一种两阶段处理体系对高氨氮畜禽废水脱除氮磷的方法

1.本发明属于生物技术领域，具体涉及一种高效两阶段连续处理体系对高氨氮畜禽废水脱氮除磷的方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国经济实力的飞速发展，人们对生活需求的品质也日益提升，日常饮食中肉类、蛋白类及奶制品的占比逐年增加并趋于稳定。面对猪肉需求量的逐年增加，保障市场的供应稳定，我国畜禽养殖业也从小规模分散养殖朝着规模化、集约化的方向发展，并逐渐成为我国农村经济发展的支柱性产业。大量规模化的养猪场在带动农村经济发展的同时，带来的环境问题也是不可避免的。
3.利用养猪沼液废水培养微藻在实现水质净化的同时也推动着微藻能源行业的发展，是生物技术在环境修复方向的新运用，环境领域逐渐得到认可。但是养猪废水培养微藻目前还未实现产业化，相关研究仍存在一些问题，主要集中在以下方面：养猪沼液废水的c/n低，可生化性差。失衡的c/n不利于微生物对废水中营养成分的吸收转化，从而对体系内微藻的生长繁殖、代谢活动和有机污染物的降解均产生抑制，使处理效果不够理想；微藻在生长过程中通过光合作用释放氧气(o2)，容易造成溶解氧累积，过高的氧分压会产生光呼吸现象，降低微藻生物质产量并造成细胞内丙二醇积累，对细胞代谢产生毒性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的存在问题，本发明提供一种高效两阶段连续处理体系（藻菌共生 微藻体系）对高氨氮畜禽废水脱氮除磷的方法，分别利用加入活性污泥形成藻菌共生系统和加入一定量有机碳源解决上述溶解氧气积累和c/n过低的问题，在处理沼液废水的同时得到微藻生物质能源。
5.为实现上述发明目的，本发明包括以下技术方案：一种两阶段处理体系对高氨氮畜禽废水脱氮除磷的方法，具体包括以下步骤：（1）将索罗金小球藻在光照培养箱中利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；（2）第一阶段处理：将索罗金小球藻藻液和活性污泥接种入装有已灭菌处理后的沼液废水中，加入有机碳源，控制碳氮比，培养后得到处理液；（3）第二阶段处理：将第一阶段处理液高速离心后收集上清液，收集的上清液再次经过高压灭菌后作为接种微藻的培养基，加入索罗金小球藻藻液，继续对废水进行第二阶段深度处理，处理完成。
6.进一步地，步骤（1）中所述的种子液中生物量为0.4-0.8 g/l；优选为0.4g/l。
7.进一步地，步骤（1）中所述的培育条件为25
±
1℃，4000 lux。
8.进一步地，步骤（2）中所述的索罗金小球藻与活性污泥按照的投料比例为1:(1-5)~(1-5):1，以mlss计，w/w。
9.进一步地，步骤（2）中所述的活性污泥为有机污泥，优选为好氧污泥。
10.进一步地，步骤（2）中所述的培养条件为光照强度4000-6000 lux，24 h连续光照下进行培养，每天的早中晚各摇晃锥形瓶1-3 min。
11.进一步地，步骤（2）中所述的培养的时间至少5天；优选为处理时间至少7天；更优选的处理时间为7天。
12.进一步地，步骤（2）中所述的碳源选自葡萄糖、乙酸钠、淀粉和柠檬酸中的至少一种。
13.进一步地，步骤（2）中所述的碳氮比c/n=2.2-30；优选为c/n=30。
14.进一步地，步骤（3）中所述的第二阶段加入索罗金小球藻的初始生物量为0.4-0.8 g/l；优选为0.4 g/l。
15.进一步地，步骤（3）中所述的深度处理的条件为光照强度4000-6000 lux，24 h连续光照下进行培养，每天的早中晚各摇晃锥形瓶1-3 min。
16.进一步地，步骤（3）中所述的深度处理的时间至少5天；优选为处理时间至少7天；更优选的处理时间为7天。
17.进一步地，每个阶段培养周期内每24 h取样50 ml，测定微生物生物量和废水ph，再经0.45
µ
m滤膜过滤后取滤液检测水质中tn、tp、nh
4 -n和cod的浓度。
18.进一步地，每个阶段培养周期末称取一定量烘干的藻粉，分别测定两个阶段内微藻积累的油脂、总糖和蛋白质的含量。
19.进一步地，经过两阶段处理方法后沼液废水可达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)。
20.与现有技术相比，本发明具有如下效果：本发明提供了一种高效两阶段连续处理体系（藻菌共生 微藻体系）对高氨氮畜禽废水脱氮除磷的方法，利用加入活性污泥形成藻菌共生系统和加入一定量有机碳源解决了溶解氧气积累和c/n过低的问题，在处理沼液废水的同时得到微藻生物质能源；经两阶段处理后，养猪沼液中的污染物质能达标排放的同时微藻积累的油脂含量超过31%、多糖含量超过25%、蛋白质含量超过41%。
附图说明
21.图1. 实施例4两阶段处理实际养猪沼液废水中nh
4 -n(a)、tn(b)、tp(c)和cod(d)变化趋势。
22.图2. 对比实施例1两阶段处理实际养猪沼液废水中nh
4 -n(a)、tn(b)、tp(c)和cod(d)变化趋势。
具体实施方式
23.下面将以实施例的方式对本技术作进一步的详细描述，以使本领域技术人员能够实践本技术。应当理解，可以采用其他实施方式，并且可以做出适当的改变而不偏离本技术的精神或范围。为了避免对于使本领域技术人员能够实践本技术来说不必要的细节，说明书可能省略了对于本领域技术人员来说已知的某些信息。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，且本发明的范围仅由所附权利要求界定。以下的实施例便于更好地理解
本技术，但并不用来限制本技术的范围。
24.本发明实施例中所用的索罗金小球藻(chlorella sorokiniana)，购买自中国科学院淡水藻种库，活性污泥取自山东省济南市长清区某水质净化厂二沉池，实际养猪沼液废水取自山东省烟台市莱阳市某猪场厌氧消化池出水。
25.实施例1（1）将索罗金小球藻在光照培养箱中（25
±
1 ℃，4000 lux）利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；（2）以模拟养猪沼液废水作为研究底物，分别取500ml废水置于锥形瓶中，反应体系的初始接种量为0.4 g/l左右，设置藻菌比（以mlss计，w/w）为1:1、1:3、1:5、3:1、5:1，培养条件为4000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天；（3）每隔24h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4 -n、cod的浓度，分析模拟沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况。
26.实验前后废水中各项污染物含量数据如表1所示，藻菌比为1:3组对废水中的氨氮和总氮的处理效果最好，分别为69.33%和69.52%。
27.表1. 不同藻菌比条件下废水处理前后污染物含量对比实施例2（1）将索罗金小球藻在光照培养箱中（25
±
1 ℃，4000 lux）利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；（2）保持反应体系的初始接种量为0.4 g/l，投加的藻菌比为1：3且加入葡萄糖作为有机碳源，调节c/n分别为2.2、5、10、15、30，培养条件为4000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天。
28.（3）每隔24h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh4 -n、cod的浓度，分析模拟沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况。
29.实验前后废水中各项污染物含量数据如表2所示，碳氮比为30组对废水中的氨氮、总氮、总磷和cod的处理效果最好，分别为96.67%和95.57%、97.02%和92.44%。
30.表2. 不同碳氮比条件下废水处理前后污染物含量检测结果
实施例3（1）将索罗金小球藻在光照培养箱中（25
±
1 ℃，5000 lux）利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；（2）保持反应体系的初始接种量为0.4 g/l且投加的藻菌比为1:3，投入不同有机碳源（葡萄糖、乙酸钠、淀粉、柠檬酸）使c/n达到30，培养条件为6000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天。
31.（3）每隔24h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4 -n、cod的浓度，分析模拟沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况。
32.实验前后废水中各项污染物含量数据如表3所示，有机碳源为乙酸钠组对废水中的氨氮、总氮、总磷和cod的处理效果最好，分别为99.09%、98.69%、93.62%和96.05%。
33.表3. 不同有机碳源条件下废水处理前后污染物检测结果实施例4（1）将索罗金小球藻在光照培养箱中（25
±
1 ℃，4000 lux）利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；（2）第一阶段处理：初始生物量为0.4 g/l、藻菌比为1:3、有机碳源为乙酸钠并调至c/n=30:1时，将微藻和活性污泥接种入装有已灭菌处理后的500 ml实际养猪沼液废水中，培养条件为6000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天；（3）第二阶段处理：7天结束后经高速离心后收集上清液，收集的上清液再次经过高压灭菌后作为接种微藻的培养基，微藻的初始生物量为0.4 g/l，继续对废水进行第二阶
段深度处理；培养条件为6000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天；（4）每隔24h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4 -n、cod的浓度，分析沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况；在两阶段结束后称取一定藻粉测定微藻积累的油脂、总糖及蛋白质含量。
34.表4所示结果表明，在两阶段处理结束后，藻泥体系对废水中tn、tp、nh
4 -n、cod的去除率分别为96.70%、96.97%、96.95%、81.11%，最终能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)；生物量产量为3.64 g/l，且产生了31.16%、25.49%和41.90%的油脂、多糖和蛋白质生物质能源。
35.表4. 废水处理前后各污染物含量检测结果从图1中各个污染物质的最终浓度可以看出，实施例4处理后的污水中氨氮、总氮、总磷和cod含量分别为16.98 mg/l、18.72 mg/l、0.48 mg/l和263.49 mg/l，可以达标排放。
36.对比例1（1）将索罗金小球藻在光照培养箱中（25
±
1 ℃，4000 lux）利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；（2）第一阶段处理：初始生物量为0.4 g/l、藻菌比为1:3，将微藻和活性污泥接种入装有已灭菌处理后的500 ml实际养猪沼液废水中，培养条件为6000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天；（3）第二阶段处理：7天结束经高速离心后收集上清液，收集的上清液再次经过高压灭菌后作为接种微藻的培养基，微藻的初始生物量为0.4 g/l，继续对废水进行第二阶段深度处理；培养条件为6000 lux、24 h连续光照，培养周期为7天；（4）每隔24h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4 -n、cod的浓度，分析沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况；同时在两阶段结束后称取一定藻粉测定微藻积累的油脂、总糖及蛋白质含量。
37.表5所示结果表明，在两阶段处理结束后，藻泥体系对废水中tn、tp、nh
4 -n、cod的去除率分别为91.95%、73.22%、83.34%、81.25%，氨氮不能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)，；生物量积累了1.37 g/l，且产生了29.78%、25.24%和40.83%的油脂、多糖和蛋白质生物质能源。
38.表5. 对比例1处理的废水中各污染物检测结果
从图2.中各个污染物质的最终浓度可以得到，对比实施例1.处理后的污水中氨氮、总氮、总磷和cod含量分别为92.42 mg/l、45.28 mg/l、4.10 mg/l和258.34 mg/l，氨氮不能达标排放。
39.结果分析：对沼液废水中氨氮和tn的去除效果最佳的藻菌比为1:3，去除率分别为69.33%和69.52%。5种藻菌接种比对tp的去除率差异并不明显，藻菌比为1:3时tp的去除率为61.67%。在实验结束时，对cod的去除量为703.16 mg/l。综上所述，当藻菌比=1:3时，体系中氮元素的去除效果最好，并且微生物生长情况也较好，对废水中的tp和cod的去除也有较好效果。在c/n=30时，废水中氨氮、tn、tp和cod的去除率最高，分别为93.09%、92.82%、95.75%和94.03%，较原浓度废水下明显改善了藻菌共生体系对污染物的去除。
40.沼液废水中各个污染指标在最佳c/n下藻菌共生 微藻两阶段连续处理后，4种污染物最终的浓度均达到了畜禽养殖业废水排放标准。实际废水中氨氮含量经14天处理后从556.85 mg/l下降至16.98mg/l，tn的含量从567.69 mg/l下降至18.72 mg/l，去除率分别为96.95%和96.70%。tp在培养14天后，磷素的浓度从15.78 mg/l下降至0.48 mg/l，去除率高达96.97%，cod则最终稳定于263.49 mg/l。由此可见，利用高效两阶段连续处理体系（藻菌共生 微藻体系）对高氨氮畜禽废水脱氮除磷可以使沼液废水达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)。