CN113248021A - 利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法 - Google Patents

利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法 Download PDF

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Abstract

利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，本发明涉及农村生活污水的处理方法。它是要解决现有的利用藻类塘对农村污水处理的方法对污染物的去除效果差的技术问题，本方法：一、蛋白核小球藻的培养；二、蛋白核小球藻的驯化；三、将二级驯化藻液接种到农村生活污水中，藻的浓度为105～106cell/mL，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)、曝气的条件下的条件下处理8～10天，完成农村生活污水的处理。本发明以蛋白核小球藻的光合作用为主要载体进行农村生活污水的处理，出水水质均符合污水一级B排放标准。可用于农村生活污水处理领域。

Description

利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法
技术领域
本发明涉及农村生活污水的处理方法。
技术背景
加强农村生活污水的收集、处理和资源化利用，是农村水环境改善迫切需要解决的问题，也是乡村振兴战略的重要内容。然而，我国农村生活污水处理设施覆盖率严重不足。2020年全国农村生活污水处理率仅为26％，农村生活污水问题已经成为影响农村人居环境和生态环境的重要因素。
农村用水大多是生活用水，主要包括厨房污水、卫生间污水和洗涤污水，三者被称为“农村三水”。而农村生活污水的特点是水量小、时变化系数较大，COD、NH3-N、TP总含量较城市污水相比都较低，几乎为城市的一半，浓度分别为(70-148.0)、(6.0-39.2)、(2.2-4.1)mg/L左右，再加上农村各村之间分布极其分散随机，因此难以集中进行处理。如果强行采用污水处理厂和污水处理设备等进行改善，将会花费较高的成本，产生处理性能过剩的情况，造成能源浪费。现有的利用藻类塘对农村污水处理的方法是以天然藻类为主，但是天然藻类的生物量增长有一定的限度，对于污染物的去除率较低。
发明内容
本发明是要解决现有的利用藻类塘对农村污水处理的方法对污染物的去除效果差的技术问题，而提供利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法。
本发明的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，按以下步骤进行：
一、蛋白核小球藻的培养：将BG11培养基加入到锥形培养瓶中，再在无菌条件下加入蛋白核小球藻液，混合均匀后，将锥形培养瓶在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养20～30天，得到一级培养藻液；培养期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒，以使藻液光照均匀且减少微藻沉积；再将一级培养藻液与BG11培养基加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养20～30天进行二次扩培，得到二级培养藻液；二次扩培期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒；通过培养使蛋白核小球藻大量增殖；
二、蛋白核小球藻的驯化：将二级培养藻液与农村生活污水加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下驯化培养7～15天，得到一级驯化藻液；驯化期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒；再将一级驯化藻液与农村生活污水加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下驯化培养7～15天进行二次扩培驯化，得到二级驯化藻液；二次扩培驯化期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒；通过二级驯化使蛋白核小球藻适应农村生活污水环境；
将二级驯化藻液接种到农村生活污水中，藻的浓度为105～106cell/mL，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)、曝气的条件下的条件下处理8～10天，完成农村生活污水的处理。
更进一步地，步骤一中，蛋白核小球藻液与BG11培养基的体积比为1：(2～3)；
更进一步地，步骤一中，一级培养藻液与BG11培养基的体积比为1：(5～6)；
更进一步地，步骤二中，二级培养藻液与农村生活污水的体积比为1：(5～12)；
更进一步地，步骤二中，一级驯化藻液与农村生活污水的体积比为1：(5～12)；
更进一步地，步骤二中，曝气使水中的溶解氧含量达到7.5～8mg/L。
本发明选择蛋白核小球藻作为去除农村生活污水中污染物的生物体，适应力强，易于培养，生长状态好，可在较快时间内发挥生物脱氮除磷的作用。出水水质均符合污水一级B排放标准。蛋白核小球藻处理污水的同时能够有效实现固碳作用。
本发明以蛋白核小球藻的光合作用为主要载体，还兼具生物固碳和生物质能源回收，碳减排量大幅度提升。整个过程可利用自然光照及温度优势促进藻生长，进行无动力降解，节省大量化石能源，不会造成二次污染。不仅降低治污成本和治污能源，而且实现了碳减排进程，体现了碳中和及节能减排的理念，因此技术具有广阔的应用前景。此外，收集到的蛋白核小球藻可作为生物质能源进行利用，比如制作生物柴油，具有一定的经济效益。
附图说明
图1是实施例1中柱状光生物反应器结构示意图；
图2是实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中COD随处理时间的变化情况图；
图3是实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中TP随处理时间的变化情况图；
图4是实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中总氮随处理时间的变化情况图；
图5是实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中氨氮随处理时间的变化情况图；
图6是实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中硝态氮随处理时间的变化情况图；
图7是实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中亚硝态氮随处理时间的变化情况图；
图8是实施例1的反应器内污染物的COD去除过程拟合结果图；
图9是实施例1的反应器内污染物的氮元素去除过程拟合结果图；
图10是对实施例1的反应器内污染物的TP去除过程拟合结果图。
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果。
实施例1：本实施例的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，按以下步骤进行：
一、蛋白核小球藻的培养：将20mLBG11培养基加入到锥形培养瓶中，再在无菌条件下加入10mL蛋白核小球藻液，混合均匀后，将锥形培养瓶在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养25天，得到一级培养藻液；培养期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～40秒，以使藻液光照均匀且减少微藻沉积；再将30mL一级培养藻液与150mL的BG11培养基加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养20天进行二次扩培，得到二级培养藻液；二次扩培期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～40秒；通过培养使蛋白核小球藻大量增殖；
其中步骤一中所述的BG11培养基是按以下的组成进行配制的，为蛋白核小球藻的生长提供营养，如表1所示。
表1 BG11培养基配制成分
Figure BDA0003068462570000031
表1中的微量元素液A5的组成成分见表2。
表2微量元素液A5配制成分
Figure BDA0003068462570000032
Figure BDA0003068462570000041
二、蛋白核小球藻的驯化：将180mL二级培养藻液与2000mL农村生活污水加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下驯化培养7天，得到一级驯化藻液；驯化期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～40秒；再将180mL一级驯化藻液与2000mL农村生活污水加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下驯化培养7天进行二次扩培驯化，得到二级驯化藻液；二次扩培驯化期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～40秒；通过二级驯化使蛋白核小球藻适应农村生活污水环境；
三、将农村生活污水加入到柱状光生物反应器中，该柱状光生物反应器由圆柱形透明玻璃主体管1、LED光源2、气泵3、流量计4和曝气盘5组成；其中主体管1的高径比H/D＝6，外径D＝10cm，总容积3.8L；在主体管1顶部设有进料接种口1-1以及排气孔1-2，在主体管1的侧壁上设置取样口1-3；曝气盘5设置在主体管1的底部，气泵3与曝气盘5连接，流量计4设置在气泵3与曝气盘5之间的管路上；LED软管灯条缠在主体管1的外部作为光源2；将二级驯化藻液接种到农村生活污水中，藻的浓度为105～106cell/mL，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)、曝气量为0.6L/min的条件下的条件下处理9天，处理期间取样测试农村生活污水中COD、TP、氨氮、总氮的去除情况，完成农村生活污水的处理。
实施例2：本实施例与实施例1不同的是步骤三中的曝气量为0.3L/min，其他与实施例1相同。
实施例3：本实施例与实施例1不同的是步骤三中的曝气量为0.9L/min，其他与实施例1相同。
实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中COD随处理时间的变化情况如图2所示，从图2可以看出，在反应初期，出水COD含量下降较快，在第3天，三个反应器出水COD含量分别为61.57mg/L、56.04mg/L和73.3mg/L，去除率分别为58.96％、62.28％和51.39％，可以明显看出，在曝气强度为0.9L/min时，出水中COD的去除效果最差，在第9天出水中COD含量为51.28mg/L，去除率为65.99％；在曝气强度为0.6L/min时，出水中COD的去除效果最优，在第9天出水中COD含量为36.32mg/L，去除率为75.55％；在曝气强度为0.3L/min时，出水中COD的去除效果稍次于曝气强度为0.6L/min时，在第9天出水中COD含量为40.95mg/L，去除率为72.71％。
并且曝气强度为0.6L/min时，出水中COD的去除效果均达到最优。
实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中TP随处理时间的变化情况如图3所示，从图2可以看出，三组反应器的总磷含量变化趋势一致，初始总磷含量下降较快，在曝气强度为0.3L/min、0.6L/min和0.9L/min时，第3天总磷含量分别为1.47mg/L、1.93mg/L和1.23mg/L，去除率分别为62.97％、52.42％和70.18％，第7天时反应器出水总磷含量已降到较低水平，总磷含量分别为0.34mg/L、0.25mg/L和0.50mg/L，去除率分别为91.34％、93.87％和87.93％，到第9天出水时，总磷含量较第7天只有微弱下降，分别为0.30mg/L、0.22mg/L和0.43mg/L，去除率分别为92.50％、94.53％和89.61％。并且曝气强度为0.6L/min时，出水中TP的去除效果均达到最优。
实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中总氮随处理时间的变化情况如图4所示，实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中氨氮随处理时间的变化情况如图5所示，实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中硝态氮随处理时间的变化情况如图6所示，实施例1～3的处理过程中，农村生活污水中亚硝态氮随处理时间的变化情况如图7所示，由图4～7可以看出，在曝气强度为0.6L/min时，出水水质中总氮去除效果最好。在曝气强度为0.3L/min和0.6L/min时，氨氮出水浓度已低于国家一级A出水中氨氮5mg/L的标准，去除率均较好；三组反应器硝态氮含量都不超过1mg/L，去除率均达标；在曝气强度为0.6L时，亚硝态氮的去除效果最好。综上，曝气强度为0.6L/min时，对N的去除效果最好。
对实施例1曝气强度为0.6L/min时反应器内污染物的COD去除过程进行拟合，结果如图8所示。从图8可以看出，在处理前期，COD的降解速率较高，在运行后期，污水中COD的降解速率降低。可能因为前期有机物浓度较高，促进藻的生长，且蛋白核小球藻对其有一定的吸附作用，加快污水中COD的降解。但生长后期部分藻细胞的死亡还会向污水中释放有机物，导致污水中COD的降解速率降低。
对实施例1曝气强度为0.6L/min时反应器内污染物的氮元素去除过程进行拟合，结果如图9所示。从图9可以看出，在反应前期，污水中的营养元素充足，微藻对氮元素保持较高的吸收速率，反应后期，虽然微藻的生长速率降低，但微藻生物量的不断累积，反应器内水体的pH值上升，可能导致一部分的氨氮能以氨气的形式排出，所以反应器中污水内的氮元素仍保持较高的降解速率。
对实施例1曝气强度为0.6L/min时反应器内污染物的TP去除过程进行拟合，结果如图10所示。从图10可以看出，在运行前期，藻细胞对污水中TP的去除以吸附为主，磷元素能够以磷酸盐的形式在藻细胞内储存，所以此时TP保持较高的降解速率。而反应后期，由于污水中TP含量过低，对藻细胞的生长起到了一定的限制作用，TP的降解速率有所降低。
实施例1曝气强度为0.6L/min时反应器处理后，农村生活污水中COD、氨氮、TN和TP的去除率及排放浓度如表1所示。
表1污染物出水各项指标及标准对比
COD 氨氮 TN TP
去除率(％) 67.83 68.98 76.05 88.86
排放浓度(mg/L) 45.04 7.75 10.17 0.45
污水一级A允许排放标准(mg/L) 50 5 15 0.5
污水一级B允许排放标准(mg/L) 60 8 20 1.0
从表1可以看出，实施例1中污水处理的COD、氨氮、TN以及TP的排放污染物浓度均符合国家一级B允许排放标准。
实施例4：本实施例培养栅藻，步骤如下：将20mLBG11培养基加入到锥形培养瓶中，再在无菌条件下加入10mL栅藻液，混合均匀后，将锥形培养瓶在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养，培养14天后发现，栅藻生长缓慢，菌藻大量死亡。
实施例5：本实施例培养普通小球藻，步骤如下：将20mLBG11培养基加入到锥形培养瓶中，再在无菌条件下加入10mL普通小球藻液，混合均匀后，将锥形培养瓶在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养，培养14天后发现，普通小球藻生长缓慢，菌藻大量死亡。
从实施4、5可以看出，对藻类的选择对农村生活污水的处理尤为重要。首先要选择生命活力强的品种。

Claims (6)

1.利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、蛋白核小球藻的培养：将BG11培养基加入到锥形培养瓶中，再在无菌条件下加入蛋白核小球藻液，混合均匀后，将锥形培养瓶在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养20～30天，得到一级培养藻液；培养期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒，以使藻液光照均匀且减少微藻沉积；再将一级培养藻液与BG11培养基加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下培养20～30天进行二次扩培，得到二级培养藻液；二次扩培期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒；通过培养使蛋白核小球藻大量增殖；
二、蛋白核小球藻的驯化：将二级培养藻液与农村生活污水加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下驯化培养7～15天，得到一级驯化藻液；驯化期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒；再将一级驯化藻液与农村生活污水加入到锥形培养瓶中混合，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)的条件下驯化培养7～15天进行二次扩培驯化，得到二级驯化藻液；二次扩培驯化期间每天摇晃锥形培养瓶三次，每次摇晃30～60秒；通过二级驯化使蛋白核小球藻适应农村生活污水环境；
三、将二级驯化藻液接种到农村生活污水中，藻的浓度为105～106cell/mL，在温度为25±1℃、光照强度为100μmol/(m2·s)、曝气的条件下的条件下处理8～10天，完成农村生活污水的处理。
2.根据权利要求1所述的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，其特征在于步骤一中，蛋白核小球藻液与BG11培养基的体积比为1：(2～3)。
3.根据权利要求1或2所述的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，其特征在于步骤一中一级培养藻液与BG11培养基的体积比为1：(5～6)。
4.根据权利要求1或2所述的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，其特征在于二级培养藻液与农村生活污水的体积比为1：(5～12)。
5.根据权利要求1或2所述的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，其特征在于步骤二中一级驯化藻液与农村生活污水的体积比为1：(5～12)。
6.根据权利要求1或2所述的利用蛋白核小球藻处理农村生活污水的方法，其特征在于步骤二中，曝气使水中的溶解氧含量达到7.5～8mg/L。
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