(d)為范德華作用力位能，GEL(d)為靜電作用力位能，GAB(d)為Lewis酸-堿水合作用力位能.(d)表示作用力的大小和性質(zhì)為膠粒間距的函數(shù). 理論上，GTOT(d)>0則膠粒間相互排斥，處于聚集穩(wěn)定狀態(tài); GTOT(d)<0則膠粒相互聚集. 典型的總位能曲線一般包含兩個低位穴能(膠粒間距由遠(yuǎn)及近分別為第二低位穴能Em2和*低位穴能Em1)，兩者之間存在一斥力能峰(Eb). 當(dāng)膠粒相互靠近，到達(dá)第二低位穴能點(Em2)時，膠粒間處于一種可逆的粘附狀態(tài);外界條件稍有變化則粘附的膠粒又將相互分離，是一種不牢固的粘結(jié)狀態(tài). 只有膠粒的動能足夠大，足以克服斥力能峰到達(dá)*低位穴能(EEm1)時才能形成牢固的粘結(jié)狀態(tài)，即發(fā)生絮凝)
2.2 藻細(xì)胞表面特性與聚集穩(wěn)定性
決定總表面位能(式(1))的3種基本作用力中，范德華力一般表現(xiàn)為引力，其大小取決于膠粒間距、單位體積內(nèi)的粒子數(shù)量和和粒子的極化率等. 而靜電力和Lewis酸-堿水合作用力的性質(zhì)和大小則取決藻細(xì)胞的表面電勢和親/疏水性等表面特性.
2.2.1 表面電勢
藻細(xì)胞表面覆蓋著一層復(fù)雜的EPS，其主要成分為碳水化合物(EPSC)和蛋白質(zhì)(EPSP)，其他成分包括腐殖質(zhì)(Humus-like Substances)、核酸(Nucleic Acids)、糖醛酸(Uronic Acids)等. 這些成分導(dǎo)致藻細(xì)胞表面富集了大量羧基(—COOH)和氨基(—NH2)等功能團. 這些功能團隨體系pH不同能接收或失去質(zhì)子(H+)，由此形成表面電荷及電勢. 例如: 當(dāng)體系處于低pH條件時，羧基和氨基都將接收H+(質(zhì)子化，protonation)，形成正的表面電荷;相反，當(dāng)體系處于高pH條件時，羧基將失去H+(去質(zhì)子化，deprotonation)，形成負(fù)的表面電荷;在特定pH條件下，可以形成羧基失H+而氨基得H+的情況，表面凈電荷為零，即等電點. 對于微藻，其等電點一般在pH=3. 而實際微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的pH一般在7以上. 所以，藻細(xì)胞一般帶負(fù)電，即式(1)中的靜電作用力項表現(xiàn)為斥力.
膠粒表面電勢無法直接測量，只能測量出膠粒的Zeta電位后通過計算間接得出. Zeta電位是膠粒雙電層結(jié)構(gòu)中滑動面與水溶液之間的電位差，是表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo). Zeta電位值越高，膠粒之間的排斥力越大，體系越穩(wěn)定. 實際培養(yǎng)條件下藻類的Zeta電位一般在-35~-15 mV之間. 因此，藻細(xì)胞間的靜電斥力一般較大，是藻細(xì)胞在水溶液中保持聚集穩(wěn)定性的主要原因.
2.2.2 親/疏水性
藻細(xì)胞的表面親/疏水性決定了式(1)中Lewis酸-堿水合作用力的性質(zhì)和大小，具體有如下規(guī)律: 疏水性藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為引力; 親水性藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為斥力; 親水和疏水藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力性質(zhì)則取決于藻細(xì)胞的相對親/疏水程度，可為引力或斥力; 親/疏水程度越高，Lewis酸-堿水合作用力的值越大. 以上規(guī)律可通俗地理解為疏水細(xì)胞在水溶液中將受到水分子的“排斥”作用，因而細(xì)胞間有相互團聚(吸引)的趨勢; 而親水細(xì)胞則各自受到水分子的“吸引”，因而細(xì)胞間有分散在水溶液中的趨勢(相互排斥). 藻細(xì)胞間的靜電斥力一般大于范德華引力，因此在沒有外加絮凝劑消除靜電斥力的情況下，Lewis酸-堿水合作用力(表面親/疏性)的性質(zhì)和大小對微藻懸浮液的聚集穩(wěn)定性就具有決定性的影響，例如: 親水性藻細(xì)胞間的Lewis酸-堿水合作用力為斥力，因此該類藻細(xì)胞懸浮液總是能保持聚集穩(wěn)定性; 只有Lewis酸-堿水合作用力為引力時(疏水藻細(xì)胞之間及特定親水-疏水藻細(xì)胞組合)，微藻懸浮液才有可能發(fā)生絮凝. 細(xì)胞親/疏水性取決于其表面功能團: 表面富含長鏈烴類的微藻種屬(如，葡萄藻屬)表現(xiàn)為疏水性，因為長鏈烴類主要包含甲基和亞甲基等疏水基團，而羥基和羧基等親水基團只占很小一部分; 表面富含糖醛酸、中性糖和葡糖胺等成分的微藻種屬(如小球藻)則表現(xiàn)為親水性，因為這些成分能形成大量羥基、羧基和氨基等親水基團.
2.3 絮凝機理
根據(jù)上述XDLVO理論，微藻絮凝的基本原理就是要通過降低/消除靜電斥力(Zeta電位)，使Lewis酸-堿水合作用力表現(xiàn)為引力等措施消除/降低藻細(xì)胞之間表面能的排斥能峰，使藻細(xì)胞能相互靠近到達(dá)*低位穴能，從而緊密地粘結(jié)在一起形成絮體. 其中，外加無機絮凝劑的主要作用機理就是中和藻細(xì)胞表面的電負(fù)性，降低/消除靜電斥力. 外加高分子有機絮凝劑則主要通過吸附架橋原理起作用: 鏈狀高分子物質(zhì)(少數(shù)情況也可能是無機絮凝劑形成的大膠粒)在靜電引力、范德華力和氫鍵力的作用下，一端吸附了某一膠粒后，另一端又吸附了另一膠粒，從而把不同的膠粒連接起來而形成絮體(圖 1). 生物絮凝劑和EPS誘導(dǎo)的自絮凝則可能是通過Lewis酸-堿水合作用力中的疏水引力及吸附架橋原理的綜合作用實現(xiàn)絮凝. 后，投加絮凝劑形成的沉淀物和絮體等還可通過網(wǎng)捕和卷掃等物理作用進(jìn)一步促進(jìn)藻細(xì)胞的絮凝沉降.
