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生物吸附剂的制备及其在废水处理中的研究

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 195次

 

仝驰,李红艺,于芳,汤鹏,张爱东,牛媛媛,吴玉琦

 

(南京工程学院,环境工程学院,江苏,南京 TB201612018

 

摘要:随着经济和生产技术不断发展,湖水污染问题已经成为当今世界环境问题的一个重要内容。目前大多的研究学者更多利用湖水中的水生物来应对湖水污染问题,其中较为高效环保的方法就是利用生物吸附剂。湖水中微生物藻类在水处理方面已经有着显著效果。本文主要阐述了利用藻类和活性炭各自的特性相结合制备生物吸附剂,详细阐述了生物吸附剂的作用机理以及对未来生物吸附剂的发展进行了讨论。

关键词:藻类;活性炭;生物吸附剂;水处理;利用现状;综述

前言:

近年来,随着工业的发展,工业化进程的加快,使得人类在工农业生产以及日常生活中,向水体中排入大量的含氮、磷以及重金属等污染物,导致湖泊水体污染越来越严重。水体污染造成了严重的环境污染问题和生态污染等一系列的问题。如:重金属含量超标,水体富营养化等。活性炭对水中的重金属离子具有很好的吸附作用,而水体富营养化给我们带来的藻类可以为我们利用来出去湖泊水中的氮磷等污染物。活性炭对水体污染物的吸附作用等技术已经相当的成熟。藻类对水体的净化作用技术已经经过很多研究学者的研究并取得一定的成果。而现在的生物吸附剂技术正在逐步成熟阶段。这样便提高了传统吸附剂对水体的净化能力。

1藻类植物的开发利用

藻类是一种分布广泛、结构简单、低等的水生植物。按照藻类植物的分类原则可分为蓝藻门、绿藻门、红藻门、褐藻门等几个门类[1]

由于世界人口的增长以及社会的发展,人类对地球资源的消耗不断增加,导致目前能够维持可持续发展的资源已经变得极为短缺,促使人们不得不开发新的能源。在作为被人类一直视为无用的藻类生物不断利用而且取得巨大的成果后,人类开始逐渐把眼光转向水体中。

藻类在解决人类食物短缺问题方面已经取得巨大的成果。目前世界食品短缺问题已经困扰人们很长一段时间,为了解决这一问题研究学者已经发现很多种增加农作物产量得方法。当人们涉及到藻类这一领域的时候,人们发现藻类的营养价值很高,含有大量的蛋白质、碳水化合物、维生素、无机盐以及人类必须的各种微量元素。如有机碘、磷、钾等[2]。而且藻类植物具有繁殖快、产量高等优点。目前美国、墨西哥、英国的国家已经把藻类加工为一种高档的食品在市场上出售[3]

在目前石油资源短缺的巨大的背景下,藻类在能源方面也展现了巨大的利用价值。有些学者为了缓解能源问题已经把目光转向了可以不断生产的生物柴油方面。而相对于传统的作物,藻类高产量、易获取、成本低等一系列优点更加的凸显出来。据报道一样小球藻的含油量可达藻体干重的57.2%。国外许多科学家已经开始涉及相关的领域,开始寻找、探索一些有效的方来实现藻类大量生产生物柴油[4]

作为水污染处理中相对绿色的技术,藻类在此方面也展现了巨大的能力。早在1957年,Oswald就提出利用藻类处理污水中的氮磷。利用藻类的代谢作用,氮磷等污染物的去除率可达80%以上[5]

除此之外,藻类还可以作为家禽家畜,水产养殖的饲料、美容护肤成分的提取原料[6],甚至在医学药物方面都有很多重大的作用[7]

2.1微藻在水处理中的应用

水资源危机已成为21世纪人类面临的最大挑战之一,水环境污染更使得我们的水质型缺水问题更加的突出。目前的污水处理工艺只能去除大部分的碳类污染物,但对氮磷的去除效果较差;物理化学法的效果虽好,但成本高且易形成二次污染,并不能达到预期的经济效益。利用微藻处理污水具有成本低、效率高、不会形成二次污染等特性,可以成功的解决此类问题。目前利用藻类处理污水已成为污水处理中的重要研究方向[8]。微藻易于培养,对于环境适应能力以及生存能力极强,生长周期短,繁殖快,生物量产量高,具有广泛的应用价值。在处理污水应用中,利用微藻可以有效去除污水中的生物耗氧量BOD和化学耗氧量COD[9];利用微藻还可以有效去除污水中的富营养化元素如 NP[10]等以及重金属[11]

2.2微藻对污水中氮磷的作用

为了获取更多的可利用的高蛋白藻类,国外已开始应用高速藻类池塘污水处理系统来生产一些高蛋白的藻类。这一技术成本低、能耗少、效率高、收益大,是一项潜力巨大的生态环保工程。国外有利用微藻使废水净化的报道, 并收到初步成效。Chung等采用沼气发酵的方式对养猪废水进行了处理,在含10%的发酵液中添加适量K2SO4NaHCO3, 500 lx 光照下培养螺旋藻,其产量5 g/(m2·d)。氮的同化率为76%国内也有类似的利用藻类对养猪废水进行处理的案例,最后的实验结果显示此方法对水中氨氮,总磷,COD的去除率分别可达到70%57.6%43.3%[12];Olguin等将猪粪进行厌氧分解处理,在海水中加入2%的处理液体,以此作为螺旋藻培养基。运用此方法总磷和 NH4+-N 去除率可以达到99%和100%[13]

2.3微藻对污水中重金属的作用

微藻是一种对环境的适应能力很强的植物,易于驯化而且耐受高浓度毒物。Dipak 用藻类制剂作吸附剂, 发现其对PbCo等重金属离子去除作用较强, 并且此吸附剂在低pH时还可将金属回收。Shigeru等也在砷污染水中分离出小球藻, 驯化后可在100 mg/ LZn的环境下正常生长;100 mg/ LCd驯化,小球藻可耐受50 mg/L Cd,并仍能富集水中的镉,同时还发现了金属的解吸现象。

3.1生物吸附剂在污水处理中的应用

从20世纪60年代开始,欧洲一些国家开始研究生物活性炭技术来深度处理废水,并取得良好的效果。我国研究及应用生物活性炭技术也已有二十多年的历史,并且在水处理方面具有突出的效果。生物活性炭技术作为水处理[14,15]最有效的技术之一,其最大优点在于活性炭的物理吸附作用和生物降解作用同时存在。

3.1.1活性炭的预处理

活性炭因为具有高吸附型,表面和内部空隙中常常附着许多杂质和无机盐类;为了消除杂质对实验结果的影响而对活性炭进行清洗预处理。首先将制备的活性炭浸泡在蒸馏水中 30min 直至活性炭不再产生出气泡;用清洁的蒸馏水进行清洗,直至清洗的水中不再含有黑色的杂质。将清洗干净的活性炭和适宜的蒸馏水放入已洗净的锅中进行加热,自锅中水沸腾开始计时 60min,待冷却后,放入115℃烘箱中24h后放置在干燥器中备用、保存,至此活性炭预处理过程完成[15]

3.1.2静态生物吸附剂的制备

用量筒量取适量的扩大培养的藻类和活性炭放置在1000ml烧杯中,用玻璃棒或磁力搅拌器进行混合搅拌半个小时并在室温条件下静止15分钟后,加入适量营养液并通入氧气进行微曝气,待混合菌液中的微生物浓度不发生变化为止,以确保微生物和活性炭的充分混合,以形成静态生物活性炭,为后续的静态试验提供生物活性炭。

4生物吸附剂利用的展望

目前,藻类在去除污水中的氮、磷以及重金属被证明是有一定的应用价值的,并且有着非常广阔的应用前景。但目前我国的藻类治理废水和生物吸附剂等方面的技术还不成熟,尚有较大的发展潜力。实验表明,与传统吸附剂相比生物吸附剂更加的环保高效,具有稳定的处理效果。而且,生物吸附剂可以有效地防止二次污染。为提高我国水环境污染的治理力度与经济合理,我们应该加大对生物吸附剂的相关研究工作,确保在工业化的时代中水环境得到有效地保障。

参考文献:

[1]张丽琴.藻类植物系统分类初探[J].河南教育学院学报,1997(6):78-80

[2]傅华龙.藻类植物的开发利用[J].资源开发与保护杂质,1988(4):47-49

[3]张冬青.亟待开发的藻类植物资源[J]食品研究与开发,1991(4):22-25

[4]余杨.基于生物柴油制备的海洋高脂微藻的筛选[D]厦门大学,2009:1-74

[5]陈重军,韩志英,朱荫湄,吴伟祥.周丛藻类及其在水质净化中的作用[J]应用生态学报,2009(20):2820-2826

[6]苏怡,高保燕,张成武.微藻分子在动物和水产养殖饲料中的应用[J]养殖与饲料,2016(2):17-25

[7]王庭健,林凡,赵方庆,秦松,张学忠,曾呈奎.藻胆蛋白及其在医学中的应用[J]植物生理学通讯2006(42):303-307

[8] 沈根祥,朱荫湄,雷萍.藻类净化含氮磷有机物污水 及其利用研究进展[J]农业环境保护2001(20):382-38

[9] 刘辉,邹继颖,戎贵文,王玉伟,闫昌起,郝岩岩.天然藻类对水中COD的去除效率研究[J]黑龙江大学工程学报2015(6):38-41

[10]陈春云,庄源益,方圣琼.小球藻对养殖废水中N、P的去除研究[J].海洋环境科学. 2009(01)

[11]黄翔鹄,魏少红,周美华,江东.波吉卵囊藻对Cu2+、Zn2+耐受力和吸附作用的研究[J].上海海洋大学学报. 2012(03)

[12]陈友岚,曹荣华.藻类生物技术处理养猪废水工艺研究[J]长江大学学报(自然科学版)2016(13):42-46

[13]Olguin ET, et al.Simultaneous high-biomass proteinproduction and nutrient removal using spirulina max-im in sea water supplemented with anaerobic influ-ents.World J.Microbio .Biotech .1994, 10:576 -578

[14]王小蓉,郝广平,李文翠.生物活性炭技术在水处理中的研究与应用[J]化工进展2010(05):932-951

[15]聂凤明.生物活性炭技术在水处理中的应用现状 与前景[J]南方冶金学院学报2005(26):40-44

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