污水处理技术工艺

基于微藻培养处理畜禽养殖废水的研究进展

发布日期:2019-05-28 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

目前,大规模畜禽养殖业排放的粪便废水中含有大量的氮、磷、重金属和有机污染物,对生态环境造成严重污染,畜禽养殖废水处理的任务十分紧迫。由于传统畜禽废水处理方法和应用的不足,基于微藻生物技术的废水处理越来越受到人们的重视。微藻是一种广泛存在于水中的单细胞生物。具有脱氮除磷和污染收集能力。它主要通过同化作用吸收污水中的氮,以磷酸化的方式吸附和沉淀磷。细胞膜上的官能团富集了重金属。基于以上生理基础,大多数微藻对氮、磷的吸附率和对重金属的富集率可达80%以上。目前,微藻处理畜禽废水污染成分的研究主要集中在氮、磷、重金属等方面,实际应用主要有高效藻池、活性藻类、固定化技术、光生物反应器等。然而,微藻在处理畜禽废水中仍存在一些问题,如缺乏分子机理研究、生产实践经验不足等。从微藻处理畜禽废水的机理出发,综述了微藻对氮、磷、重金属等污染物的去除效果,总结了国内外微藻废水处理技术的研究现状和存在的问题,展望了微藻废水工程的发展前景。

近年来,我国畜牧业得到了长足发展,成为第一产业的重要支柱,养殖模式也由最初的自由文化向规模化文化转变。虽然规模化养殖具有节约成本、优化管理、提高产量等优点,但由于畜禽在此模式下的排便特性,在养殖过程中产生了大量含有重金属、氮、磷、抗生素等污染物的粪便废水。这些处理不当的污染物对环境造成严重影响。2010年污染调查数据显示,畜禽业生产1.43亿吨粪便和1.63亿吨尿液。畜牧业已成为我国仅次于钢铁和煤炭的第三大污染产业。处理畜禽排泄物废水、净化和保护水资源已成为当务之急。

目前,畜禽废水的处理主要包括自然处理,理化处理和生化处理[4]。然而,传统方法经常存在诸如效率低和成本高的问题,这限制了它们的渗透率。一般而言,小规模农场经常使用直接排放或粗处理来处理废水以节省成本;牲畜和家禽废水经常直接返回现场,这不仅会导致废水中的重金属和抗生素迁移到土壤中,还会造成资源。浪费。因此,企业和生态环境迫切需要一种高效,低成本,环保,高附加值的废水处理方法。

微藻是广泛存在于各种水环境中的单细胞微生物。利用微藻净化废水的技术受到了广泛关注。一方面,畜禽废水中含有大量的氮、磷和有机物,能够满足微藻对氮、碳源的需求,有效降低水中氮、磷的含量。同时,微藻还可以吸附或降解废水中的重金属、抗生素等污染物,实现废水的净化[5];另一方面,利用废水培养微藻也可以产生大量的微藻生物量,有利于其他下游产品的开发,如作为生物柴油、肥料和饲料,提供了基础。这无疑是一个绿色、环保、可循环利用的产业链,实现了藻类、水和下游产品的总和[6]。本文对国内外相关研究进行了综述,以期为后续理论研究和工业实践提供参考。

禽畜废水中的1大污染物

畜禽养殖废水主要由畜禽粪便、畜禽舍冲水、饲料残渣等组成。化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)含量较高。通过对某养鸡场废水成分的分析,发现主要污染成分如图1(未公布的数据)所示。

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畜禽废水中氮磷含量很高。根据2010年全国第一次污染调查通知,畜禽养殖业水污染物总氮含量为1.0248万吨,总磷含量为1604万吨,畜禽业排放的总氮量为1604万吨。总磷占农业污染源的38%,占农业污染源的56%(图2)[2]。全国氮排放总量为4.7289万吨,总磷排放量为4232万吨,畜禽行业氮磷排放所占比例分别为21.6%和37.9%。

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此外,畜禽废水中的重金属含量也很高。 2010年,中国畜禽养殖业铜排放污染物达到2 397.23 t,锌达到4 756.94 t,因为饲料中添加了硒,砷,锰,钙,铁,锌,铜,铬和汞。要素,以提高畜禽的生长潜力等[7]。这些元素,如铜,生物利用度低,大部分排泄是通过胆汁分泌和粪便排泄[8],导致重金属在环境中积累。与此同时,在大规模的农业条件下,饲料中经常添加过多的抗生素来预防和治疗可能的细菌感染,从而确保牲畜和家禽的健康,但这些抗生素中约有85%将采用原型和代谢物。排泄粪便和尿液[9],长期存在于水体中,缓慢降解;此外,在这种模式下,牲畜和家禽废水大多返回田间,抗生素也会迁移到土壤中,对作物造成毒害[10]。

因此,畜禽废水主要受氮、磷、重金属、抗生素和一些有机物的污染。同时,由于粪便和尿液的大量积累,也有大量的病原体、寄生虫卵等。

2.1利用微藻去除畜禽废水中的氮和磷

微藻脱氮除磷理论是由一些学者于1957年提出的。废水中的无机氮主要以硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮的形式存在。微藻可以通过细胞膜上的同化作用来吸收无机氮。首先,在ATP和硝酸还原酶的作用下,硝酸盐转化为亚硝酸盐,然后亚硝酸还原酶催化亚硝酸盐还原为铵盐。然后,还原的铵盐被结合到碳骨架中,最终在藻类细胞中合成氨基酸或蛋白质[12]。微藻对无机氮的同化机制如图3[13]所示。

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磷是代谢过程中的重要元素。微藻对磷的去除主要是通过磷酸化,使磷参与了ADP向ATP的转化[14]。H2PO4-和HPO 42-主要使用[15]。微藻细胞有三种磷酸化形式:底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光磷酸化。微藻可以通过吸收无机磷来去除水中的磷,也可以通过调节pH值等外部条件,使微藻沉淀或吸附沉淀(图4)。

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2.2使用微藻来富集重金属

微藻细胞表面有丰富而有序的功能群,细胞膜的选择性决定了藻类细胞能够在周围环境中吸收重金属。微藻表面的负电荷反应点可以与重金属结合并吸附。吸附重金属的藻类有两种:活藻细胞吸附和死藻吸附。一般来说,有两个过程:第一个是被动吸附,可以发生在活的和非活的微藻。在静电作用下,重金属被藻细胞的官能团吸附。重金属离子的亲和力随官能团的不同而不同。被动吸附包括物理吸附、化学吸附、配位吸附、离子交换吸附、螯合吸附和络合吸附。第二种是活性吸收,必须在代谢过程的基础上进行,主要发生在活的藻类细胞中。重金属离子通过细胞膜运输,在细胞内积累并附着在细胞内化合物或细胞器上。这个过程通常是缓慢的和不可逆的。活性吸收的机理主要包括共价键、氧化还原和表面沉淀。重金属的微藻富集过程如图5所示。

3 部分藻种的去污效果

3.1部分微藻脱氮除磷的效果

本文在总结前人研究的基础上,对几种藻类对总氮和总磷的去除率进行了研究。从表1可以看出,不同种类的微藻对氮、磷的吸附率很高,高达99%~100%,适用于各种工业废水。

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3.2某些微藻对重金属的吸附

如表2所示,对重金属富集的藻类菌株的研究主要集中在绿藻门,如小球藻,栅藻等,富集率可达到较高水平。

4.基于微藻培养的畜禽废水处理技术

4.1 高效藻类塘

高速率藻类池(hrap,图6),首先由Oswald和Gotaas提出,是对传统稳定池的改进。高效藻类池的关键是建立藻类细菌共生系统。微藻和细菌可以形成共生关系,与污水净化产生协同作用,从而大大提高水中污染物的去除效率。池中有氧细菌可降解碳、氮等有机物,生成二氧化碳、氨氮、硝酸盐等。微藻利用细菌产生的氮源和碳源进行光合作用并释放o2,为细菌的分解提供了电子供体。[31]。这两种功能相辅相成,是一种高效的脱氮脱磷技术。

藻类光合作用方程式:

106CO2+236H2O+16NH4++HPO42- → C106H181O45N16P+118O2+171H2O+14H+ (1)

国内外对高效藻类池的研究较多。孙伟丽等。[32]通过模拟高效藻类池在实验室条件下处理农村生活污水,发现藻类细菌数量为(2.6≤3.5)×10~5/mL。当停留时间为7d时,藻类池COD、NH4-N和TP的去除率可达87。5%77%,972%和64出水水质符合我国排放标准。Kim等人[33]采用高效藻类池与丝状藻类基质(丝状藻类基质,FAM)相结合的方法处理农村污水。结果表明,HRAP与FAM联用能有效地去除废水中的氮、磷。去除率分别达到79.8%和81.2%。[34]。结果表明,上流式厌氧污泥床移动床生物膜反应器(UASBMBB)和HRAP反应器能有效地去除水中的氨氮、磷酸盐和有机物。氨氮去除率为85%,磷酸盐去除率为91%,COD含量由23.3mg/L降至50 mg/L。由于好氧菌可以降解池塘中的碳和氮有机物,藻类池对有机物的去除率也很高。Park等人[35]发现高效藻类池能去除95%左右的溶解有机物。Villar-Navarro等人。[36]还发现HRAP对双氯芬酸和氢氯噻嗪等利尿剂的去除率分别提高了15%和50%。

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虽然高效藻类池塘的成本较低,但它依赖于藻类和细菌的代谢,并且受温度和光照等外部环境的影响很大;藻类生长条件难以控制;藻类的回收效率太低,成本太高。这些都阻碍了藻类池塘的应用。

4.2 活性藻

活性藻类废水处理技术是基于藻类和细菌的共生代谢来去除污染物。首先人工培养形成混合藻细菌絮凝剂,再与废水进一步培养纯化。好氧菌和各种活性微藻是藻类细菌的主要絮凝剂。蒂龙等。[37]采用活性藻类颗粒处理生物反应器废水。结果表明,该工艺可去除约86%-98%的COD和大部分的氮磷。国内对活性藻类技术的研究较少,况其军等。[38]采用活性藻类反应系统处理合成废水。结果表明,在26+2和24小时的停留时间条件下,可获得TN、TP、CODcr和生化指标。BOD5的平均去除率分别为77.62%、33.23%、90.89%和95.77%。

影响活性藻类处理效率的因素主要是藻类种类和区系的代谢,与水体中污染物浓度、光照、温度、摄入量等一系列参数有关。

4.3 微藻固定化技术

微藻固定化始于20世纪80年代。它是在细菌固定化技术的基础上发展起来的一种生物技术。通过物理或化学的方法将游离的藻类细胞固定在一定的区域内,可以保持细胞的活性,提高利用率。常用的固定方法有吸附法和包埋法。丝状藻类多采用吸附法,固定效率较低。在凝胶聚合物的网络空间中截留藻类,可以增加细胞的密度,增加细胞的反应和负载,降低细胞的损失率和分解率,是一种更为有效的固定方法。常用的固定化载体有海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、水性聚氨酯和硅藻土。

就氮磷的去除而言,流动化藻类的去除率高于悬浮态藻类,唐皓等[39]应用流动化小球藻对野生污水中的氮磷举行去除,发明流动化小球藻能去除野生污水中99.99% 的氨氮和95.71% 的总磷, 悬浮态小球藻则能去除野生污水中98.92% 的氨氮和91.56% 的总磷,流动化小球藻的结果更优;Praveen等[40]将小球藻封装于藻酸钠微球中,创建与异养细菌的共生处置系统,并发当初曝气条件下,对葡萄糖的去除服从从未曝气时的50%(耗时12 h)进步到了100%(耗时6 h),叶绿素含量增加了30%。

4.4 光生物反应器

光反应器是最有发展前途的微藻培养系统,它能有效地调节藻类的光、温度、碳源等,从而有效地增加微藻的生物量。此外,光生物反应器可以高效、廉价地收获微藻,最大限度地减少污染。光生物反应器与废水净化技术的结合是微藻环境工程与生物质工业相结合的一个重要环节,不仅可以方便、有效地控制微藻的生长。Najm等人[41]在膜光生物反应器中培养的普通小球藻中,PO43-P和无机碳的去除率约为100%。王雪飞等人[42]在光反应器培养和不同水力停留时间(水力停留时间,HRT)条件下,螺旋藻对氮磷营养物的去除效果相似。NH4-N、TNN去除率分别为98.52%、99.03%、90.43%、95.22%、88.25%、96.81%,螺旋藻生物量为0.42g/d。

然而,关于光生物反应器和废水净化以及生物质及其代谢物的研究仍然很少。在未来,应补充相关研究。

5 问题和展望

5.1存在的研究问题

基于一系列的生理生化反应,微藻有能力去除氮和磷,吸附重金属、有机物等污染物。它们在环境工程领域日益得到承认,也是生物技术在环境恢复方面的新应用。但其相关研究仍存在诸多问题,主要有:

目前,微藻对污水的处理仍停留在实验室模拟的基础上,缺乏实质性和社会性的工程应用。高效藻类池塘、固定化技术和光生物反应器也因其相关缺点而限制了推广应用。而作为生物质产业与污水处理产业最佳耦合装置的光生物反应器的研究更是少之又少。

相关研究的主要对象是氮、磷,而对畜禽废水中抗生素等其他污染物的研究较少。在实践中,更有必要以平衡和全面的方式考虑消除每一种污染成分。在这种情况下,由于缺乏相关的理论基础,导致了微藻废水净化装置的开发滞后。

对污水净化机理的研究很少,但仍不能达到分子水平。目前的机制主要是生理和生化水平。关键的氮和磷代谢基因和重金属富集蛋白的研究很少,这也限制了微藻的生物技术。在环境工程中的应用。

微藻废水工程一直未能与其潜在的巨大下游产业接轨。微藻生物质产业规模很大,涉及能源、食品、医药、建材、农林等行业。然而,由于微藻的种植和收获成本,使得微藻生物产业的发展受到阻碍,与上游产业的相容性不高。

5.2 展望

本文对畜禽废水的微藻处理技术进行了如下研究:(一)脱壳藻类品种的筛选和培育。它主要选择除污能力强、附加值大的藻类品种,不仅注重除氮除磷,而且考虑重金属、抗生素等污染物的除污能力;(二)揭示微藻去污机理,寻找关键基因。利用分子生物学实验和分析,找到了微藻适应和吸附污染物的关键分子机制,填补了这一领域的研究空白,为微藻水处理技术的发展奠定了理论基础。(三)发展微藻处理技术。例如,优化高效藻类池的净化条件,降低成本,寻找合适的固定载体,将废水处理与光生物反应器相结合,将污染处理与资源利用相结合,寻找最有效的藻类采集方法。同时对废水进行微藻处理将获得大量的生物质,如何高效、廉价地回收微藻生物质是与下游产业对接的关键。为了解决上述各环节中的问题并加以改进,以及有效利用资源,我们可以实现一个绿色和绿色的高价值产业链。

基于微藻培养处理畜禽养殖废水的研究进展

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