CN112794454A - 一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，通过采用响应面分析法优化微藻对养殖废水中铜元素的去除效果，对废水中铜离子浓度、pH、微藻初始接种浓度和培养时间等因素进行显著因子筛选和优化，提高微藻对养殖废水中铜元素的去除效果。本发明通过响应面优化，可以获得影响微藻去除废水中铜元素相关因素的预测模型，连续地对各个因素进行分析，并得到最优去除条件。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理领域，特别是涉及一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法。
背景技术
一些微量金属元素如铜，不仅可以作为动物生长所必须的养分，而且能起到防治疾病、提高饲料效率、促进动物生长等作用，因此被广泛应用于畜禽饲料添加剂中。我国农业农村部发布的《饲料添加剂安全使用规范》（2017年修订版）中对铜在饲料中的添加量有明确规定，然而饲料中铜元素高添加现象极其普遍。饲料中高添加量的铜并不能完全被动物吸收，约60%～70%的铜会随动物粪尿排出体外并进入养殖废水中。目前已在我国多处地区养殖废水中检测出铜离子。随着养殖废水的排放或还田利用，废水中的铜随之进入到周边水体或土壤中，对环境中的生物产生累积效应和毒副作用，人类若经常饮用受污染的水或食用受污染的水产品和农产品会造成铜元素在体内蓄积，危害机体的正常生理功能，对人类健康造成严重威胁。因此，开展养殖废水铜元素去除技术研究，对于有效控制铜元素向环境中排放、保障食品安全和人体健康具有重要的现实意义。
目前国内外常见的水体重金属污染修复方法主要有物理法、化学法和生物修复法。物理和化学技术成本高昂，对于畜禽养殖业来说难以负，而生物修复技术更加经济和环保。近年来，对重金属修复能力强的一些生物如藻类、细菌、真菌、水陆生植物等备受研究者的关注。其中，微藻作为一种具有生长周期短、光合效率高、不与农作物争地等优点的初级生产者，已成为近年来废水处理领域关注的焦点。微藻从养殖废水中去除铜离子的过程受众多因素影响，获得最佳的去除条件是难点。响应面优化法已被应用于多种领域的条件优化，可以采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数。然而，目前尚未见此方法应用于优化微藻去除养殖废水中铜离子过程的报道。本发明利用利用响应面分析法优化微藻去除养殖废水中铜元素的相关影响参数，提高微藻对养殖废水中铜元素的去除效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术条件限制，提供一种了利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，通过采用响应面分析法优化微藻对养殖废水中铜元素的去除效果，对废水中铜离子浓度、pH、微藻初始接种浓度和培养时间等因素进行显著因子筛选和优化，提高微藻对养殖废水中铜元素的去除效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将微藻接种至培养基中培养3～4 d使其进入对数期；
步骤2：将步骤1中微藻用纯水洗净后，分别接种至不同浓度的含铜废水中，置于光照培养箱中培养。微藻初始接种浓度为0.1g/L，培养温度为30℃，光照强度为6000Lux，光暗周期为12h/12h，摇床转速为150 rpm。每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定铜离子浓度对微藻去除铜元素的影响。
步骤3：用稀酸和稀碱将铜离子浓度为1mg/L的含铜废水pH调成不同梯度，将步骤1中微藻用纯水洗净后，分别接种至上述废水中，置于光照培养箱中培养。微藻初始接种浓度为0.1g/L，培养温度为30℃，光照强度为6000Lux，光暗周期为12h/12h，摇床转速为150rpm。每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定废水pH对微藻去除铜元素的影响。
步骤4：将步骤1中微藻用纯水洗净后，按不同初始接种浓度分别接种至铜离子浓度为1mg/L的含铜废水中，置于光照培养箱中培养。培养温度为30℃，光照强度为6000 Lux，光暗周期为12h/12h，摇床转速为150rpm。每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定微藻初始接种浓度对其去除铜元素的影响。
步骤5：根据单因素试验结果，以影响显著的因素为自变量，铜离子去除率为响应值Y，利用Design Expert 12软件中Box-Behnken Design设计进行试验设计，确定微藻对铜的去除率。
步骤6：对步骤5得到的试验数据进行多元回归分析，构建二次多元回归方程并对其进行方差分析和显著性分析，二次多元回归方程为：Y=110.02X1+8.78 X2+594.55 X3+1.17 X1 X2-7.87 X1 X3+5.77 X2 X3-9.33 X1 2-2.24 X2 2-697.97 X3 2-379.94（其中Y为铜离子去除率，X1为废水初始pH，X2为微藻培养时间，X3为微藻初始接种浓度）。确定出微藻去除养殖废水中铜的最优条件。
进一步地，步骤1所述的微藻包括但不限于栅藻属、小球藻属、葡萄藻属、硅藻属和杜氏藻属。
进一步地，步骤2中含铜废水中铜离子的浓度分别为0.5mg/L、1mg/L、2mg/L和3mg/L。
进一步地，步骤3中含铜废水的pH有5，6，7和8四个梯度。
进一步地，步骤4中微藻的初始接种浓度分别为0.05g/L、0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L和0.4 g/L。
进一步地，步骤5中影响显著的因素为pH、微藻初始接种浓度和培养时间。
进一步地，步骤6中根据二次多元回归方程分析后所确定出微藻去除养殖废水的最优条件为：微藻初始接种浓度为0.41g/L，废水pH为5.97，培养时间为4.04 d。
本发明的有益效果体现在：本发明提供了一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，通过利用响应面分析法优化微藻对养殖废水中铜元素去除效果，对废水中铜离子浓度、pH、微藻初始接种浓度和培养时间等因素进行显著因子筛选和优化，提高微藻对养殖废水中铜元素的去除效果。优化后微藻对铜元素的去除率可达87.95%。本发明技术方案中，通过响应面优化，可以获得影响微藻去除废水中铜元素相关因素的预测模型，连续地对各个因素进行分析，并得到最优去除条件。
附图说明
图1为实例1铜离子浓度对微藻去除废水中铜元素的影响；
图2为实例2废水初始pH对微藻去除废水中铜元素的影响；
图3为实例3微藻接种浓度对其去除废水中铜元素的影响；
图4为实例4 微藻初始接种浓度、pH和培养时间对废水中铜离子去除率的响应面三维图；
其中（a）为pH和培养时间对废水中铜离子去除率的响应面三维图，（b）为微藻初始接种浓度和pH对废水中铜离子去除率的响应面三维图，（c）为微藻初始接种浓度和培养时间对废水中铜离子去除率的响应面三维图。
具体实施方式
实施例1
步骤1：将微藻接种至培养基中培养3～4 d使其进入对数期；
步骤2：将步骤1中微藻用纯水洗净后，分别接种至铜离子的浓度分别为0.5mg/L、1mg/L、2mg/L和3mg/L的含铜废水中，置于光照培养箱中培养。微藻初始接种浓度为0.1 g/L，培养温度为30℃，光照强度为6000Lux，光暗周期为12h/12h，摇床转速为150rpm。每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定铜离子浓度对微藻去除铜元素的影响。
培养5天后，微藻对浓度为1mg/L铜离子的去除效果最佳，去除率为61.61%。
实施例2
步骤1：将微藻接种至培养基中培养3～4 d使其进入对数期；
步骤2：用稀酸和稀碱将铜离子浓度为1mg/L的含铜废水pH调成5,6,7,8四个梯度，将步骤1中微藻用纯水洗净后，分别接种至上述废水中，置于光照培养箱中培养；微藻初始接种浓度为0.1g/L，培养温度为30℃，光照强度为6000Lux，光暗周期为12h/12h，摇床转速为150 rpm。每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定废水pH对微藻去除铜元素的影响。
废水初始pH为5或6时更利于微藻去除铜离子，去除率在74%左右。
实施例3
步骤1：将微藻接种至培养基中培养3～4 d使其进入对数期；
步骤2：将步骤1中微藻用纯水洗净后，藻细胞按0.05g/L、0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L和0.4 g/L初始接种浓度分别接种至铜离子浓度为1 mg/L的含铜废水中，置于光照培养箱中培养。培养温度为30℃，光照强度为6000 Lux，光暗周期为12 h/12h，摇床转速为150rpm。每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定微藻初始接种浓度对其去除铜元素的影响。
微藻初始接种浓度为0.4g/L时，废水在铜离子去除效果最佳，去除率最大为79.46%。
实施例4
步骤1：根据实施例1、2、3的结果，以影响显著的微藻初始接种浓度、pH和培养时间为自变量，铜离子去除率为响应值Y，利用Design Expert 12软件中Box-Behnken Design设计进行试验设计，具体设计和试验结果见表1。
表1 微藻去除含铜废水Box-Behnken试验设计和结果
步骤2：对步骤:1得到的试验数据进行多元回归分析，构建二次多元回归方程：Y=110.02X1+8.78 X2+594.55 X3+1.17 X1 X2-7.87 X1 X3+5.77 X2 X3-9.33 X1 2-2.24 X2 2-697.97 X3 2-379.94，其中Y为铜离子去除率，X1为废水初始pH，X2为微藻培养时间，X3为微藻初始接种浓度。
步骤3：对二次多元回归方程进行方差分析和显著性分析，分析结果见表2。结果表明，微藻去除含铜废水的二次多元回归方程显著水平P＜0.0001，失拟项显著水平P＞0.05，模型的调整确定系数R2 Adj 值为0.99，故该模型拟合度良好。
表2 微藻去除含铜废水响应面数据方差分析结果
步骤4：利用Design Expert12软件绘制二次多元回归方程的响应面图（图4），运用响应面寻优法对二次多元回归方程进行最优解分析，得到微藻去除含铜废水的最优条件为：微藻初始接种浓度为0.41g/L，废水pH为5.97，培养时间为4.04d。在此条件下，微藻对废水中铜离子去除率为87.35%，与预测值接近。
Claims (7)
1.一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将微藻接种至培养基中培养3～4 d使其进入对数期；
步骤2：将步骤1中微藻用纯水洗净后，分别接种至不同浓度的含铜废水中，置于光照培养箱中培养，微藻初始接种浓度为0.1 g/L，培养温度为30 ℃，光照强度为6000 Lux，光暗周期为12 h/12 h，摇床转速为150 rpm，每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定铜离子浓度对微藻去除铜元素的影响；
步骤3：用稀酸和稀碱将铜离子浓度为1 mg/L的含铜废水pH调成不同梯度，将步骤1中微藻用纯水洗净后，分别接种至上述废水中，置于光照培养箱中培养，微藻初始接种浓度为0.1 g/L，培养温度为30 ℃，光照强度为6000 Lux，光暗周期为12 h/12 h，摇床转速为150rpm，每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定废水pH对微藻去除铜元素的影响；
步骤4：将步骤1中微藻用纯水洗净后，按不同初始接种浓度分别接种至铜离子浓度为1mg/L的含铜废水中，置于光照培养箱中培养，培养温度为30 ℃，光照强度为6000 Lux，光暗周期为12 h/12 h，摇床转速为150 rpm，每天取样测定各处理中铜离子的去除率，确定微藻初始接种浓度对其去除铜元素的影响；
步骤5：根据单因素试验结果，以影响显著的因素为自变量，铜离子去除率为响应值Y，利用Design Expert 12软件中Box-Behnken Design进行试验设计，确定微藻对铜的去除率；
步骤6：对步骤5得到的试验数据进行多元回归分析，构建二次多元回归方程并对其进行方差分析和显著性分析，二次多元回归方程为：Y=110.02X1+8.78 X2+594.55 X3+1.17 X1X2-7.87 X1 X3+5.77 X2 X3-9.33 X1 2-2.24 X2 2-697.97 X3 2-379.94；其中Y为铜离子去除率，X1为废水初始pH，X2为微藻培养时间，X3为微藻初始接种浓度，确定微藻去除养殖废水中铜元素的最优条件。
2.根据权利要求1所述的一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于：步骤1所述的微藻包括但不限于栅藻属、小球藻属、葡萄藻属、硅藻属和杜氏藻属。
3.根据权利要求1所述的一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于：步骤2中含铜废水中铜离子的浓度分别为0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L和3 mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于：步骤3中含铜废水的pH有5，6，7和8四个梯度。
5.根据权利要求1所述的一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于：步骤4中微藻的初始接种浓度分别为0.05 g/L、0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L和0.4 g/L。
6.根据权利要求1所述的一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于：步骤5中影响显著的因素为pH、微藻初始接种浓度和培养时间。
7.根据权利要求1所述的一种利用微藻去除养殖废水中铜元素的优化方法，其特征在于：根据二次多元回归方程分析后所确定出微藻去除养殖废水的最优条件为：微藻初始接种浓度为0.41 g/L，废水pH为5.97，培养时间为4.04 d。
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