藻类生物技术处理养猪废水工艺研究

2016-09-21陈友岚

长江大学学报(自科版) 2016年21期

关键词：藻类养猪氨氮

陈友岚

(长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

曹荣华

(湖北省荆州市荆州区川店镇农业服务中心，湖北荆州 434033)

藻类生物技术处理养猪废水工艺研究

陈友岚

(长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

曹荣华

(湖北省荆州市荆州区川店镇农业服务中心，湖北荆州 434033)

针对养猪废水中氮磷、有机物等浓度较高的特点，探讨了满足技术规范要求的处理水质标准的藻类生物处理工艺。通过正交试验，探讨了丝状藻对养猪废水的处理效果，得出最优的实验条件，并根据正交试验得出的最优条件，进行半连续的处理工艺，验证丝状藻对养猪废水的处理效果。结果表明，藻类对碳氮比低、氮磷含量偏高的养猪废水有很好的处理效果。

养猪废水；藻类；除氮；除磷

随着人民生活水平的不断提高,猪肉食品的需求量在逐年增加，养猪业生产规模也在不断扩大，养猪废水的排放量随之增加，而随之带来的环境问题也日益严重，是形成农业面源污染的主要因素之一。养猪场废水中富含氮磷、有机物、高悬浮物，如果处理不当会造成严重的水环境污染。由于生猪养殖业利润低，市场压力大，研究经济有效的处理技术至关重要。目前对这种废水的主要处理模式常见的有稳定塘、物化-生化联合处理法，但前者存在土地占用面积较大，处理效果易受季节、温度变化影响大，容易污染地下水等缺点，而后者投资大，运行费用高，机械设备维护管理量大，并需要专门的运行管理技术人员。利用菌藻净化污水是生物处理技术的发展方向之一。郑耀通等[1]利用光合细菌(PSB)对高浓度有机废水具有较强的降解转化能力以及小球藻和螺旋藻具有较强的同化 N、P 与 CO2的能力，建立了由光合细菌、红酵母、产朊假丝酵母、乳酸菌、小球藻组成的高效菌藻生态系统处理猪场废水,出水可用于冲洗猪场,同时获得菌藻蛋白产品。另有学者研究表明，藻类大规模培养在水处理中的应用为水生态系统的管理和调控提供了一条非常有效的途径[2～8]。与一般的污水处理措施相比，藻类不仅能有效地吸收水体中的营养物质、降解有毒污染物、富集重金属离子、提高水体的pH和溶解氧，还可以收获藻类生物量，或回收藻类富集的重金属[9～12]。因此，藻类生物技术处理养猪废水可为严重污染环境且难处理的猪场废水处理提供一条切实可行的资源化途径和模式。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验所用藻类采用鞘藻(Oedogonium)、颤藻(Oscillatoria)、水网藻(Hydrodictyonreticulatum)等丝状藻均由中国科学院水生生物所提供，采用BG11培养基进行培养。

试验所用养猪废水取自某养猪场的新鲜猪粪，经沉淀过滤后进行稀释配制所得。

1.2试验仪器

单人净化工作台(SW-CJ-1G)：苏州净化设备有限公司产品；紫外可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司产品；电子天平(BS 124S：Max120g)：北京赛多利斯仪器系统有限公司产品；PHS-3C数显酸度计：上海宇隆仪器有限公司产品；手提式不锈钢蒸汽消毒器：上海三申医疗器械有限公司产品；溶解氧测定仪(HI 93732)：上海加惠仪器仪表有限公司产品；COD-571-1消解装置：上海精密科学仪器有限公司产品。

1.3试验装置

采用2L的小口锥形瓶，用带曝气头的橡胶盖密闭，采用定时器和曝气头以达到间歇曝气的目的。

1.4试验方法

1.4.1藻类培养

采用BG11培养基在1000mL玻璃三角锥形瓶中开放式培养，培养液初始pH 7.0， BG11培养基400mL，藻液20mL，混匀。所有玻璃器皿和培养液均经过手提式不锈钢蒸汽消毒器125℃、30min灭菌，冷却后再置于净化工作台内进行30min的紫外灯杀菌。然后将接种的藻液置于自制的光照系统(30W的白炽灯)下，温度控制在20℃进行培养，每天不定时人工摇瓶2～3 次。

1.4.2正交试验

表1　正交试验方案

按表1方案设计正交试验确定藻类去除氨氮(NH3-N)、总磷(TP)和COD的最佳营养条件。

1.4.3藻类的半连续培养

经过正交试验得出最佳营养条件后，在锥形瓶内起初加入1L新鲜养猪废水和200mL藻液，每天取出200mL用于测量，同时加入200mL新鲜废水，这样持续培养1个星期，测量每天氨氮(NH3-N)含量、总磷含量(TP)和COD。

1.4.4测试项目及方法

NH3-N含量采用纳氏试剂分光光度法测定；总磷含量采用钼酸铵分光光度法测定；pH采用PHS-3C数显酸度计测定；COD采用消解比色分析仪方法进行检测；藻类采用普通显微镜检测。

2　结果与分析

2.1正交试验结果

正交试验结果及分析如表2～5所示。

表2　正交试验结果

注：氨氮含量、总磷含量、COD单位均为mg/L，表6同。

表3　氨氮去除率试验方差分析

表4　总磷去除率试验方差分析

表5　COD去除率试验方差分析

从表3可以看出，3号瓶的氨氮去除率最高，pH对于氨氮去除率的影响最大，氨氮去除率的最优组合为：pH为6.5，稀释倍数为5倍，藻种为鞘藻，反应时间为9d；从表4可以看出，3号管对于磷的去除率最高，其中藻种的选择对去除率的影响最大，总磷去除率最优组合为：pH为6.5，稀释倍数为10倍，藻种选为颤藻，反应时间为9d；从表5可以看出，4号管对COD 的去除率最高，其中稀释倍数为主导因素，COD去除率最优组合为：pH为8.5，稀释倍数为3倍，藻种为水网藻，反应时间是9d。

各种藻对氨氮的利用率都很高，说明藻能很快吸收并利用氮合成自身繁殖和代谢所需物质，藻类对磷利用率比较低，可能是藻类将污水中的磷吸收进体内，但是自身细胞的分裂并不能赶上磷的吸收，这就造成了磷在藻类体内的积累，当藻类体内的磷积累到一定程度时，藻类对外界磷的吸收就大大减少了。COD去除率也相对较低，可见藻类不适合处理高COD浓度的废水。

2.2持续处理试验结果

利用极差分析得出的最佳条件，由于颤藻和鞘藻处理效果比较接近，因此选用颤藻和鞘藻分别在pH6.5、养猪废水稀释倍数为10的条件下半连续培养7d(每天取出200mL溶液用于测定，同时每天向锥形瓶内补充200mL新鲜养猪废水)，测定每天的氨氮含量、总磷含量以及COD。

从表6可以看出，随着反应时间的延长，氨氮含量下降比率最快，其次是总磷含量，下降最慢的为COD。含颤藻的养猪废水中pH从试验开始的6.5上升到最终的8.14，含鞘藻的养猪废水中pH从最初的6.5上升到最终的8.13。颤藻对氨氮、总磷及COD的去除率分别达到81.6%、76.2%、43.3%；鞘藻对氨氮、总磷及COD的去除率分别达到70%、57.6%、40.1%；颤藻对氨氮及总磷的去除效果要好于鞘藻，这与之前正交试验得到的结论是一致的。颤藻对氨氮及总磷的去除率都很高，说明颤藻能很快利用氮、磷进行自身的生长和代谢；鞘藻对氨氮的利用较高，对磷的利用相对较低，说明鞘藻对吸收的磷不能马上用于自身的生长和繁殖，这也证实了之前的假设；颤藻和鞘藻对COD的去除率都很低，说明藻类对高浓度COD去除效果不是很好，这与之前的结论也是相吻合的，但鉴于对氨氮和总磷的高去除率，可以考虑用于城市污水的深度处理。

表6　持续处理试验结果

3　结论

本研究结果表明：在最佳条件(人工曝气搅拌，在30W的白炽灯照射下，温度控制在20℃左右)下，直接加入养猪废水和藻类，曝气时间为每隔1h曝气20min闲置的运行工况下，养猪废水中氨氮含量、总磷含量分别由63.23、6.77mg/L降至11.81、1.61mg/L，去除率分别为81.6%、76.2%；氨氮、总磷的利用率很高，但当藻类体内的磷积累到一定程度时，藻类对外界磷的吸收大为减少。处理系统的pH值由6.5上升至8.14，氨氮、总磷处理效率在偏酸性条件更利于营养物质的去除。本系统处理中藻类对养猪废水中COD的去除不是很理想，因而藻类不适合处理高COD浓度的废水。

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