固定化藻菌对水产养殖废水氮、磷的去除效果

2012-12-25 20:26 编辑:admin 来源:发表论文 浏览:

  摘要:对比研究了藻菌混合包埋(MI)和藻菌分层包埋SI,(藻外菌内)、SI:(藻内菌外)固定化藻菌对养殖废水中氮、磷的去除效果,以及光照、温度对3种处理脱氮去磷的影响。试验结果表明,在设计条件下处理72 h MI与sI:

 

  对氮的去除率分别为91.20%和90.77%,显著高于sI,。MI与sIl的去磷效果显著强于s12,处理72 h后2者对磷的去除率分别为90.31%和84.78%,S12仅为32.09%。当[光]照度<6 000 lx时,sI:氮去除率在88%以上,显著高于MI与SI,“光]照度>6000Ix时,sI:与MI对氮的去除率均高于89%,显著高于sI。。Ml与sl。对磷的去除率在85%以上,显著高于SI:。MI、SI。、SI:去除氮、磷的最佳温度为20一30℃。

 

  关键词:混合包埋;分层包埋;固定化藻菌;水产养殖废水;氮;磷;去除率藻菌固定化(algae—bacteria immobilization,ABI)技术是--f-i从生物技术领域延伸开来的新兴技术,它主要是利用菌和藻的协同作用,通过适当的技术处理来净化被污染的废水,以去除废水中的污染物质。由于其具有较高微生物浓度、易于固液分离、不易受毒物影响、剩余污泥量少等优点,目前在污水处理方面得到比较广泛地应用¨曲j。固定化方法是决定藻菌体系去污效果的关键因素之一,不同的固定化方法处理废水的效果有较大的差别。笔者通过试验设计,采取不同的藻菌固定化方法处理水产养殖废水,对比考察其对养殖废水中氮、磷污染物的去除效果。

 

  1材料与方法1.1材料选用及培养试验选用蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoinoidosa),藻种由中国科学院武汉水生生物研究所藻种库提供;培养基配方选用Kuhl培养基"o;由于活性污泥中富含多种脱氮去磷细菌群,因此试验所用细菌选用活性污泥替代,活性污泥由湖南省常德市污水处理中心提供,菌类以脱氮小球菌、反硝化假单胞菌、脱氮硫杆菌和聚磷菌为优势菌。在无菌操作条件下将藻种接种到含培养摹的450 mL锥形瓶中,瓶几用海绵塞塞盖,置放在温度25℃、[光]照度6 000 Ix、光暗比12 h:12 h的生化培养箱中培养待用。在lo L待处理的养殖废水中加入适量种泥进行曝气,直至污泥转棕黄色时静置30 min,弃去少量上清液后制备成新鲜活性污泥的浓缩液待用。

 

  1.2水产养殖废水选取及配制水产养殖废水取自湖南省常德市大湖股份有限公司种鱼基地池塘,检测废水指标时先用0.45 Ixm孔径醋酸纤维膜过滤预处理,各指标测定方法如F:

 

  COD测定采用再铬酸钾法;浊度测定采用分光光度法;总氮测定采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法;总磷测定采用钼锑抗分光光度法,以磷酸根计。每个指标重复测3次,以平均值加减标准差(戈±S)表示。试验测得废水主要水质指标为:P(COD。,),(350.80±12.55)mg·L~;浊度(NTU),14.60±2.37;p(TN),(35.10±2.41)mg·L一1;P(TP),(5.50±0.35)mg·L~。

 

  需另加的其他化学试剂参照Kuhl培养基配方配制,其中的氮源和磷源由鱼塘废水中已有的氮和磷酸盐替代,不再添加任何碳、氮、磷源。

 

  1.3试验方法1.3.1藻菌固定方法旧。91藻菌混合包埋(mix—immobilization,MI):将培养后的小球藻离心浓缩,弃去上清液,分别取一定体积的藻类细胞浓缩液与新鲜活性污泥的浓缩液进行等体积比例混合,再与预先已经灭菌的质量分数5%海藻酸钠溶液均匀混合,形成体积比2%的混合液;用注射器分别吸取一定量的上述混合液,套上8号针头,匀速滴人预冷的饱和CaCI:溶液,即形成一定直径、一定数量的菌藻固定化胶球,胶球在CaCl:溶液中静置8 h后备用。

 

  藻菌分层包埋(stratify—immobilization,SI):包括SI.与SI:2种。sI,,先将活性污泥的浓缩液(与混合包埋量等同)与质量分数5%海藻酸钠混匀,用带5号针头注射器吸取混合液滴入饱和CaCl:溶液,然后将其形成的小胶球置入浓缩的小球藻液(与混合包埋量等同)中并搅拌,再次与质量分数5%海藻酸钠溶液混合均匀,最终移人饱和CaCl:溶液中,制成内层为海藻酸钠包埋活性污泥的浓缩菌,外层为包埋小球藻的复合胶球。胶球在CaCl:溶液中静置8 h后待用。sl:,将小球藻液与活性污泥固定的顺序反转,即小球藻被固定在胶球内层,活性污泥被固定在外层。

 

  无包埋胶球(no mix andstratify immobilization。

 

  NM):胶球中不包埋小球藻液与活性污泥,只由海藻酸钠和CaCl2 2种材料组成。

 

  以卜4种藻菌胶球直径均为(4.00±0.29)mm,能满足预期试验的需要。

 

  1.3.2对照试验设汁与方法在4个长10.0 m、宽0.3 m、深0.8 m、底为弧型的室内环型氧化沟跑道中分别注入水产养殖废水,使静置水深为0.50 m,再分别加入藻菌Ml、sI。、sI:

 

  和NM,填充率均为10%。以NM为参比组,在[光]

 

  照度6 000 lx、温度25℃、水力负荷0.1 m·s一(此时藻菌胶球主要悬浮于距水面0~25 cm深处)、光暗比12 h:12 h条件下进行培养,每6 h取样测TN和TP浓度。每指标承复测3次,试验结果以平均值加减标准差(元±s)形式表示。

 

  1.3.3光照对藻菌MI、SI。、S12及NM去除氮、磷的影响改变光照强度,[光]照度分别控制为2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 Ix,其他环境因子条件同1.3.2节,持续培养72 h,测定TN和rIP浓度,测定方法及结果表示同1.3.2节。

 

  1-3.4温度对藻菌MI、sI,、sl:及NM去除氮、磷的影响改变试验温度,用恒温加热器将温度依次控制在10、15、20、25、30、35、40℃,除温度外,其他因子条件同1.3.2节,持续培养72 h,测定TN和TP浓度,测定方法及结果表示同1.3.2节。

 

  2结果与讨论2.I藻茵MI、SI.、SI:及NM对氮、磷的去除效果从表I叮以看出,养殖废水经过72 h处理后,藻菌混合包埋(MI)固定化藻菌对氮的去除率均值为91.20%,对磷的去除率为90.3l%;藻菌分层包埋(SI。)固定化藻菌对氮的去除率为60.42%,对磷的去除率为84.78%;藻菌分层包埋(SI:)固定化藻菌对氮的去除率为90.77%,对磷的去除率为32.09%;无包埋胶球(NM)对氮、磷的去除率仅分别为1.16%和0.47%。

 

  藻菌固定化技术利用了包埋胶球疏松多孔的特性,将废水中氮、磷营养元素吸附在包埋材料表面,再由藻菌通过一系列生化活动将氮、磷去除。藻菌MI、SI,、SI:对养殖废水中氮、磷去除效果产生差异的原因可能是小球藻和细菌分别是去除磷和氮的主要因子-10一。表1藻菌MI、SI。、SI:对氮、磷去除效果的动态变化Table 1Dynamicsof N and P removal rates of thealgae-bacteria treatments(MI,SIlandS12)MI为藻菌混合包埋胶球;Sll与s12为藻菌分层包埋胶球(s11为活性污泥被固定在胶球内层,s12为小球藻被固定在胶球内层);NM为对照,无包埋胶球。

 

  从对氮的去除效果来看,MI与SI:的效果远强于SI,。在整个养殖废水处理过程中,采用混合包埋(MI)的小球藻和细菌整体上与废水中氮源的接触机率是均等的。表层MI胶球中小球藻通过光合作用将氮源转化为自身的一部分,同时释放出O:,为细菌微生物中好氧菌的生长提供了丰富的氧源环境,好氧菌将部分氮、磷转化为自身的一部分,底层的MI厌氧菌通过反硝化等一系列生化活动将部分氮以N:形式从废水中去除,同时释放出的CO:能为小球藻所利用,整个过程中,部分氮源被藻菌同化,因而混合包埋(MI)固定化藻菌落是一个优势互补的体系‘¨一2|。在藻菌分层包埋(SI。)固定化藻菌落中,活性细菌被包埋在中间,与废水中氮源的接触机率远小于MI,硝化过程所需的O:源虽充足,但胶球内部0:浓度较低,好氧菌的生化活动程度明显下降,此时厌氧菌处于优势菌地位,但整体细菌群生化活动程度下降,这些因素制约了废水中氮的去除。

 

  藻菌分层包埋(sl:)固定化藻菌落中小球藻被包埋在胶球内部,光合作用程度较低,但此包埋法72 h后的氮去除率达90.77%,与MI包埋法很接近。

 

  从对磷的去除效果来看,MI与SI.藻菌对磷的去除效果在整个处理过程中都非常接近,处理72 h后对磷的去除率分别为90.31%和84.78%,但sI:

 

  藻菌对磷的去除率却仅为32.09%,远低于MI和SI.。这与废水中磷元素主要由小球藻吸收利用有关,当养殖废水中碳、氮等营养物质充足时,磷的去除率主要取决于磷与小球藻的接触面积,很显然,SI.与Ml固定化藻菌小球藻比SI:更易于与废水中磷源接触。

 

  对MI、sI.、sI:氮去除率进行独立样本£.检验,结果表明,MI与SI,差异屁著(P=0.013<0.05);MI与S12无显著性差异(P=0.317);Sll与S12差异显著(P=0.010)。对磷去除率的独立样本t检验结果表明,MI与SI.无显著性差异(P=0.768);MI、S11分别与s12差异显著(P=0.019,P=0.024)。综合看去除氮、磷的效果,Ml明显好于sl,与sI:。

 

  参比组NM胶球中没有能勺氮化合物发生化学反应的物质,主要通过废水氨氮物理性挥发、材料吸附作用使部分氮、磷去除,其对氮、磷的去除率为1.16%和0.47%。

 

  2.2光照对藻菌MI、SI。、SI:及NM去除氮、磷的影响蛋白核小球藻属于绿球藻目小球藻科小球藻属,需要在光照条件下进行光合作用。不同光照强度下处理72 h后藻菌MI、sI,、SI:对氮、磷的去除效果见表2。

 

  从表2可以看出,光照强度对藻菌MI、SI,、SI:

 

  的氮、磷去除效果都有一定影响。在[光]照度为2 000 Ix条件下处理72 h,混合包埋(MI)固定化藻菌与分层包埋(sI.)固定化藻菌氮去除率分别为41.08%和32.33%,磷去除率分别为39.85%和37.12%,但分层包埋(SI:)固定化藻菌的氮去除率达88.89%,而磷去除率仅为28.19%。随着[光]照度的不断增加,MI、sI.对氮、磷的去除率不断上升,在6 000 Ix时,处理72 h后其氮去除率分别为91.41%和60.28%,磷去除率分别为90.9l%和85.73%,而sI:对氮、磷的去除效果随[光]照度的变化不明显。[光]照度的变化对NM没有影响。表2不同[光]照度下藻菌MI、SI。、SI:的氦、磷去除效果Table 2 Effect oflight intensity on N and P removal rates of thealgae-bacteria treatments(MI,SIlandS12)MI为藻菌混合包埋胶球;SIl与s12为藻菌分层包埋胶球(sI,为活性污泥被固定在胶球内层,S12为小球藻被固定在胶球内层);NM为对照,无包埋胶球。

 

  在6 000 Ix以下时,随着[光]照度的减弱,藻菌MI和sI.的氮去除率差距不断缩小,说明在[光]照度较弱的条件下,这2种包埋法固定化藻菌对氮的去除主要取决于活性细菌的牛化活动,氮源渗透穿越MI固定化藻蔚胶球的时间比sI.短,而活性细菌的生化活动产物与胶球外界交换的时间却比sI.长,所以Ml固定化藻菌的去氮率始终高于SI.。随着[光]照度的增加,小球藻的光合作用逐渐加快,MI和SI.氮去除率也不断上升,直到一个稳定的去氮水平;而[光]照度改变对SI:去除氮的影响不大,始终维持在一个稳定水平。在6 000 Ix以下时,随着[光]照度的增强,Ml与sI,磷去除率相应h升,而SI:磷去除率较低,且随光照强度的变化幅度较小。这进一步说明了胶球中的小球藻是去除磷的主要因子。

 

  对不同[光]照度下MI、sI.、sI:氮、磷去除率进行独立样本t检验,结果表明,MI与SI.去氮效果差表3不同温度下藻菌MI、SI.、SI:对氮、磷的去除效果异显著(P=0.018<0.05),去磷效果无显著性差异(P=0.770);当[光]照度<6 000 Ix时,M1与SI:去氮效果存在显著差异(P=O.019),[光]照度>

 

  6 000 Ix时,2者无显著差异(P=0.630);SI,与SI,去氮效果差异显著(P=o.025);MI、SI。分别与SI:去磷效果差异显著(P=0.020,P=0.011)。

 

  因此,综合看去除氮、磷效果,含不同浓度氮、磷的养殖废水需采用不同的藻菌包埋方式,高氮浓度的养殖废水宦采用SI:,高磷浓度则宜采用MI,且对光照强度要求较高。

 

  2.3温度对藻菌MI、sI,、S12及NM去除氮、磷的影响温度是活性污泥菌和小球藻必不可少的生存环境因子,其生长繁殖、脱氮去磷很大程度卜受到温度的影响。不同温度条件下处理72 h后藻菌MI、SI.、Sl:对氮、磷的去除效果见表3。

 

  Table 3 Effect of temperature Oil N and P removal rates of the algae-bacteria treatments(MI,SIIandS12)MI为藻菌混合包埋胶球;s11与s12为藻菌分层包埋胶球(s11为活性污泥被I占I定在胶球内层,S12为小球藻被固定在胶球内层);NM为对照,无包埋胶球。

 

  从表3可以看出,温度为10℃时,处理72 h后藻菌MI、sl。与sI:氮去除率分别为50.41%、29.87%和47.19%;此后随着温度的升高均不断E升,在温度为25℃时,3者的氮去除率均达到最大值,分别为91.10%、60.59%和90.18%;此后随着温度的再次上升,去氮率开始下降。不同温度条件下MI与sI:的氮去除率十分接近,均明显高于sI。。

 

  从整体来看,随着温度的上升,3者对氮、磷的去除率不断上升,当温度处于20—30℃范围时,3者的氮、磷去除率都接近峰值,再提高试验温度时,3者的氮、磷去除率均逐步F降。这说明3者去除废水中氮、磷的最佳温度范围均为20~30℃,SO—ROKIN‘13]认为小球藻生长的最适宜温度为25~32℃,说明适宜的温度是固定化藻菌去除氮、磷的必要条件。

 

  从不同温度条件下的总体效果来看,藻菌MI去氮效果强于sI。和sI:,sI,去磷效果稍强于MI,远强于SI。。温度的变化对NM影响不明显。

 

  对在不同温度下MI、SI.和SI:的氮、磷去除率进行独立样本t检验,结果表明,MI与SI.去氮效果存在显著性差异(P=0.002<0.05),去磷效果无显著性差异(P=0.91 1);M1与sl:去氮效果无显著差异(P=0.710),去磷效果存在显著性差异(P=0.017);SI。与SI:的去氮、磷效果均具有显著性差异。

 

  3结论(1)在小球藻与活性污泥菌最适宜环境条件下,就去除养殖废水中氮源而言,混合包埋(MI)固定化藻菌与分层包埋(SI:)固定化藻菌效果明显好于分层包埋(SI。)固定化藻菌,试验结果表明在设汁条件下处理72 h MI与sI:氮去除率分别为91.20%和90.77%,SI。仅为60.4%,且与前2者去氮效果存在显著性差异。MI与SI.2种包埋法的去磷效果强于sI:,处理72 h前2者磷去除率分别为90.31%、84.78%,SI,磷去除率为32.09%,且与前2者存在显著性差异。高氮养殖废水宦使用sI:与MI方法包埋藻菌,高磷养殖废水宜使用sI,与MI方法包埋藻菌。

 

  (2)当[光]照度在6 000 Ix以下时,sI:氮去除率在88%以上,MI与SI,氮去除率均低于80%,且均与sI:存在显著差异;当[光]照度高于6 000 lx时,SI:与MI氮去除率均高于89%,而SI。低于6l%,且与前2者具有显著差异。MI与sI.磷去除率在85%以上,sI:低于33%,且与前2者均具有显著性差异。当光照不足时,可以采取SI:包埋方法去除废水中的氮源;光照充足时,可以采用SI:或MI包埋方法除氮。

 

  (3)温度对混合包埋(MI)固定化藻菌和分层包埋(sI,与SI:)同定化藻菌去除氮、磷的效果均有影响,3者玄除氮、磷的最佳温度范围为20~30℃。

 

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