当前能源匮乏, 城市的水环境污染严重。以城市污水为培养基获取微藻不仅能为处理废水提供新的途径, 而且能一定程度上缓解资源缺乏和能源危机。微藻可借助城市生活污水中诱发水体富营养化的氮、磷等物质代谢繁殖, 同时降解有机污染物。收获了部分脂质含量较高的微藻, 经处理后可制取生物柴油, 在一定程度上可缓解能源问题^[1]。微藻制取生物柴油的重要环节是收获微藻, 通常分为两步, 先分离出藻体, 经絮凝后, 借助重力的沉降或气浮等方式将藻体从混合物中分离。因工艺受限, 经处理的浓缩液固体含量为2%~7%, 含水率较高。随后进行浓缩, 使用离心等方式脱水, 处理后的固体含量能达到99%左右^[2]。沉淀、高速离心、筛分过滤、气浮等常见的微藻收获方法, 尚未实现大规模的应用^[3]。如何选用收获方式取决于微藻的性质, 如其类型、密度、大小与产物的实时市场价值。微藻细胞浓度、体系pH与离子强度等都会影响微藻的收获效率, 由此可知收获微藻的技术难度及运行成本均较高^[4]。

　　 经文献调研发现, 一种在船舶上用于分离油中杂质的离心分离装置, 可能为我们提供新的探索方向。柴油机上所使用的油含有少量的杂质和水分, 一般需要离心将三者分开。微藻在藻水混合物中的质量浓度很低 (<1g/L) ^[5], 和油水中杂质类似, 所以离心分离装置从原理上是可以解决藻水分离难题。

　　 本试验分析了转速、进水速率、藻液质量浓度、pH等因素对收获效率的影响, 进而对离心分离装置的工况予以优化, 得到相对最佳的运行参数, 并分析微藻对生活污水净化处理的效果, 尝试解决因微藻收获方式难以实际应用推广与工业化的瓶颈。

　　 该试验选用的藻种是前期经处理筛分、优化过的蛋白核小球藻 (直径范围一般是3~10μm) , 油脂含量高, 适宜在城市生活污水中培养。稳定时期, 细胞内的油脂含量几乎能达到藻体干重的50%~60%, 是适宜生活污水微藻生物柴油体系的优选藻种。该试验对藻液消耗量较大, 对微藻进行室内外联合培养。室内小规模主要选用5L的三角锥瓶进行培养, 并采用1∶1的时间进行光照, 以人工污水作为藻体的培养基, 其配方如下:

　　 人工污水配制方法:尿素0.15g/L;淀粉0.10g/L; (NH₄) ₂SO₄0.075g/L;CaHPO₄·2H₂O 0.03g/L;MgSO₄·7H₂O 0.075g/L;NaHCO₃0.30g/L;微量元素6mL/L。

　　 人工污水微量元素溶液配合方法:称取2.0mg CoCl·6H₂O;97.0 mg FeCl₃·6H₂O;5.0g ZnCl₂·6H₂O;4.0 mg Na₂MoO₄·2H₂O;0.75g Na₂EDTA;41.0mg MnCl₂·4H₂O依次溶解, 用蒸馏水定容至于1 000mL。

　　 室外选用圆柱体微藻培养装置, 对藻液进行培养。选取城区生活污水井的日常生活污水, 经处理提取上清液作培养基。该污水属低浓度有机污水类, 以有机污染物为主。水质参数见表1。

　　 离心分离装置组成包括:主装置和电压控制输配器。该装置最大电压170V, 整体尺寸为:45cm×76cm×112cm, 最高转速28 000r/min, 最大进水速率为57L/h, 分离因子为28 500, 该装置的基本工作原理是通过电压控制器调控电压来控制转速, 其收获微藻的原理如图1所示。

　　 藻液从藻液进料口进入, 通过分离片和离心力的作用, 较轻的水从排水口排出, 而较重的藻体从排藻口排出, 从而实现藻水分离的目的。

　　 不同藻种由于所含色素不尽相同从而拥有不同的吸收波长, 所以测定微藻在分光光度计下的光密度值可间接了解藻液中的微藻生物含量^[6]。课题组前期对蛋白核小球藻进行全波长扫描, 选取其在最大吸收峰下的吸光值681nm作为蛋白核小球藻的最佳吸光度, 因而采用该波长下藻液吸光度的值 (OD₆₈₁) 来间接反映藻液中微藻的生物量大小。

　　 本研究检验离心分离装置收获微藻的效果采用了3个指标, 分别为:微藻采收率、微藻浓缩倍数和微藻采收速率。分别测定初始藻液、采收后的藻液、采收后藻液出水的光密度值OD₆₈₁来进行计算, 见式 (1) ~式 (4) 。

　　 微藻采收率:

　　 微藻浓缩倍数:

　　 式中c_f———采收后浓缩藻液的浓度 (以OD值表示) ;

　　 c₀———原始藻液浓度;

　　 v_f———浓缩藻液体积;

　　 v₀———原始藻液体积。

　　 考虑到浓缩后的微藻藻液OD值过高, 容易产生误差, 浓缩后的藻液浓度可以通过换算得来:

　　 式中v_r———采收残余液体浓度;

　　 v_f———采收残余液体体积。

　　 微藻采收速率:

　　 式中m———浓缩后藻体干重;

　　 t———微藻采收时间。

　　 根据所选择的离心分离装置可提供的转速, 在26 000~28 000r/min区间每隔500r/min设置1个梯度, 共5个梯度用于试验。主要参数还包括:藻液进水速率0.65L/min、收获时间15′23″。利用培养7d后达稳定期的藻液作为原始藻液, 藻细胞质量浓度为0.17g/L, 藻液pH原始值为8.1。然后, 通过检测离心分离收获前后藻液的OD₆₈₁值, 分别计算微藻采收率、微藻采收速率和微藻浓缩倍数。试验结果如图2~图4所示。

　　 由图2~图4可知, 转速对微藻采收率与微藻浓缩倍数均有影响, 转速加快可较大程度地浓缩收获后的藻液, 从而降低藻液含水率。如图2所示, 转速从26 500r/min上升到28 000r/min, 采收率明显提高, 当转速提高到28 000r/min后, 采收率从65%提高到最大值86.8%。如图3、图4所示, 在28 000r/min时, 采收速率和浓缩倍数也达到最大值0.10g/min及初始藻液的34.7倍, 因此可确定该转速为离心分离装置收获微藻的最佳转速。

　　 试验所使用的离心分装置式设置0.67L/h、0.83L/h、1L/h 3个可调控的进水速率梯度。但根据测试, 实际进水速率分别为:0.65 L/min、0.82L/min、0.95L/min。基于这3个进水速率, 同时保持其他影响因素条件不变:藻液处理量为10L、转速28 000r/min、收获时间15′23″, 原始藻液为扩大培养7d后的藻液, 藻液初始浓度为0.18g/L, 初始pH 6.8。然后, 检测离心分离收获前后藻液的OD₆₈₁值, 计算微藻采收率、微藻采收速率与微藻浓缩倍数。试验结果如图5~图7所示。

　　 由图5~图7可见, 进水速率对离心分离收获微藻效果的影响亦十分显著。如图5所示, 随着进水速率的降低, 微藻采收率有显著提升, 在进水速率0.65L/min下, 微藻采收率达到最大值88.0%。可见, 离心分离对微藻收获率随着藻液在装置中内滞留时间的延长会持续提高, 但在0.65 L/min和0.82L/min的进水速率下, 两者的微藻采收率相近, 收获后的藻液浓缩倍数也比较相近。并且在0.82L/min进水速率的条件下所得到的微藻浓缩倍数是最高的, 这是因为处理同样体积的微藻在进水速率0.65L/min条件下大于0.82L/min条件下所消耗的时间, 所以其微藻采收速率和微藻浓缩倍数反而稍低于0.82L/h进水速率时的微藻采收速率。综上所述, 可以确定0.82L/min为离心分离装置收获微藻技术的最佳进水速率。

　　 设定藻液质量浓度梯度:0.2g/L、0.6g/L、1.0g/L、1.2g/L、1.5g/L;但因实际稀释质量浓度有误差影响, 试验实际藻液质量浓度为:0.30g/L、0.65g/L、1.03g/L、1.24g/L、1.49g/L。固定其他影响因素的条件为:转速28 000r/min, 藻液进水速率0.95 L/min, 收获时间10′23″, 藻液初始pH6.8。然后, 检测离心分离收获前后藻液的OD₆₈₁值, 分别计算出微藻采收率、微藻采收速率和微藻浓缩倍数。试验结果如图8~图10所示。

　　 如图8所示, 藻液浓度的大小对离心分离装置采收微藻效果有显著影响, 藻液质量浓度的上升时, 微藻采收率显著提高, 在1.24g/L附近达到最高值, 而后藻液质量浓度再升高采收率反而下降。这是因为离心分离是在固定离心力作用下工作, 其单位时间内的收获微藻能力有上限。藻液质量浓度1.24g/L时采收率达到最高值84.2%, 这一结果与李昌鸿^[7]在同样利用离心分离捕获海洋微藻Nannochloropsis oculate时在1~1.2g/L的藻液质量浓度条件下微藻采收率最高的结果是一致的。

　　 虽然藻液质量浓度为1.49g/L时, 采收率有所下降, 但如图9所示, 初始藻液质量浓度为1.49g/L时和1.24g/L时, 二者单位时间内采收的微藻质量相近。同时藻液质量浓度为1.49g/L时采收速率略高, 达到0.31g/min, 高于1.24g/L时的0.29g/min。同时, 如图10所示, 虽然藻液质量浓度为1.49g/L时的采收率低于1.24g/L时, 但二者的微藻浓缩倍数比较的接近, 1.49g/L时略高。证明离心分离装置在这两种藻液质量浓度条件下的对微藻的收获总量相当。

　　 但考虑到要将原始藻液的质量浓度浓缩到1.49g/L的难度远高于1.24g/L, 所以综合考虑, 离心分离装置收获微藻工艺的最佳藻液质量浓度可设定在1.2g/L左右。

　　 设定藻液的pH梯度为:5.0、6.0、7.0、8.0、9.0, 5个梯度进行试验。同时其他主要参数为:转速28 000r/min, 进水速率0.95L/min, 处理时间为10′32″, 试验所用藻液质量浓度0.32g/L。然后, 检测离心分离收获前后藻液的OD₆₈₁值, 分别计算微藻采收率、微藻采收速率和微藻浓缩倍数。试验结果如图11~图13所示。

　　 由图11分析可知, 中性条件下微藻采收率、微藻采收速率和微藻浓缩倍数效果最佳。同时低pH条件下的采收效果略优于高pH条件, 证明低pH对藻体的絮凝效果有正面影响。而由图12可知, 藻液的pH对于微藻采收速率的影响并不强烈, 中性和较低pH条件下的采收效果胜过高pH条件。同样, 由图13可知, pH对微藻浓缩倍数的影响与对微藻采收效果的影响一致。由此可确定藻液pH为7.0是离心分离装置收获微藻技术的最佳酸碱度。

　　 为了分析培养微藻后污水的处理效果, 以及离心分离收获微藻对水质有机物的作用效果, 按照相对最佳工艺参数的转速28 000r/min、进水的速率0.82L/min、藻液的浓度1.2g/L、pH 7.0的工况条件运行, 检测出水中的常规水质指标COD、SS、TN、NH₃-N、TP, 检测结果如图14所示。

　　 如图14所示, 微藻对于生活污水的净化作用效果较好, 对COD、SS、TN、NH₃-N、TP的去除率分别是:67.9%、87.2%、66.0%、80.0%、80.4%, 测定的出水水质指标优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 的一级排放标准, 其COD、TN、TP等符合一级A排放标准。由此说明利用城市生活污水培养微藻可制备生物能源, 并为城市生活污水的治理与再生利用提供了新的途径。

　　 本文通过离心分离装置来收获城市生活污水持续培养的微藻, 研究其体系中的藻体, 对离心分离方式收获微藻的影响因素进行试验分析, 优化比选离心分离的工况, 并研究微藻对城市污水的净化效果, 主要结论如下:

　　 (1) 离心分离装置收获微藻, 相对最优的工况为:转速持续在28 000r/min、藻液进水的速率0.82L/min、藻体的质量浓度1.2g/L、初始pH 7.0。

　　 (2) 相对最佳运行条件下, 离心分离装置收获微藻的采收率为86.1%、采收速率为0.83g/min、浓缩倍数为31.9倍。

　　 (3) 离心分离装置收获微藻后, 出水的水质符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 一级排放的要求, 且部分指标已满足一级A的排放要求。