小球藻高效凈化畜禽養(yǎng)殖廢水厭氧發(fā)酵沼液研究

水處理網(wǎng)訊:1 引言(Introduction)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是畜禽養(yǎng)殖廢水的主要處理技術(shù).沼氣發(fā)酵過(guò)程可去除原料中大量可溶性有機(jī)物, 但化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)等濃度依然較高, 抗生素等微量有機(jī)污染物也難以脫除, 直接排入水體會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染和生態(tài)威脅(孫建平等, 2009; Park et al., 2010; Chen et al., 2015).微藻生長(zhǎng)速率快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng), 生長(zhǎng)過(guò)程中可吸收利用沼液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 從而降低氮磷等主要污染指標(biāo)而達(dá)到處理沼液的目的(王愿珠等, 2017).同時(shí), 微藻生物質(zhì)具有高附加值, 可用作生物柴油的原料(Levine et al., 2011; 程軍等, 2016), 也可作為動(dòng)物飼料(Cheng et al., 2015).培養(yǎng)成本較高制約了微藻生物質(zhì)能源與資源化利用技術(shù)的應(yīng)用, 而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的成本占微藻總培養(yǎng)成本的10%~20%(Singh et al., 2011), 因此利用沼液培養(yǎng)微藻, 降低微藻培養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)成本與水耗, 將有助于降低微藻培養(yǎng)成本, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化再利用.

Singh等(2011)利用小球藻和柵藻凈化家禽糞便沼液, 總氮(TN)和總磷(TP)去除率分別達(dá)到60%和80%.然而, 其沒(méi)有考察沼液中COD的凈化效果. Ji等(2015)將餐廚廢水按照體積比例0.5%~10%與標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基混合后培養(yǎng)綠藻Scenedesmus obliquus, 對(duì)TN和TP的脫除效率分別為75%和12%.Wang等(2010)探究小球藻凈化牛糞厭氧發(fā)酵沼液, COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別為27.4%~38.4%、100%、75.7%~82.5%和62.5%~74.7%.顯然, 沼液中COD的凈化率較低, 對(duì)TN和TP的脫除效率也不高.沼液滅菌、CO2曝氣是微藻凈化沼液中兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié), 而目前的研究中關(guān)于滅菌方式以及CO2體積濃度對(duì)微藻凈化沼液效率的影響幾乎沒(méi)有涉及.另外微藻對(duì)沼液中抗生素等微污染物的脫除效果也未見(jiàn)報(bào)道.

本文針對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵沼液, 采用小球藻光合生長(zhǎng)脫除其中污染物, 考察了臭氧氧化及高壓蒸汽兩種沼液滅菌方式及優(yōu)化的CO2體積濃度對(duì)沼液脫N, P和去除COD、抗生素替米考星等污染物的影響.

2 材料與方法(Materials and methods)

2.1 養(yǎng)豬場(chǎng)廢水來(lái)源及藻種

養(yǎng)豬場(chǎng)廢水原液及其厭氧發(fā)酵沼液采集自嘉興大運(yùn)河生態(tài)牧業(yè)公司.對(duì)沼液樣品離心除去懸浮顆粒物后, 取上清液滅菌和調(diào)節(jié)pH后接種小球藻進(jìn)行生長(zhǎng)凈化實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)所用藻種Chlorella PY-ZU1是由Chlorella Pyrenoidosa經(jīng)過(guò)5.5萬(wàn)居里的60Co -γ射線輻射誘變得到的(Cheng et al., 2013).細(xì)胞在SE標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基中保藏, 包含0.25 g NaNO3、0.075 g K2HPO4 · 3H2O、0.075 g MgSO4 · 7H2O、0.025 g CaCl2 · 2H2O、0.175 g KH2PO4、0.025 g NaCl、40 mL土壤浸出液, 0.005 g FeCl3 · 6H2O, 1 mL Fe-EDTA和1 mL A5微量元素溶液, 溶解在958 mL的去離子水中.

2.2 沼液預(yù)處理、滅菌以及微藻培養(yǎng)方式

沼液通過(guò)高速離心機(jī)8000 r · min-1離心10 min, 上清液用1 mol · L-1的氫氧化鈉和1 mol · L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH到6~6.5, 作為不滅菌組的培養(yǎng)基.上清液在112 ℃進(jìn)行高壓蒸汽滅菌30 min, 再用1 mol · L-1的氫氧化鈉和1 mol · L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH到6~6.5, 作為高壓蒸汽滅菌組的培養(yǎng)基.將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的濃度為50 mg · L-1的臭氧氣體連續(xù)通入1 L沼液中10 min, 再用1 mol · L-1的氫氧化鈉和1 mol · L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH到6~6.5, 作為臭氧氧化滅菌組的培養(yǎng)基.在1 L臭氧氧化滅菌后的沼液中添加43.9 mg KH2PO4(10 mg · L-1 P元素)和4.8 mg FeCl3 · 6H2O(1 mg · L-1 Fe元素)作為添加P元素和Fe元素實(shí)驗(yàn)組的培養(yǎng)基.

Chlorella PY-ZU1在人工溫室中培養(yǎng), 溫度為27 ℃, 光照強(qiáng)度為8000 Lux, 24 h連續(xù)光照.反應(yīng)器為柱狀生物反應(yīng)器(160 mm × ϕ56 mm工作容積為300 mL), 富CO2氣體從一根長(zhǎng)鋼管(180 mm×ϕ3 mm)通入反應(yīng)器底部.取新鮮的藻種接種到不同處理的沼液中, 接種密度為0.1 g · L-1, 通入體積濃度為2%~30%的CO2氣體, 通氣量由質(zhì)量流量計(jì)控制為30 mL · min-1.

2.3 分析測(cè)試方法

COD、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)成分測(cè)試：取10 mL藻液在9000 r · min-1轉(zhuǎn)速下離心5 min, 取上清液由HACH DR890水質(zhì)分析儀測(cè)量.沼液的陽(yáng)離子由熱電公司X series電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS測(cè)量, 陰離子含量用瑞士Metrohm 883 Basic IC Plus離子色譜儀測(cè)量.粗纖維采用FOSS FT350(丹麥)纖維測(cè)定儀測(cè)量, 有機(jī)酸采用HP 6890/5973GC-MS聯(lián)用儀測(cè)量.培養(yǎng)期間, 通過(guò)離心法測(cè)定小球藻的生物量, 取10 mL藻液在9000 r · min-1轉(zhuǎn)速下離心5 min, 去除上清液, 然后用去離子水清洗重復(fù)兩次, 再在80 ℃下烘干24 h, 用電子天平稱重, 以g · L-1計(jì)算生物質(zhì)干重.藻液pH檢測(cè)：取2 mL藻液于試管中, 將便攜式pH計(jì)(Mettler Toledo FG-2, 瑞士)探頭浸沒(méi)在藻液中, 穩(wěn)定后讀取pH值.

3 結(jié)果與討論(Results and discussion)

3.1 養(yǎng)豬場(chǎng)廢水原液及其厭氧發(fā)酵后沼液的成分分析

養(yǎng)豬場(chǎng)廢水原液(以下稱原液)在經(jīng)厭氧發(fā)酵處理前COD為1580 mg · L-1, TN為1095 mg · L-1, 有機(jī)物主要成分是粗纖維和有機(jī)酸(表 1), 另外還含有微量抗生素替米考星.微量的抗生素存在于水體中也會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)較大潛在威脅, 如毒害水生生物、誘導(dǎo)抗生素抗性基因和細(xì)菌.經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵, 沼液中COD降至794 mg · L-1, 總氮降至854.7 mg · L-1, 依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn).氨氮含量升高, 原因是水解酸化和厭氧發(fā)酵過(guò)程中大分子有機(jī)物如蛋白質(zhì)等降解釋放出氨氮的速度快于細(xì)菌消耗氨氮的速度.沼液中主要的無(wú)機(jī)元素呈降低趨勢(shì)(表 2).沼液中除了微量元素鐵(0.29 mg · L-1)、錳(0.20 mg · L-1)、鉬(0.0070 mg · L-1), 其他元素均遠(yuǎn)高于小球藻標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基, 富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分及氨基酸等生命活性物質(zhì), 因此沼液中含有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以用來(lái)支持微藻生長(zhǎng).此外, 沼液中重金屬含量極低, 除含有極少量砷以外, 其他均低于檢測(cè)限, 因此重金屬在微藻中的富集作用可以忽略.

表 1 養(yǎng)豬場(chǎng)厭氧發(fā)酵前原液及發(fā)酵后沼液的主要污染物

表 2 養(yǎng)豬場(chǎng)厭氧發(fā)酵前原液、發(fā)酵后沼液及小球藻標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基的無(wú)機(jī)成分

3.2 滅菌方法對(duì)微藻生長(zhǎng)和污染物脫除的影響

沼液中含有細(xì)菌等各種微生物, 可能會(huì)與微藻爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)而抑制微藻生長(zhǎng).分別考察了對(duì)沼液不滅菌、高壓蒸汽滅菌和臭氧氧化滅菌對(duì)微藻生長(zhǎng)脫除沼液中污染物的影響.首先, 測(cè)試了在對(duì)藻液進(jìn)行滅菌之后, 接種微藻之前, 沼液中污染物的含量.在高壓蒸汽滅菌以后, 沼液中COD、NH3-N、TN、TP和替米考星的濃度分別為：780.62、703.92、835.23、12.21和0.0064 mg · L-1.高壓蒸汽滅菌對(duì)污染物濃度影響較小, NH3-N和TN濃度的下降是由于高溫促進(jìn)了NH3的揮發(fā).采用臭氧氧化滅菌之后, 沼液中COD、NH3-N、TN、TP和替米考星的濃度分別為：725.87、691.36、820.39、12.22和0.0059 mg · L-1.由于臭氧具有強(qiáng)氧化性, 能夠攻擊C═C鍵和苯環(huán), 將較大分子的有機(jī)物降解成較小分子有機(jī)物, 因此COD下降了8.5%, 同時(shí)由于向沼液中曝入氣體, 加快了NH3的揮發(fā), 因此NH3-N和TN也有所下降, 但臭氧滅菌對(duì)各種污染物脫除比例較小.圖 1a表明, 不滅菌條件下, 小球藻生長(zhǎng)速度較慢, 經(jīng)過(guò)11 d培養(yǎng)生物質(zhì)產(chǎn)量為3.01 g · L-1, 但未因細(xì)菌污染而死亡.COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為41.6%、65.3%、67.1%和62.7%, 抗生素替米考星的脫除效率為65.9%(圖 1b), 污染物脫除效率較低.而經(jīng)過(guò)高壓蒸汽滅菌后, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量提高到3.89 g · L-1, 提高了29%.121 ℃高壓蒸汽使沼液中微生物細(xì)胞的蛋白質(zhì)由于高溫而凝固, 從而達(dá)到滅菌的效果.冷卻后再接種小球藻培養(yǎng)時(shí), 由于沒(méi)有其它微生物爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng), 小球藻快速生長(zhǎng)同化沼液中的C、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素, COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到46.3%、72.2%、71.2%和98.0%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到72.8%.顯然, COD的脫除效率依然較低.這是因?yàn)檎右褐械腃OD主要組成是纖維素、有機(jī)酸等難降解較大分子量的有機(jī)物, 微藻對(duì)此的同化降解能力較低、速度較慢.采用臭氧氧化滅菌條件下, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量提高到4.50 g · L-1, 比未滅菌條件下提高了49.5%.臭氧依靠其強(qiáng)氧化性, 損傷沼液中微生物的細(xì)胞膜成份, 導(dǎo)致其新陳代謝障礙, 并繼續(xù)穿透膜破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖, 改變細(xì)胞的通透性, 從而導(dǎo)致細(xì)胞溶解、死亡(胡桂英等, 2009).臭氧氧化滅菌后的沼液中小球藻快速生長(zhǎng), COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到73.9%、85.1%、80.1%和98.4%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到83.5%.相對(duì)未滅菌條件, COD的脫除效率顯著提高了77.6%.這是因?yàn)槌粞鯇?duì)沼液的作用除了滅菌以外, 還會(huì)攻擊沼液中大分子有機(jī)物的苯環(huán)及其他不飽和基團(tuán), 使纖維素、有機(jī)酸等降解為小分子有機(jī)物, 從而有利于微藻吸收利用(Vaiopoulou et al., 2015).此處臭氧的使用量較小, 僅能將大分子轉(zhuǎn)化為小分子, 因此臭氧對(duì)COD的脫除率不高, 小球藻對(duì)小分子有機(jī)物的同化吸收是COD脫除的主要組成部分.因此, 結(jié)合本研究中沼液特點(diǎn), 臭氧氧化滅菌是最優(yōu)的滅菌方法.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖 1

圖 1臭氧氧化滅菌和高壓蒸汽滅菌條件下微藻生長(zhǎng)曲線(a)及污染物脫除效率(b) (各工況下均通入15% CO2)

3.3 CO2濃度對(duì)微藻生長(zhǎng)脫除污染物的影響

微藻光合自養(yǎng)需要CO2, 考察了不同CO2體積濃度對(duì)微藻生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)同化效率的影響.當(dāng)CO2濃度為2%時(shí), 小球藻生物質(zhì)產(chǎn)量為2.48 g · L-1(圖 2a).COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為42.5%、65.9%、68.1%和71.9%, 抗生素替米考星脫除效率為70.7%(圖 2b).隨著CO2濃度從2%增加到15%, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量從2.48 g · L-1增加到4.50 g · L-1, 提高了81.5%.相應(yīng)的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到73.9%、85.0%、80.1%和98.4%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到83.5%.光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段.光反應(yīng)吸收光能產(chǎn)生ATP和NADPH, 為暗反應(yīng)提供能量和原料.暗反應(yīng)又稱碳固定反應(yīng), 利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH, 將CO2固定為細(xì)胞中的有機(jī)物.隨著通入的CO2濃度增大, 沼液中光合作用暗反應(yīng)的原料增多, 有利于加快暗反應(yīng)的進(jìn)行, 促進(jìn)CO2固定為生物質(zhì), 從而導(dǎo)致微藻生長(zhǎng)加快.除此之外, 藻液中連續(xù)通入CO2會(huì)導(dǎo)致藻液中H+濃度升高, 而微藻光合作用會(huì)消耗H+, 導(dǎo)致H+濃度升高.在低CO2濃度下, 藻細(xì)胞生長(zhǎng)消耗H+速率比CO2溶解生成H+速率快, 因此pH上升, 而小球藻最適pH在6.0~6.5, 較低的pH值不利于藻細(xì)胞光合生長(zhǎng).隨著通入的CO2濃度從2%增加到15%, CO2溶解增多, H+生成速率接近消耗速率, 藻液的平均pH值從7.5下降到6.3(沼液初始pH范圍為6~6.5).隨著CO2濃度從15%繼續(xù)提高到30%, 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量從4.50 g · L-1降低到2.46 g · L-1.相應(yīng)的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別降低至41.9%、69.7%、53.5%和61.1%, 抗生素替米考星的脫除效率降至72.7%.文獻(xiàn)表明, 過(guò)高濃度的CO2對(duì)微藻生長(zhǎng)具有明顯抑制作用(楊熙等, 2017).隨著CO2濃度從15%提高到30%, 由于H+生成速率過(guò)快, 遠(yuǎn)大于消耗速率, 因此培養(yǎng)液pH從6.3下降到5.7, 培養(yǎng)液的酸化使得藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率降低.通入體積濃度30%的CO2對(duì)微藻生長(zhǎng)產(chǎn)生了較強(qiáng)抑制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 微藻培養(yǎng)時(shí)通入體積濃度為15%的CO2, 能夠促進(jìn)微藻生長(zhǎng)速率, 顯著提高沼液凈化效率.

圖 2

圖 2通入不同體積濃度CO2條件下微藻生長(zhǎng)曲線(a)及污染物脫除效率(b) (各工況下均采用臭氧氧化滅菌)

3.4 沼液中添加P和Fe元素對(duì)微藻生長(zhǎng)和污染物脫除的影響

由表 2可知, 沼液中磷元素(12.30 mg · L-1)和鐵元素(0.29 mg · L-1)濃度遠(yuǎn)低于小球藻標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基.研究表明, 對(duì)淡水浮游植物, 當(dāng)環(huán)境中的N : P摩爾比大于20 : 1時(shí), 對(duì)植物造成磷限制(李夜光等, 2006).本實(shí)驗(yàn)中使用的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵沼液N : P為69 : 1, 很顯然會(huì)對(duì)小球藻形成磷限制.鐵是藻類生長(zhǎng)過(guò)程中電子傳遞、光合作用、呼吸作用等多個(gè)生物過(guò)程的必要元素, 是除N、P元素外藻類生長(zhǎng)中最重要的元素, 缺鐵可導(dǎo)致葉綠素含量降低, 從而抑制光合生長(zhǎng)(于洪賢等, 2016).因此, 為進(jìn)一步提高微藻生長(zhǎng)速率和污染物脫除效率, 研究了在沼液中添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響.在不添加任何元素的條件下, 小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量為4.50 g · L-1(圖 3a).COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為73.9%、85.0%、80.1%和98.4%, 抗生素替米考星的脫除效率為83.5% (圖 3b).在沼液中添加10 mg · L-1 P元素后再接種培養(yǎng)小球藻, 此時(shí)小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量增加到5.36 g · L-1, 提高了19.1%.顯然, 添加P元素彌補(bǔ)了沼液中磷源不足的缺陷, 有利于促進(jìn)微藻生長(zhǎng).相應(yīng)的COD、NH3-N和TN的脫除效率分別提高到79.1%、87.8%和85.6%, TP的脫除效率為98.3%, 幾乎不變, 這是因?yàn)镻元素相對(duì)缺乏, 在培養(yǎng)過(guò)程中幾乎可以全部利用.抗生素替米考星的脫除效率也提高到88.0%.

圖 3

圖 3沼液中添加P和Fe元素條件下微藻生長(zhǎng)曲線(a)及污染物脫除效率(b)

在沼液中添加1 mg · L-1 Fe元素后再接種培養(yǎng)小球藻, 相對(duì)于不添加任何元素的情況, 小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量增加到5.54 g · L-1, 提高了23.1%.添加Fe元素有利于微藻光合色素的合成, 促進(jìn)新陳代謝, 從而加快生長(zhǎng)速率, 提高營(yíng)養(yǎng)鹽同化速率.相應(yīng)的COD、NH3-N和TN的脫除效率分別提高到81.8%、90.3%和88.4%, TP的脫除效率為98.4%幾乎不變, 抗生素替米考星的脫除效率提高到90.7%.添加P元素和Fe元素均有利于提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量和污染物脫除效率, 同時(shí)添加兩種元素時(shí), 促進(jìn)效果更加明顯.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在沼液中同時(shí)添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素后再接種培養(yǎng)小球藻時(shí), 小球藻最大生物質(zhì)產(chǎn)量為5.81 g · L-1, 相對(duì)未添加任何元素條件下提高了29.1%.兩種主要元素的補(bǔ)充使得沼液中的營(yíng)養(yǎng)成分得以滿足微藻生長(zhǎng)需要.相應(yīng)的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別提高到88.5%、93.6%、91.2%和98.9%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到90.7%.各種污染物的脫除效率均達(dá)到較高水平, 污染物濃度也達(dá)到國(guó)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn).

4 結(jié)論(Conclusions)

1) 本文通過(guò)選擇滅菌方式、優(yōu)化CO2濃度和沼液無(wú)機(jī)成分大幅提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量和沼液凈化效率.對(duì)沼液臭氧氧化滅菌使生物質(zhì)產(chǎn)量提高49.5%, 通入15% CO2使生物質(zhì)產(chǎn)量提高81.5%, 添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素使生物質(zhì)產(chǎn)量進(jìn)一步提高29.1%.

2) 在最佳條件下:對(duì)沼液臭氧氧化滅菌, 添加10 mg · L-1 P元素和1 mg · L-1 Fe元素, 培養(yǎng)過(guò)程中連續(xù)通入體積濃度為15%的CO2, 小球藻生物質(zhì)產(chǎn)量達(dá)5.81 g · L-1, 相應(yīng)的COD、NH3-N、TN和TP的脫除效率分別為88.5%、93.6%、91.2%和98.9%, 抗生素替米考星的脫除效率提高到90.7%.

3) 微藻生物質(zhì)富含油脂, 可提取并進(jìn)一步加工成生物柴油.脫脂后的微藻生物質(zhì)富含蛋白質(zhì)、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)元素, 可用作畜禽養(yǎng)殖飼料.微藻凈化沼液的方法和技術(shù)在凈化沼液的同時(shí), 利用太陽(yáng)能將沼液中的污染物變廢為寶, 實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用.