冷冻复合法处理高盐高有机物废水

杨晖; 王锐; 付梦晓; 江苑菲; 史彦卓; 郭宝霞; 李彩斌

doi:10.12030/j.cjee.202004143

冷冻复合法处理高盐高有机物废水

1.
北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室，北京 100044
2.
北京中持绿色能源环境技术有限公司，北京 100192

作者简介: 杨晖(1970—)，女，博士，副教授。研究方向：能源应用与热质交换。E-mail：yanghui@bucea.edu.cn

通讯作者: 杨晖, E-mail: yanghui@bucea.edu.cn ;

基金项目:
北京市科委2015资源环境与可持续发展专项课题(Z151100001415007)
中图分类号: X703

Treatment of the wastewater with high concentration of salt and organic matters using the combined methods with freezing

1.
Beijing Municipality Key Lab of Heating, Gas Supply, Ventilating and Air Conditioning Engineering, School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
2.
Beijing Sustainable Green ET. Co. Ltd., Beijing 100192, China

Corresponding author: YANG Hui, yanghui@bucea.edu.cn ;

摘要: 基于水分子冷冻结晶过程中排除杂质的原理，将重力、微波和离心方法应用于脱除废水中的有机物和盐。对于配置的初始化学需氧量为10 000 mg·L⁻¹，初始盐度为10 000 mg·L⁻¹的模拟废水，实验研究了应用冷冻-重力-离心方法(FGCM)、冷冻-微波-离心方法(FMCM)和冷冻-微波-重力-离心方法(FMGCM)处理高盐高有机物废水的效果。研究结果表明：FGCM的去除率最高，但耗时最长；FMCM的去除率最低，但耗时最短；FMGCM与FGCM的去除效率相差不多，同时能够有效地缩短处理时间；这3种方法对有机物的脱除效果均好于对盐分的脱除效果。
- 冷冻法 /
- COD脱除率 /
- 脱盐率 /
- 重力方法 /
- 微波处理 /
- 离心处理
Abstract: During the solution freezing process, impurities are expelled by ice formation from water molecules. In this study, gravity-induced, microwave or centrifugal treatment methods were combined with freezing method to remove the salt and organic matter from wastewater. For the simulated wastewater with the initial chemical oxygen demand (COD) of 10 000 mg·L⁻¹ and the initial salinity of 10 000 mg·L⁻¹, treatment experiments were carried out using three combined methods: freezing, gravity-induced and centrifugal method (FGCM), the freezing, microwaving and centrifugal method (FMCM) and the freezing, microwaving, gravity-induced and centrifugal method (FMGCM), to investigate the organic matter and salt removal rates. The results show that FGCM had the highest removal rate, but the longest process duration; FMCM had the shortest process duration, but the lowest removal rate; FMGCM had similar removal rate as FGCM and could effectively reduce the process duration. These three methods always presented higher organic matter removal rate than salt removal rate.
- freezing method /
- COD removal rate /
- salt removal rate /
- gravity-induced method /
- microwave treatment /
- centrifugal treatment

铁是一种生物必须的营养元素，直接影响浮游植物的光合作用和碳水化合物形成，由于高含氧量和无机态铁的低溶解性，铁通常是制约HNLC海区（High nutrition low chlorophyll）初级生产力的关键微量元素^[1-2]。大规模海洋施铁实验表明，水生态系统中生物可利用铁的增加可以显著提高浮游植物的生物量和光合作用率，从而提高初级生产力，并促使浮游植物的群落结构发生变化^[3-7]。以往研究表明，光自养微生物对碳循环和全球气候起关键作用^[8-9]。初级生产力的提高，深刻地影响着全球尺度的二氧化碳固定，对温室气体的控制具有重要意义。

水生态系统中，99%溶解性铁（dissolved iron，DFe）与有机配体结合。尽管大部分有机络合态铁不能直接被藻类利用，但通过一些地球化学转化过程，可转变为生物可利用铁^[10-11]。Blazevic等^[12]研究发现，海洋中腐殖酸结合态铁可以发生光还原反应，进而提高铁的生物可利用性。沼泽性河流是海洋DFe的重要来源^[13]。沼泽性河流中大量存在的溶解性有机碳（DOC, dissolved organic carbon）与铁离子形成有机络合物，使水中保持较高浓度DFe。有机质中羧基和酚羟基是与铁络合的主要官能团。泥炭源中的酚酸类物质，含有稳定的芳香环结构。部分酚酸与铁有较高的配合能力，这类物质的存在保护了长距离迁移的DFe，保证了陆源DFe向水生态系统的有效输出^[14]。

泥炭沼泽中存在多种类型酚酸，前人在金川泥炭中检测出了9种酚酸，包括对-羟基苯甲酸、丁香酸、香草酸、阿魏酸、对-香豆酸、没食子酸、原儿茶酸和咖啡酸，许多泥炭沼泽中都有这些酚酸的存在^[14]。研究证实，酚酸等有机质可以和铁形成较为稳定的配合物，使其可以在淡水运输过程中迁移更长的距离^[15]。其中，具有儿茶酚或者没食子酰基结构的原儿茶酸、没食子酸以及咖啡酸可以和Fe（Ⅱ）形成较为稳定的络合物，使得Fe（Ⅱ）在极易被氧化的碱性条件下也可以保存较长时间。而咖啡酸、没食子酸、原儿茶酸以及龙胆酸还对Fe（Ⅲ）有着明显的还原作用，同样有助于这两种铁形态之间的平衡^[16]。

植物或微生物分泌代谢物质对环境中其他植物或微生物体产生不利或有利的影响，这种作用称为化感作用。在化感作用过程中分泌的物质即被称为化感物质，自然界的化感物质种类非常丰富，主要包括酚酸类、苯醌类、倍半萜类、黄酮类等几大类物质^[17]。迄今发现的化感物质几乎都是植物的次生代谢物质，分子量较小，结构简单，其中酚酸类物质是一类重要的次生代谢产物，也是研究较多，被证实是化感活性较强的一类物质^[18]。酚酸具有一定生物毒性。目前对于酚酸抑藻的机制还不十分清楚，其抑制作用可能通过多种方式实现。研究表明，酚酸与蛋白质分子易遵循疏水键-氢键多点键合理论结合。在酚酸存在的情况下，藻细胞的胞外磷酸酶活性受到抑制，碱性磷酸酶活性的抑制使藻利用磷的能力下降。酚酸与细胞膜蛋白的结合，会破坏生物体细胞膜结构，使植物多酚物质进一步穿过细胞膜，进入细胞体内，从而改变微生物细胞酶活性，减少藻类对外源性蛋白质的利用，并通过对细胞外酶的抑制达到抑藻的目的^[19]。另外，如果酚酸进入细胞体后，通过与金属离子发生络合反应，形成沉淀而破坏微生物的正常新陈代谢也是植物多酚抑藻的原因所在^[20]。尽管酚酸存在生物毒性，但适量前提下，对藻类生长有积极作用^[21]。泥炭源典型酚酸与铁的络合物是否对藻类利用铁有显著影响尚待进一步研究。因此，探究酚-铁配合物络合稳定性及其生物可利用性有助于进一步了解生物对铁的吸收，更好地理解全球铁碳耦合循环。

铜绿微囊藻（microcystic aeruginosa）是中国湖泊、水库及其他水域生态系统水体富营养化蓝藻水华的代表性藻类。本文铜绿微囊藻为培养对象，利用泥炭源典型酚酸及泥炭溶解有机质（DOM）开展了一系列培养试验，以期了解泥炭沼泽源酚酸以及酚-铁络合物对铜绿微囊藻生长的影响。

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 实验材料

试验所用铜绿微囊藻藻源，由中国科学院水生生物研究所提供，采用BG-11培养基培养。

4种酚酸的配制：以1.7 g·L⁻¹的浓度配制BG-11培养基，然后将对羟基苯甲酸、对香豆酸、水杨酸、咖啡酸加入，分别配制4份浓度为0.24 g·L⁻¹的酚酸溶液。用0.22 μm滤膜在超净台中过滤，并用紫外光照射30 min，消除微生物的影响，现配现用。

藻种培养条件：实验前5天，将铜绿微囊藻进行扩大培养。光照强度4000 lx；光暗比24 h∶0 h；温度（25±1）°C；每天摇动培养瓶5次，使藻类生长进入对数生长期。进入对数增长期后，取铜绿微囊藻各300 mL加入到1 L锥形瓶，再加入BG-11培养基100 mL进行驯化培养。

1.2 实验设计

1.2.1 单一酚酸对铜绿微囊藻的抑制作用

由于对羟基苯甲酸和对香豆酸在泥炭中含量相对较高，水杨酸和咖啡酸和铁离子可以络合，实验选择这4种酚酸进行实验。

使用细胞计数仪确定当前藻液浓度，并根据藻液浓度取一定量的处于对数生长期的藻液加入250 mL锥形瓶内，其中分别添加稀释了不同倍数的酚酸溶液，最后用培养基补足，使得锥形瓶内的液体总体积达到150 mL。每个锥形瓶内藻的初始密度为10⁵ cell·mL⁻¹，酚酸的最终浓度梯度分别为0、10、20、40、60、80 mg·L⁻¹，每组3个平行，置于光照培养箱内。培养温度为（20±1）℃，光照强度为4000 lx，24 h光照，每天震荡3—5次。

1.2.2 酚络合态铁对铜绿微囊藻生长的影响

选用水杨酸和咖啡酸与铁形成络合物，探究酚铁对藻类生长的影响。实验选择的酚酸浓度为5×10⁻⁵ mol·L⁻¹，铁浓度为1×10⁻⁶ mol·L⁻¹，在此条件下酚酸浓度为铁浓度的50倍，可以有效保护体系中的二价铁。此外，由于泥炭沼泽中也普遍存在草酸、柠檬酸、酒石酸、乙酸等无苯环的小分子有机酸，所以实验选择草酸、柠檬酸、乙酸作为干扰物质加入到酚铁体系中进行藻类的培养实验。

藻类的培养实验分为10组，每组添加的物质如下：A.水杨酸+硫酸亚铁；B.咖啡酸+硫酸亚铁；C.水杨酸+草酸+硫酸亚铁；D.水杨酸+乙酸+硫酸亚铁；E.咖啡酸+草酸+硫酸亚铁；F.咖啡酸+乙酸+硫酸亚铁；G.水杨酸+柠檬酸+硫酸亚铁；H.咖啡酸+柠檬酸+硫酸亚铁；I.不添加酸和铁的对照组；J.只添加铁的对照组。

以上试验均为期15 d，每隔48 h取样1次，记录藻细胞数量的变化，以及藻存活情况的变化和pH值的变化。培养周期结束后分别取10 mL和5 mL样品，测量样品中叶绿素a的含量和叶绿素荧光参数Fv/Fm（最大光能转化效率）。其中Fv/Fm常用来表征叶绿素PsⅡ（低铁环境藻类光系统Ⅱ）反应中心内禀光能转换效率，反映当时所有的PsⅡ反应中心均处于开放态时最大光量子产量。

1.2.3 生理指标的测定方法：

为测藻细胞存活率及藻细胞数量，使用5-CFDA染色，具体操作方法如下：

（1）用DMSO（二甲基亚砜）5-CFDA稀释至10 mmol·L⁻¹。将99 μL已经配制好的BG-11培养基与1 μL的5-CFDA混合作为A液，摇晃10 s混匀；

（2）将50 μL样品与50 μL A液混匀，用移液枪至少吹打10次；

（3）在25℃条件下将上一步准备好的样品避光放置30 min；

（4）用移液枪将待测样品吹打10次或摇晃，使藻细胞分散，然后用移液枪取20 μL加入计数板内。在计数板插入仪器之前，稳定1 min，使样品在其中稳定下来。

将细胞染色后，使用细胞计数仪计数，并观察细胞的存活状态。

测量样品叶绿素a的含量：

（1）取藻液10 mL，4500 r·min^-1离心15 min，去掉上层清液，将样品在4℃冰箱中放置1 d；

（2）取出后迅速加入5 mL的90%热乙醇（80℃）于80℃的热水浴萃取2 min，再用超声处理10 min，放在暗处萃取4 h后，用0.22 μm的滤头过滤。用酶标仪于波长665 nm和750 nm处测吸光值，然后滴加1滴1 mol·L⁻¹的盐酸酸化，于波长665 nm和750 nm处再测吸光值。计算公式为：

${\rm{Chla}}_{乙醇}=27.9×[(E_{665}-E_{750})-A_{665}+A_{750})]×V_{乙醇}/V_{样品}$

其中，Chla_乙醇为热乙醇法测定的叶绿素a含量（μg·L⁻¹）；E₆₆₅是乙醇萃取液于波长665 nm的吸光值；E₇₅₀是乙醇萃取液于波长750 nm的吸光值；A₆₆₅为乙醇萃取液酸化后在665 nm处的吸光值；A₇₅₀为乙醇萃取液在750 nm处的吸光值；V_乙醇为乙醇萃取液的体积（mL），V_样品为所取样品的体积（mL）。

抑制率计算公式：IR=（1-N/N₀×100%）抑制率为负值则有促进效果，抑制率为正则抑制。

1.2.4 泥炭沼泽源酚络合态铁对铜绿微囊藻生长的影响

培养前准备：

（1）提取泥炭中的DOM；

（2）将样品通过H型阳离子柱交换柱，去除样品中存在的金属离子；然后将DOM样品按照<1 KDa，1—3 KDa，>3 KDa分成3份；

（3）将3份样品中加入FeSO₄，待稳定一段时间后，取10 mL加入培养基中，加入后Fe的浓度为5×10⁻⁶ mol·L⁻¹。

铜绿微囊藻培养实验分为5组，每组3份平行，每组添加的物质如下：A．无添加；B．Fe，浓度为5×10⁻⁶ mol·L⁻¹；C．DOM-Fe（<1 KDa），Fe浓度为5×10⁻⁶ mol·L⁻¹；D．DOM-Fe（1—3 KDa），Fe浓度为5×10⁻⁶ mol·L⁻¹；E．DOM-Fe（>3 KDa），Fe浓度为5×10⁻⁶ mol·L⁻¹。

实验均为期15 d，每隔48 h取样1次，记录藻细胞数量的变化，以及藻存活情况的变化。

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 不同酚酸影响微囊藻生长的浓度效应

在微囊藻培养体系中分别加入不同浓度四种酚酸溶液，经过14 d培养和检测，得到微囊藻-酚酸的生长曲线如图1所示。图1中A、B为不同浓度的对羟基苯甲酸和对香豆酸对微囊藻生长情况的影响。可以看出，当酚酸浓度为10 mg·L⁻¹和20 mg·L⁻¹时，微囊藻的生长速率和最终达到的终点浓度明显高于控制组（0）抑制率为-23.5%—18%。从微囊藻浓度上来看，当酚酸浓度为10 mg·L⁻¹和20 mg·L⁻¹时，生长情况比较接近，说明在此浓度下，这两种酚酸对微囊藻的生长有一定的刺激作用。在A、B组中当酚酸浓度超过20 mg·L⁻¹时，藻液浓度和藻的生长速率明显低于控制组；当浓度增加到40 mg·L⁻¹时，这两种酚酸对微囊藻的生长起到了明显的抑制作用，而对羟基苯甲酸的对微囊藻生长的抑制作用更加明显；浓度继续增加到60—80 mg·L⁻¹时，微囊藻前4—5天略有增长，然后基本停止了增长，保持在3×10⁶ cell·mL⁻¹左右。对香豆酸60 mg·L⁻¹组的藻数量略高于80 mg·L⁻¹组。

在C组水杨酸-微囊藻的实验中，水杨酸浓度为10 mg·L⁻¹时，增长的速度与控制组接近，在8—10 d快速增长后，藻数量和控制组趋于一致。而当浓度大于10 mg·L⁻¹时，都出现了明显的抑藻效果，抑制率约为80%。

结合图2中存活率来看（从培养的第4天开始测微囊藻的存活率）当浓度为10 mg·L⁻¹时，微囊藻的存活率都略低于控制组，差值在10%左右浮动，当浓度为20—40 mg·L⁻¹，在开始计数时，藻类的存活率就已不同程度地低于控制组，并且A、C、D存活率在4—14 d整体处于下降的趋势，可以看出，水杨酸对微囊藻的抑制作用最强。

表1是各组样品的Fv/Fm，最大光能转化效率Fv/Fm常用来表征叶绿素PsII反应中心内禀光能转换效率，反映当时所有的PsII反应中心均处于开放态时最大光量子产量。

在非胁迫环境下，植物叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm变化极小，表现出稳定的特点，但在胁迫条件下，该参数明显下降^[22]。Fv/Fm可作为植物受环境胁迫的响应指标^[23]。控制组的Fv/Fm为0.308。一般情况下，微囊藻的Fv/Fm在0.3左右，当Fv/Fm过低表明藻类受到环境胁迫，PSII中心受到损伤进而降低光合作用效率。由表1可以看出，当水杨酸浓度大于20 mg·L⁻¹时会对微囊藻的光合作用产生明显抑制，当各组酚酸浓度超过60 mg·L⁻¹时，藻类基本停止了光合作用，这和前文中藻类的生物量变化和存活率相吻合。表2是各个组叶绿素含量的均值，数据表明：各组中相对低浓度的酚酸，不仅对藻类数量的增长有促进作用，也促进了叶绿素含量的增加。

图 1 铜绿微囊藻生长曲线

Figure 1. Microcystis aeruginosa growth curve

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图 2 铜绿微囊藻存活率变化

Figure 2. Changes in survival rate of Microcystis aeruginosa

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表 1 铜绿微囊藻的Fv/Fm

Table 1. Fv/Fm of Microcystis aeruginosa

	对羟基苯甲酸P-hydroxybenzoic acid	对香豆酸P-coumaric acid	水杨酸Salicylic acid	咖啡酸Caffeic acid
010×10⁻⁶20×10⁻⁶40×10⁻⁶60×10⁻⁶80×10⁻⁶	0.3080.3100.2920.3020.0390.000	0.3080.3100.3140.3240.0490.000	0.3080.3090.0230.0140.0000.000	0.3080.3310.2760.3600.0380.000
注：0—80×10⁻⁶分别对应添加的4种酚酸浓度，表中数据是在微囊藻培养期结束时测得的Fv/Fm。
Note: 0—80×10⁻⁶ respectively correspond to the four added phenolic acid concentrations. The data in the table are the Fv/Fm measured at the end of the Microcystis culture period.

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表 2 铜绿微囊藻叶绿素含量（g·L^-1）

Table 2. Chlorophyll content of Microcystis aeruginosa

	对羟基苯甲酸P-hydroxybenzoic acid	对香豆酸P-coumaric acid	水杨酸Salicylic acid	咖啡酸Caffeic acid
010×10⁻⁶20×10⁻⁶40×10⁻⁶60×10⁻⁶80×10⁻⁶	0.5681.0141.1380.7750.0000.000	0.5680.7370.8620.5680.0000.000	0.5680.7960.0090.0000.0000.000	0.5682.0932.2011.3590.0000.000
注：0—80×10⁻⁶分别对应添加的4种酚酸浓度，表中数据是微囊藻培养期结束时测得的叶绿素含量。
Note: 0—80×10⁻⁶ respectively correspond to the four phenolic acid concentrations added. The data in the table is the chlorophyll content measured at the end of the Microcystis culture period.

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2.2 酚络合态铁的生物可利用性

根据上述试验结果可以得出，当这4种典型泥炭源酚酸的浓度达10 mg·L⁻¹时，从生物量、存活率以及光合作用强度来说对微囊藻的生长没有明显抑制作用。普遍认为，藻类吸收Fe主要是离子形态，而不是有机络合态Fe^[24]。目前，仅观察到在产生铁载体的微生物中存在铁载体复合物的吸收及其在细胞中的还原^[25]。已有研究发现，有机络合态铁中铁的释放途径不同。其中包括简单的配体-金属平衡（Ligand-Metal balance），平衡在初级生产者消耗铁后发生变化，促进铁从络合物中分离。另一个途径是基于配体的降解，这也导致了Fe和配体的分离。第三种可能是通过有机态铁的还原，降低配体对铁的亲和力，并导致Fe的释放。这个过程可能是由于络合物的自还原/氧化而发生的，这意味着配体氧化同时也释放产生Fe^[26]。尤其是光还原分解对铁的生物利用度有很大影响，这一释放铁途径被称为AHS（aquatic humic substances）机制^[12]。

图3是加入不同酸和Fe²⁺的微囊藻生长曲线。施加和不加Fe²⁺的对照试验表明，在培养1—9 d，两组生长速度以及生物量大致相同。在第9天后，施加Fe²⁺组的生长速度放缓，最终的藻密度低于对照组。图3表明在没有配体存在的情况下，加入一定量的铁对微囊藻生长促进作用不明显。同时，观察发现，在藻类指数生长阶段出现了较高的pH值（高达10.5），这与二氧化碳生物需求增加有关。在指数生长结束和平台期开始后，pH值略下降。在藻类生长平缓或生长不良的样品中，pH值无显著变化，pH值大多保持在6—8。

能促进藻类生长的酚酸应当与三价铁有较高的亲和力，与二价铁有较低的亲和力^[27]。试验表明，相对其他3种酚酸铁配合物体系，水杨酸铁不能有效地为微囊藻提供生物可利用性铁，这可能与水杨酸的稳定性较强有关^[27]。对照表明，用咖啡酸处理的微囊藻生长良好，最高浓度达到2.19×10⁷ cell·mL⁻¹。这可能是咖啡酸中的儿茶酚基结构所引起的，并且有更高的氧化还原潜力，更容易将Fe从配合物中释放。Santana等 ^[28]的研究也证实了在生物条件下还原络合物的可能性。总体上，酚酸的加入提高了藻类对Fe的生物可利用率。

图2显示藻类存活率从第10天开始明显下降，藻类计数可能包括了死藻，因此选择第11天数据进行显著性分析。结果表明（表3），在0.05的置信水平下，咖啡酸的加入对微囊藻生长有显著促进作用，而水杨酸在0.05的置信水平下，对微囊藻生长无显著促进作用。

图 3 微囊藻生长曲线

Figure 3. Microcystis growth curve

A.水杨酸+硫酸亚铁 B.咖啡酸+硫酸亚铁 C.水杨酸+草酸+硫酸亚铁 D.水杨酸+乙酸+硫酸亚铁 E.咖啡酸+草酸+硫酸亚铁 F.咖啡酸+乙酸+硫酸亚铁 G.水杨酸+柠檬酸+硫酸亚铁 H.咖啡酸+柠檬酸+硫酸亚铁 1_3.不添加酸和铁的对照组 Fe1_3硫酸亚铁

A. Salicylic acid+Ferrous sulfate B. Caffeic acid+Ferrous sulfate C. Salicylic acid+Oxalic acid+Ferrous sulfate D. Salicylic acid+Acetic acid+Ferrous sulfate E. Caffeic acid+Oxalic acid+Ferrous sulfate F. Caffeic acid+Acetic acid+Ferrous sulfate G. Salicylic acid+Citric acid+Ferrous sulfate H. Caffeic acid+Citric acid+Ferrous sulfate 1_3. Control group without acid and iron Fe1_3. Ferrous sulfate

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表 3 第11天不同试验组微囊藻浓度变化的相关性矩阵

Table 3. Correlation matrix of changes in the concentration of Microcystis in different test groups on the 11th day

	1_3	Fe1_3	A	B	C	D	E	F	G	H
1_3	1	0.963	0.971	−0.358	0.474	0.657	0.246	0.461	0.983	0.491
Fe1_3	0.963	1.00	1.000*	−0.095	0.221	0.835	−0.022	0.682	0.996	0.707
A	0.971	1.000*	1.00	−0.126	0.251	0.818	0.008	0.659	0.999*	0.685
B	−0.358	−0.095	−0.126	1.00	−0.992	0.468	−0.993	0.663	−0.179	0.637
C	0.474	0.221	0.251	−0.992	1.00	−0.352	0.970	−0.563	0.302	−0.534
D	0.657	0.835	0.818	0.468	−0.352	1.00	−0.569	0.972	0.785	0.979
E	0.246	−0.022	0.008	−0.993	0.970	−0.569	1.00	−0.746	0.062	−0.723
F	0.461	0.682	0.659	0.663	0.663	0.972	−0.746	1.00	0.618	0.999*
G	0.983	0.996	0.999*	−0.179	0.302	0.785	0.062	0.618	1.00	0.645
H	0.491	0.707	0.685	0.637	−0.534	0.979	−0.723	0.999*	0.645	1.00
注：. 在 0.05 水平（双侧）上显著相关。Notes：. Significant correlation at 0.05（bilateral） level.

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2.3 泥炭沼泽源DOM-Fe的藻类可利用性

许多泥炭源有机质同时含有酚羟基和羧基，具有酚酸性质。但由于泥炭有机质组成复杂多样，现有技术尚不能有效分离不同性质有机化合物。因此，利用不同分子量段有机质与铁的络合物，开展藻类培养试验有助于客观评估泥炭源DOM-Fe的藻类可利用性。利用不同分子量段DOM-Fe，进行培养试验，铜绿微囊藻的生长情况如图4。表4 结果表明，在0.05 的置信水平下，不同组之间差异不具统计显著性，但图4 还是反映出有机态铁对藻类生长的促进趋势.

结果显示（图3和图4），不同分子量结合态Fe均促进了铜绿微囊藻的生长，但影响程度不同。添加Fe后，铜绿微囊藻的生物量和控制组相比均有增加，微囊藻生长得到促进，最终达到10⁷ cell·mL⁻¹。其中，微囊藻在7—11 d增长最快；其次，对比生长终点可以发现不同DOM-Fe促进效果存在差异：E组>D组>C组>B组>A组>无Fe组；第三，添加DOM显著促进了藻的生长。研究表明，相对于Fe³⁺，藻类更倾向于利用Fe^2+[29]。这是由于具有一定还原能力的DOM可以减缓二价铁的氧化^[30]，从而提高了藻类对铁的利用率。此外，不同分子量段DOM与Fe的络合稳定常数略有不同，较高分子量的DOM（>3 kD）与Fe的络合稳定常数较小^[30]，在光照或者其他条件下容易发生解离，产生易被藻类利用的Fe。而泥炭源低分子量DOM（<1 KD）络合态铁，由于其络合稳定的常数相对较高，在培养体系中更加稳定，相对不易被藻类利用。

图 4 铜绿微囊藻生长曲线A.无添加 B.硫酸亚铁 C.DOM-Fe（<1KD ） D.DOM-Fe（1-3 KD） E.DOM-Fe（> 3KD）

Figure 4. Microcystis aeruginosa growth curve

A. No addition B. Ferrous sulfate C.DOM-Fe（<1KD） D.DOM-Fe（1-3KD） E.DOM-Fe（>3KD）

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表 4 第11天不同试验组铜绿微囊藻生长浓度变化的相关性矩阵

Table 4. Correlation matrix of growth concentration changes of Microcystis aeruginosa in different test groups on the 11th day

	A	B	C	D	E
A	1	−.751	.350	−.167	.770
B	−.751	1	−.881	.776	−.158
C	.350	−.881	1	−.982	−.327
D	−.167	.776	−.982	1	.500
E	.770	−.158	−.327	.500	1
注：. 在 0.05 水平（双侧）上显著相关. Notes：. Significant correlation at 0.05（bilateral） level.

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3. 结论（Conclusion）

（1）4种酚酸对藻类生长的影响均呈现“低促高抑”的规律。从藻类生物量和叶绿素含量来看，抑藻效果从高到低：水杨酸>对羟基苯甲酸>对香豆酸>咖啡酸；结合藻类的存活率，虽然低浓度酚酸刺激了藻类生物量的增长，但是也对藻类的生存产生了一定的负面影响：在添加10 mg·L⁻¹酚酸的几组样品中，微囊藻的存活率都略低于控制组。

（2）添加酚酸的藻类样品中，当水杨酸浓度达到20 mg·L⁻¹时，Fv/Fm明显降低（0.3降低到0.02左右），而其它3种酚酸浓度达到60 mg·L⁻¹才出现抑制，说明水杨酸抑制作用最强。

（3）不同酚铁络合物的生物可利用性存在差异：相对咖啡酸和水杨酸，水杨酸络合态铁更难被藻类利用，除酚毒性效应外，还与其较高的络合稳定性有关。

（4）泥炭源不同分子段DOM-Fe对藻类生长的促进作用从高到低依次为：>3 KD，1—3 KD，<1 KD。高分子段DOM（>3 kD）与Fe的络合稳定常数最小，在光照或者其他条件下容易发生解离，更易释放Fe而被藻类利用；泥炭源低分子量DOM（<1 KD）络合态铁，因其络合稳定常数相对较高，相对不易被藻类利用。

致谢：感谢中国科学院水生生物研究所的大力支持。

图 1 实验流程图

Figure 1. Flow diagram of experiments

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图 2 微波处理装置

Figure 2. Microwave treatment device

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图 3 重力处理装置

Figure 3. Gravity treatment device

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图 4 FMCM中脱除率、净水率与微波时间关系

Figure 4. Relationship between removal rate, wastewater purification rate and microwave time during FMCM treatment

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图 5 FMCM中脱除率与净水率的曲线拟合

Figure 5. Curve fitting between the removal rate and wastewater purification rate during FMCM treatment

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图 6 FGCM中脱除率、净水率与重力时间关系

Figure 6. Relationship between removal rate, wastewater purification rate and gravity time during FGCM treatment

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图 7 FGCM中脱除率与净水率的曲线拟合

Figure 7. Curve fitting between the removal rate and wastewater purification rate during FGCM treatment

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图 8 FMGCM中脱除率、净水率与时间关系

Figure 8. Relationship between removal rate, wastewater purification rate and time during FMGCM treatment

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图 9 FMGCM中脱除率与净水率的曲线拟合

Figure 9. Curve fitting between the removal rate and wastewater purification rate during FMGCM treatment

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图 10 COD脱除率与净水率的关系

Figure 10. Relationship between the COD removal rate and wastewater purification rate

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图 11 脱盐率与净水率的关系

Figure 11. Relationship between the salt removal rate and wastewater purification rate

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图 12 时间与净水率的关系

Figure 12. Relationship between the time and wastewater purification rate

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表 1 FMCM实验结果

Table 1. Experimental results for FMCM experiments

编号	M₀/g	M_i/g	R_i/%	C_i/(mg·L⁻¹)	R_c/%	D_i/(mg·L⁻¹)	R_d/%	M_w/g	R_w/%
A1	490.45	457.91	6.63	2 330	76.7	2 350	76.5	381.81	77.85
A2	490.56	437.84	10.75	1 740	82.6	2 000	80	365.00	74.4
A3	491.47	434.15	11.66	1 670	83.3	1 790	82.1	353.26	71.88
A4	494.37	398.61	19.37	1 590	84.1	1 740	82.6	306.16	61.93
A5	491.53	383.42	21.99	1 500	85	1 690	83.1	291.69	59.34
A6	493.72	353.17	28.47	790	92.1	1 180	88.2	253.29	51.3
A7	493.78	319.44	35.31	620	93.8	830	91.7	181.84	36.83

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表 2 FGCM实验结果

Table 2. Experimental results for FGCM experiments

编号	M₀/g	M_i/g	R_i/%	C_i/(mg·L⁻¹)	R_c/%	D_i/(mg·L⁻¹)	R_d/%	M_w/g	R_w/%
B1	487.47	453.97	6.87	1 700	83	1 860	81.4	327.33	67.15
B2	486.3	433.02	10.96	1 430	85.7	1 560	84.4	301.25	61.95
B3	484.39	426.36	11.98	1 230	87.7	1 390	86.1	300.53	62.04
B4	482.59	384.54	20.32	760	92.4	910	90.9	244	50.56
B5	485.11	376.71	22.35	600	94	770	92.3	228.8	47.16
B6	480.87	341.56	28.97	440	95.6	540	94.6	190.46	39.61
B7	483.35	309.88	35.89	240	97.6	300	97	140.95	29.16

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表 3 FMGCM实验结果

Table 3. Experimental results for FMGCM experiments

编号	M₀/g	C_i/(mg·L⁻¹)	R_c/%	D_i/(mg·L⁻¹)	R_d/%	M_w/g	R_w/%
C1	478.01	1 410	85.9	1 530	84.7	310.02	64.86
C2	483.39	1 280	87.2	1 420	85.8	298.83	61.82
C3	483.64	1 040	89.6	1 190	88.1	272.06	56.25
C4	485.58	650	93.5	870	91.3	259.11	53.36
C5	479.11	500	95	630	93.7	204.65	42.71
C6	487.19	430	95.7	530	94.7	170.02	34.9
C7	484.96	260	97.4	330	96.7	163.69	33.75

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图( 12) 表( 3)

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1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 实验材料
1.2 实验设计
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 不同酚酸影响微囊藻生长的浓度效应
2.2 酚络合态铁的生物可利用性
2.3 泥炭沼泽源DOM-Fe的藻类可利用性
3. 结论（Conclusion）

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石油化工产业是我国经济的支柱产业之一，石化产业生产过程中会产生大量的高盐高有机物废水，其含盐总量一般大于1%^[1]，这类废水的一大特点就是成分复杂，治理难度大^[2]。石化高盐废水主要来自原油电脱盐脱水罐排水及生产环烷酸盐类的排水。这类废水不仅含盐量高，而且含有难降解高浓度有机物，直接排放对环境危害很大。同时，废水中的高浓度无机盐成分会影响微生物的活性，不适宜采用一般的生物处理方法。因此，高盐高有机物废水成为工业废水处理的一项难题。

为了解决微生物在这类废水中失活的问题，一些学者针对驯化微生物以提高其耐盐性进行了研究。杨健等^[3]利用SBR活性污泥法对高含盐量石油发酵工业废水进行有机物降解试验，研究发现驯化后的耐盐活性污泥在TDS浓度50 000~65 000 mg·L⁻¹和COD 3 000~6 000 mg·L⁻¹的废水中几乎不受影响，COD脱除率稳定在90%以上，BOD₅去除率稳定在95%以上。张选军等^[4]采用三相蒸馏+水解酸化+缺氧+接触氧化组合工艺处理某化工厂排放的含盐量为12 g·L⁻¹、COD为14~16 g·L⁻¹的废水。经过5个月的调试，有效地驯化了微生物，使其适应了高盐环境，COD的去除率由23%上升到70%，出水COD<300 mg·L⁻¹。

上述研究在驯化微生物方面取得了一定成果，但对于高盐高有机物废水，驯化后的微生物虽然适应了高盐环境，降解了废水中的有机物，但处理后的废水含盐量并没有降低。一些学者尝试通过物理或化学分离方法，将废水中的有机物和盐分一起去除。李晓丹等^[5]研究了采用高温二级膜法处理COD值30 000 mg·L⁻¹，电导率45 000 μS·cm⁻¹的工业废水，考察了温度、压力等操作条件对二级反渗透废水处理系统性能的影响。结果表明：温度60 ℃，经过二级反渗透处理后，总盐度的脱除率(以电导率计)达到93.9%，COD的脱除率达到98.7%。孙杨等^[6]针对二元羧酸生产过程产生的高含盐高含酸有机废水，分别研究了絮凝、超滤预处理及不同温度下纳滤膜对废水的处理效果，对于COD>15 000 mg·L⁻¹， ${\rm{SO}}_{\rm{4}}^{{\rm{2 - }}}$ >17 g·L⁻¹的原水，纳滤膜在操作压力为1.2 MPa、操作温度为80 ℃的条件下，膜通量达到36 L·(m²·h)⁻¹，产水COD<1 800 mg·L⁻¹， ${\rm{SO}}_{\rm{4}}^{{\rm{2 - }}}$ <5 g·L⁻¹，满足后续生化降解工序的进水要求。周海云等^[7]利用机械蒸汽再压缩(mechanical vapor recompression，MVR)蒸发技术对阿斯巴甜生产废水进行小试实验，确定了中试的蒸发温度、操作压力等关键参数，采用MVR中试装置对阿斯巴甜废水进行蒸发结晶，蒸发浓缩倍数达到21.3倍，实现了高盐高浓度有机废水的资源化再利用。

冷冻法是基于水分子冷冻结晶过程中排除杂质的现象，从而分离获得较为纯净的冰和浓缩溶液^[8]。在只含有可溶性污染物的废水逐渐冻结时，冰晶仅从纯水中生长，污染物则被浓缩保留在液相，从而使污染物与纯水分离^[9]。冷冻法是一种物理分离方法，常压下水的汽化潜热(2 256 kJ·kg⁻¹)是冰的融化潜热(333 kJ·kg⁻¹)的7倍左右^[10]，因此与热法相比，冷冻法理论上需要更少的能量。而且冷冻法在低温下进行，可减轻设备的腐蚀结垢，所以冷冻法具有低能耗、少污染、腐蚀结垢轻的优点^[11]。部分学者对冷冻法处理工业污水展开了一些研究。FENG等^[12]研究了冷冻温度，搅拌速度和pH等相关因素对采用悬浮结晶和冻融技术联合进行废切削液处理和油回收的影响。实验确定了冷冻温度和搅拌速度的最佳操作条件分别为−8 ℃和300 r·min⁻¹，无需调节pH。对于初始COD为18 160 mg·L⁻¹，含油量4 510 mg·L⁻¹的废切削液，COD脱除率达到90%，油回收率可达95%。CHEN等^[13]研发了多级冻融过程从废水中回收喹乙醇并降低COD和盐度的工艺。结果表明，在较低的结冰速率下，COD、电导率、氨氮和全氮的去除效率分别达到99.4%、98.2%、98.7%和98.5%。李晓洋等^[14]研究了冷冻结晶工艺处理高盐高COD废水的影响因素，结果表明：结冰率越高，冷冻温度越低，初始盐浓度或初始COD越高，有机物去除率和脱盐率就越低；接触面积越大，有机物去除率和脱盐率越高。

已有的冷冻法处理高盐高有机物废水研究发现：冷冻过程中，由于污染物迁移速率小于结冰速率，部分浓缩溶液来不及排出而被包裹在冰体内^[15-16]，因此，单纯冷冻的脱除效果不理想，需要结合其他工艺进一步从冰体中分离有机物和盐。笔者所在的课题组在基于冷冻过程的重力、微波、离心复合脱盐工艺方面开展了一些研究^[17-19]，取得了较好的脱盐效果。重力方法是利用冰体在重力作用下自然融化，浓缩溶液与部分冰融水沿着孔隙与外界连通而形成的通道排出，污染物得以脱除。微波方法是通过微波加热代替重力融化的方法处理冰样，加快冰体内污染物脱除进程。离心方法是对冰体施加离心力，使浓缩溶液克服冰体的表面张力和冰表面的黏性附着力被分离，实现脱除污染物的目的。相较于多级冷冻方法，冷冻复合方法的能耗更低。根据课题组的前期研究成果：重力方法脱盐效果好，但依靠自然热源的重力脱盐冬季耗时长；采用微波加热辅助脱盐耗时短，但脱盐效果不如重力脱盐；微波与重力方法复合，能够达到较好的脱盐效果，同时缩短脱盐时间。在此基础上，本文探究了冷冻-重力-离心(freezing，gravity-induced and centrifugal method，FGCM)，冷冻-微波-离心(freezing，microwaving and centrifugal method，FMCM)以及冷冻-微波-重力-离心(freezing，microwaving，gravity-induced and centrifugal method，FMGCM)这3种复合方法对于高盐高有机物废水的处理效果，比较了不同方法的COD脱除率、脱盐率、净水回收率以及处理过程所经历的时间，旨在为以冷冻法为基础的污水处理工艺流程设计提供参考。

3. 结论

1)在冷冻法的基础上附加微波、重力和离心处理方法可以有效脱除废水中的有机物和盐。当FMCM的净水率<75.58%时，COD脱除率>82.6%、脱盐率>80%；当FGCM的净水率<67.15%时，COD脱除率>83%、脱盐率>81.4%；当FMGCM的净水率<64.86%时，COD脱除率>85.9%，脱盐率>84.7%。对于实际中不同情况的处理要求，可采用不同的处理方法。

2)对3种处理方法进行对比发现，FMCM可以加速实验过程，但脱除效果不如其他2种方法；在相同净水率的条件下，FGCM的脱除效果比FMCM好，但是实验耗时最长；FMGCM与FGCM相比，脱除效果接近，同时可以有效缩短实验时间。

3)基于冷冻过程的复合处理方法能够有效地将高盐高有机物废水分离为净化水和浓缩溶液，同时脱除有机物和盐。作为一种废水处理的物理方法，不会产生新的污染物质。由于操作温度低，可以有效地避免高温带来的设备腐蚀，是一种值得进一步研究的工业高盐高有机物废水处理方法。

参考文献 (19)

冷冻复合法处理高盐高有机物废水

作者简介: 杨晖(1970—)，女，博士，副教授。研究方向：能源应用与热质交换。E-mail：yanghui@bucea.edu.cn

通讯作者: 杨晖, E-mail: yanghui@bucea.edu.cn ;

Treatment of the wastewater with high concentration of salt and organic matters using the combined methods with freezing

Corresponding author: YANG Hui, yanghui@bucea.edu.cn ;

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 实验材料

1.2 实验设计

1.2.1 单一酚酸对铜绿微囊藻的抑制作用

1.2.2 酚络合态铁对铜绿微囊藻生长的影响

1.2.3 生理指标的测定方法：

1.2.4 泥炭沼泽源酚络合态铁对铜绿微囊藻生长的影响

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 不同酚酸影响微囊藻生长的浓度效应

2.2 酚络合态铁的生物可利用性

2.3 泥炭沼泽源DOM-Fe的藻类可利用性

3. 结论（Conclusion）

计量

出版历程

冷冻复合法处理高盐高有机物废水

通讯作者: 杨晖, E-mail: yanghui@bucea.edu.cn ;

English Abstract

Treatment of the wastewater with high concentration of salt and organic matters using the combined methods with freezing

Corresponding author: YANG Hui, yanghui@bucea.edu.cn ;

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1.1. 实验流程及计算方法

1.2. 实验所用仪器设备

1.3. FMCM实验

1.4. FGCM实验

1.5. FMGCM实验

2.1. FMCM实验结果

2.2. FGCM实验结果

2.3. FMGCM实验结果

2.4. 实验效果对比

目录

全文HTML

1.1. 实验流程及计算方法

1.2. 实验所用仪器设备

1.3. FMCM实验

1.4. FGCM实验

1.5. FMGCM实验

2.1. FMCM实验结果

2.2. FGCM实验结果

2.3. FMGCM实验结果

2.4. 实验效果对比