猪粪沼液废水净化工艺

猪粪沼液废水净化工艺

随着沼气工程的大规模发展, 大量富营养的猪粪沼液废水对水体环境以及人类健康造成严

重危害.猪粪沼液废水是一种较难处理的有机废水, 具有高浓度氮磷、成分复杂等特点.在未得到妥善处理的情况下, 其中的氮、磷以及有机物等会导致水体富营养化、地下水污染, 造成人类饮用水的污染等水环境问题, 严重破坏水体生态平衡.另一方面, 废水中氨的释放也会对大气带来严重的污染.因此寻求一种有效、简单且经济的猪粪沼液废水处理技术极为重要.

国内外对猪粪沼液废水的处理已进行大量的研究, 研究人员也相继开发了不同的猪粪

沼液废水处理工艺, 主要包括还田模式、自然处理模式和厌氧发酵产沼气模式等.传统的处理方式虽能在一定程度上达到除污的目的, 但也会带来二次污染.目前, 利用微藻处理猪粪沼液废水的技术已得到国内外学者的印证.猪粪沼液废水中含有大量藻类生长所需的氮、磷以及其他营养物质, 将猪粪沼液废水净化与微藻的培养相结合, 既可以达到排放标准, 降

低猪粪沼液废水处理成本, 又可以节约微藻的培养成本, 同时还可利用微藻生物质中的高

附加值产物.但是, 传统的液体悬浮培养(如跑道池等)处理沼液因占地面积大、处理效率不高、条件不易控制、采收成本较高等问题一直未得到工艺化推广利用.

本研究采用贴壁技术培养微藻处理猪粪沼液废水.贴壁培养是将藻细胞与培养基相分离, 并将藻细胞固定在特定的生物膜材料上, 极少量的培养基液体通过附着多孔材料的背面或

内部滴入以使藻细胞处于半干湿润状态, 并在一定光照强度与营养盐浓度下进行生长的培

养方式.利用贴壁方式培养微藻处理猪粪沼液废水, 培养结束后省去了藻细胞离心等高能耗过程, 大大降低培养成本.尽管如此, 通过微藻贴壁培养处理猪粪沼液废水的效果还需要进一步考察研究.当前, 对于藻类细胞的生长以及生物技术方面的应用大多集中于传统的液体悬浮培养, 包括开放的培养池或是PBR反应器, 但这方面的知识信息并不适用于新型的生

物膜贴壁培养方式.

小球藻在培养中油脂含量高、生长周期短、适应能力强、光合效率高, 是一种典型的较为理想的藻种资源.本试验将猪粪沼液废水(原水)稀释成不同比例用于小球藻的贴壁培养, 进而考察小球藻在不同稀释倍数猪粪沼液废水下的生物量增长、油脂积累、pH变化及COD、氨氮、总氮、总磷、重金属铜、锌、铁去除效率, 以确定小球藻在猪粪沼液废水中贴壁培养的最适宜生长浓度, 探究小球藻贴壁培养处理猪粪沼液废水的效果, 以期为畜禽污染控制

和猪粪沼液废水深度处理提供一定的理论基础.

1 材料与方法1.1 藻种来源与培养

本试验所用小球藻(Chlorella pyrenoidosa)由湖北工业大学淡水藻种库提供.小球藻

藻种培养过程所用培养基为BG11.

1.2 猪粪沼液废水

猪粪沼液废水取自湖北省武汉市某畜禽养殖企业经厌氧发酵后的沼液污水, 取水时间

为2016年9月27日10:00.猪粪沼液废水储存于18℃的温度下, 经自然沉降2 d后, 取其上清液进行试验.将猪粪沼液废水(原水)称为1倍猪粪沼液废水, 即取沉降后的上清液3 L

制成培养基. 2倍猪粪沼液废水, 即取沉降后的上清液1 500 mL, 再向其中加入1 500 mL 的蒸馏水, 共计3 L制成培养基.以此类推, 5倍、10倍猪粪沼液废水按上述方法稀释制成培养基.

1.3 反应器与培养方法

本试验小球藻藻种培养所用反应器为玻璃柱式反应器, 内直径0.05 m, 柱高0.55 m, 工作体积0.90 L.反应器内部布置直径5 mm的玻璃通气管, 混合有1.5%CO2体积比的压缩空气(0.10 MPa)以1 mL·s-1的通气速率通过通气管从反应器底部鼓泡, 从而将藻液搅动并补充碳源.培养过程中连续光照, 培养柱表面光强60 μmol·(m2·s)-1, 培养温度20℃±1℃.

贴壁培养反应装置(图 1), 一块长0.40 m, 宽0.20 m, 厚3 mm的玻璃板置于0.50 m ×0.30 m×0.05 m(长×宽×高)的玻璃腔中, 将玻璃板的一面附滤纸, 并接受正上方的光照.将小球藻藻种经过培养至对数期后, 接种相同浓度藻液于醋酸纤维素膜上, 再将其附着于玻璃板的滤纸上, 将附有藻种的玻璃板放入玻璃腔内, 通过循环泵滴加保持小球藻附着材料的湿润状态, 同时为保障玻璃腔内的稳定环境, 用保鲜膜封住玻璃腔的一面.为了培养液更均匀地渗入藻细胞内, 将玻璃培养缸放置一定角度, 荧光灯置于培养腔正上方提供光源.猪粪沼液废水贴壁培养小球藻时未通CO2, 以空气鼓泡代替, 每2 d取样一次, 共培养8 d.其他外界培养条件与藻种液体培养条件相同.

图 1 微藻贴壁培养装置示意

1.4 试验指标分析方法1.4.1 小球藻细胞生物量测定

将0.45 μm, 直径50 mm, 面积为0.001 m2的醋酸纤维滤膜煮沸3次后, 在105℃烘箱中烘至恒重(W1), 将待测藻样(DW)用去离子水冲洗至烧杯中, 并倒入抽滤装置内抽滤至已称重的滤膜上, 将附着藻的滤膜放入105℃烘箱中烘至恒重(W2), 用分析天平称量即为

藻样重量(g·m-2).

(1)

1.4.2 小球藻藻细胞油脂含量测定

小球藻总脂含量的测定采用改进的氯仿-甲醇法.收集藻细胞, 用一定量蒸馏水冲洗离心后冷冻干燥.称取50 mg左右(重量W1)藻粉于研钵中, 加入200 mg已烘干的石英砂, 研

碎后加入5 mL甲醇, 2.5 mL氯仿, 高速振荡5 min.摇床12 h, 离心取出上清7.5 mL置于新管1.向固相中再加入5 mL甲醇, 2.5 mL氯仿, 高速振荡5 min, 摇床2 h, 离心取出上清7.5 mL置于新管1, 后加入5 mL氯仿和9 mL体积分数为1%的NaCl溶液, 保证最终体系为甲醇:氯仿:1%NaCl=2:2:1.8, 振荡混匀.将新管1于8 000 r·min-1下离心10 min, 去上清, 下层液转移入20 mL干净玻璃管(已称重W2).吹氮气+61℃水浴, 约10 min待氯仿挥发殆尽后, 于105℃烘3 h, 冷却后, 称重W3.

(2)

1.4.3 贴壁培养基中pH、NH4+-N、TN、TP、COD浓度的测定

取贴壁培养循环装置中猪粪沼液废水, 每2 d分别对pH、NH4+-N、TN、TP及COD进行测定. pH的测定应用pH计; NH4+-N测量采用纳氏试剂分光光度法(GB 7479-1987); TN测定采用过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-1989); TP测量采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989); COD的测定采用重铬酸钾氧化处理法(GB 11914-1989).

1.4.4 贴壁培养基中重金属Cu2+、Zn2+、Fe2+浓度的测定

重金属Cu2+、Zn2+、Fe2+的含量测定采用AAnalyst 400原子吸收分光光度计. Fe2+采用火焰原子吸收分光光度法(GB 11911-89), 检出限为0.03 mg·L-1; Cu2+、Zn2+都采用原子吸收分光光度法(GB 7475-87), 检出限均为0.05 mg·L-1.

1.5 试验数据分析方法

数据采用统计软件SPSS 10.0进行单因素方差分析, 采用LSD和Tukey HSD法进行统计检验(P<0.05).试验中, 曲线作图及拟合采用Origin完成.

2 结果与讨论2.1 贴壁培养小球藻在不同稀释倍数猪粪沼液废水中生长状况

本试验中, 试验各处理组的小球藻的生长情况存在较大的差异(图 2).试验初期(2 d 内), 各组的初始小球藻生物量均为8.50 g·m-2. BG11培养基下的小球藻的生长情况作为空白对照, 经过8 d培养后, 其生物量仅为21.30 g·m-2, 相应的生物产率是1.60 g·(m2·d)-1.各梯度下, 其中除了小球藻在稀释浓度为1倍猪粪沼液废水中没有明显生长, 其他梯度组小球藻生物量都明显增加, 各组生物量变化趋势相近, 随着培养时间的延长而增加.各梯度下小球藻生物量变化趋势为：初期上升速度较快, 此后生物量增长幅度较小.经过8 d培养, 在各梯度猪粪沼液废水生长下小球藻生物量按大小顺序排列依次是5倍>2倍>10倍>BG11>1倍.