CN114349165B

CN114349165B - 一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法及应用

Info

Publication number: CN114349165B
Application number: CN202210037036.1A
Authority: CN
Inventors: 崔鸿武; 汪鲁; 曲克明; 崔正国; 王大为
Original assignee: Yellow Sea Fisheries Research Institute Chinese Academy of Fishery Sciences
Current assignee: Yellow Sea Fisheries Research Institute Chinese Academy of Fishery Sciences
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-01-13
Also published as: CN114349165A

Abstract

本发明公开了一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法及应用，涉及海水养殖尾水处理技术领域。构建方法为：将海水养殖尾水通入含有填料的滤器中进行循环，实现自然挂膜，然后调整海水养殖尾水的碱度至海水螺旋藻生长的适宜碱度，作为其生长水体，并在滤器中加入海水螺旋藻，保持光照，待滤器内壁生长出藻菌生物被膜后，完成藻菌共生反硝化生物滤器的初步构建；在不短于15d的时间内，逐步降低所述海水养殖尾水的碳源含量，并逐步缩减水力停留时间，最终保持C/N为1/1，水力停留时间为2h，完成反硝化生物滤器的构建。本发明在大幅减少有机碳源投加以降低运行成本的同时，兼顾高效除磷，可在短时间内快速实现海水养殖尾水的达标排放。

Description

一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法及应用

技术领域

本发明涉及海水养殖尾水处理技术领域，特别是涉及一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法及应用。

背景技术

海水养殖尾水具有碳氮比(C/N)低、盐度高、排放不集中、产量大等特点，导致其处理难度较大。

传统物理处理法(机械过滤、泡沫分离、膜分离等)无法对养殖尾水进行深度处理，难以达到排放标准，通常仅用作养殖尾水的预处理；化学处理法(臭氧氧化、絮凝、电解法等)虽然高效，但其成本也高，产生副产物，增加水产品的食用风险；而生物处理法因其低成本、低风险并可深度处理养殖尾水等优点受到广泛研究。

目前，传统的生物处理法主要包括活性污泥法、生物膜法、生物过滤法等，但对氮磷的去除效果并不理想。最大的问题在于：①活性污泥法尚难应用于处理海水养殖尾水，一方面是因为较低的尾水负荷难以维持污泥的高效生长，往往需要外加碳源以维持适宜C/N，提高了处理成本；另一方面该法对磷的去除通过排放剩余污泥来实现，需设置交替厌氧和好氧/缺氧条件实现多聚磷酸盐在聚磷菌中的储存，多段工艺占地面积较大，使处理成本大幅增加。②与活性污泥法类似，生物膜法同样受限于尾水的低C/N比，其除磷过程依赖微生物自身生长或繁殖消耗，对尾水中磷酸盐去除效果不佳，多适用于处理有机物浓度较高的尾水。③以贝藻混养为代表的生物过滤法，不添加外源物质即可低成本地去除尾水中的无机氮、磷，但其处理效果受限于大型藻类的生长效率。因此，迫切需要一种高效率、低成本的生物处理法用于海水养殖尾水深度处理。

目前，海水陆基工厂化循环水养殖系统中包含一级、二级、三级生物滤池，在曝气条件下，仅通过硝化细菌将对养殖生物毒害作用较大的氨氮和亚硝态氮转化为对生物毒害作用较小的硝酸盐氮后，回用或者排放，长此以往，循环系统中硝酸盐逐渐累积，且研究表明，较高浓度的硝酸盐会对养殖动物产生慢性不良影响；另外，高浓度的硝酸盐排放可能引起受纳海域的富营养化，因此，海水养殖尾水中硝酸盐的高效去除对于海水养殖业高效绿色发展具有重要的意义。

近年来，将微藻对尾水中氮磷等营养物质的去除与细菌强大的污染物降解能力有效结合而建立的藻菌共生生物技术正成为废水处理领域新的研究热点，目前已被证明可有效应用于生活污水、消化浓缩废水、酿酒废水、养猪废水和水产养殖尾水的处理，同时还可实现节能降耗和资源回收利用。但目前，对于藻菌共生废水处理技术，绝大部分研究均为自养微藻与好氧细菌之间的共生体系，自养微藻通过光合作用释放出的氧气供好氧细菌/硝化细菌利用，从而对水体中的氨氮、亚硝酸盐氮进行转化，同时微藻经过同化吸收可去除一部分的氮、磷等，但是此种方式并不适用于海水陆基工厂化养殖模式下硝酸盐含量较高的尾水处理，若以自养微藻搭配异养反硝化菌的共生模式，光合微藻产生的氧气会抑制反硝化菌的脱氮效率，从而难以达到海水养殖尾水排放标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法及应用，以解决上述现有技术存在的问题，进而实现养殖尾水中海水养殖尾水中TN、TP的高效去除，短时间内实现海水养殖尾水的达标排放。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明目的之一是提供一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法，包括以下步骤：

(1)将海水养殖尾水通入含有填料的滤器中进行循环，实现自然挂膜；

(2)挂膜完成后，调整所述海水养殖尾水的碱度至海水螺旋藻生长的适宜碱度，作为其生长水体，然后在滤器中加入海水螺旋藻，保持光照；

(3)待滤器内壁生长出藻菌生物被膜后，即完成藻菌共生反硝化生物滤器的初步构建；

(4)对初步构建藻菌共生反硝化生物滤器进行优化：在不短于15d的时间内，逐步降低所述海水养殖尾水的碳源含量，并逐步缩减水力停留时间，最终将碳源控制为100mg/L，C/N为1/1，水力停留时间为2h，完成反硝化生物滤器的构建。

进一步地，自然挂膜过程中，所述海水养殖尾水的温度为30℃，水力停留时间为4h。

进一步地，在进行自然挂膜前，调整所述海水养殖尾水的C/N比为6/1。

进一步地，步骤(2)中，海水螺旋藻的藻细胞密度不低于每毫升500个。

进一步地，步骤(2)中，光照强度不超过500lux，光暗周期为12h：12h。

进一步地，步骤(2)中，采用NaHCO₃调节所述海水养殖尾水的碱度。

本发明目的之二是提供采用上述构建方法构建得到的藻菌共生反硝化生物滤器。

本发明目的之三是提供上述藻菌共生反硝化生物滤器在海水养殖尾水处理中的应用。

本发明公开了以下技术效果：

有机碳源是反硝化脱氮的重要控速步骤，海水养殖尾水具有盐度高、水量大、C/N低的特点，为保证反硝化过程的顺利进行，大量有机碳源添加势必造成养殖尾水处理成本的升高；另外，反硝化过程不具备除磷条件，对于养殖尾水中磷的去除极其有限。因此，本发明通过构建一种藻菌共生反硝化生物滤器，在大幅减少有机碳源投加以降低运行成本的同时，兼顾高效除磷，最终实现海水养殖尾水达标排放的目的。

本发明通过兼养蓝藻海水螺旋藻与反硝化细菌构建完成藻菌共生反硝化生物滤器，可实现养殖尾水中硝酸盐的高效脱除耦合磷酸盐的快速去除，短时间内实现海水养殖尾水的达标排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明藻菌共生反硝化生物滤器结构示意图；其中，1-法兰；2-排气口；3-螺丝；4-承托层；5-进水口；6-取液口；

图2为本发明藻菌共生反硝化生物滤器实物图；

图3为藻菌共生反硝化生物滤器中进、出水TN浓度及去除率随时间变化图；

图4为藻菌共生反硝化生物滤器中进、出水TP浓度及去除率随时间变化图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

实施例1

藻菌共生反硝化生物滤器由透光亚克力板材制成，圆柱状，直径200mm，高度1200mm，不加填料时的充水体约为10.4L，填料使用直径为5mm-20mm的碳陶粒，填料由进水口5上端的承托层4加至最上层取液口6(即出水口)下端20mm处，补充填料后的生物滤器有效水体约为3.1L；

图1为藻菌共生反硝化生物滤器结构示意图；图2为藻菌共生反硝化生物滤器实物图。

(1)配制人工模拟海水养殖尾水：向50L自来水中加入海水晶1667g，溶解后加入硝酸钠(NaNO₃)30.35g，磷酸二氢钾(KH₂PO₄)2.14g，乙酸钠(CH₃COONa)117.00g。配制完成的人工模拟海水养殖尾水中，氮含量约为100mg/L，碳含量约为600mg/L，磷含量约为10mg/L，使得C/N达到6/1。

(2)使用人工模拟海水养殖尾水对上述生物滤器进行自然挂膜：将50L配置完成的人工模拟海水养殖尾水置于50L食品级塑料桶中，通过加热棒调整水温至30℃后，启动蠕动泵，由生物滤器下端进水口5进水，经生物滤器处理后，由最上端取液口6(即出水口)滤出，水力停留时间(HRT)设定为4h，出水再次进入到该50L食品级塑料桶中，从而实现在生物滤器内的循环。

第1个循环周期设定为7d，第2个循环周期设定为6d，以此类推，第7个循环周期设定为1d，之后每个循环周期为1天。每天监测进水和出水中NO₃ ^--N含量，对反硝化效果进行评估，自然挂膜过程完成后，生物滤器脱氮效果基本稳定。

在一个循环周期内，50L人工模拟海水养殖尾水在生物滤器中不断循环，期间不换水，目的是让生物滤器内微生物适应养殖尾水环境，实现快速挂膜；完成一个循环周期后，对塑料桶中的人工模拟海水养殖尾水进行换新。

(3)待挂膜完成后，为保证海水螺旋藻的存活率，按照20g/50L的添加量，向人工模拟海水养殖尾水中加入NaHCO₃，进而调节碱度，使水体pH>8.7(螺旋藻喜高碱度环境)，在藻菌生物被膜生长过程中水体均保持该碱度。从生物滤器进水口5通入调整碱度的人工模拟海水养殖尾水，并由取液口6(即出水口)滤出，出水不再进入生物滤器进行循环，藻菌生物被膜生长过程中，水力停留时间为4h。

向上述稳定的循环系统中加入纯化的海水螺旋藻藻株，使藻细胞密度不低于每毫升500个藻细胞，外加光源以促进海水螺旋藻的生长，所加光源为白色荧光灯，光照强度不超过500lux，光暗周期为12h：12h。

(4)丝状蓝藻螺旋藻由于自身长度较长，较容易粘附于陶粒表面和亚克力板材内侧器壁，由于光源强度较弱，螺旋藻为了获得较大光照，会在生物滤器内贴壁生长，经过约1个月的养殖尾水处理，生物滤器器壁内侧表面长有一定厚度的螺旋藻-共生细菌生物被膜，较厚的被膜可阻挡光源进一步进入生物滤器内部，将微弱光源仅仅截留在生物滤器表面，因此形成了生物滤器内侧器壁长有厚度约2mm的藻菌生物被膜，内部则为高效脱氮的厌氧反硝化菌生物膜，至此，藻菌共生反硝化生物滤器初步构建完成。

(5)对藻菌共生反硝化生物滤器进行优化：降低人工模拟海水养殖尾水中CH₃COONa的投加量，直至出水中NO₃ ^-N去除率保持稳定后，再次降低水体中CH₃COONa投加量，直至再次稳定，如此反复，以求得碳源添加最小量，即获得最小C/N，最小C/N评价标准为NO₃ ^-N去除率大于95％；在最小C/N基础上，降低HRT，直至NO₃ ^-N去除率保持稳定后，再次降低HRT，直至再次稳定，并以此求得最小HRT，最小HRT判定标准为NO₃ ^-N去除率大于95％。通过逐步降低CH₃COONa的投加量，并逐步缩减HRT，最终将碳源稳定控制在100mg/L，C/N为1/1，HRT缩减稳定在2h，该优化过程时间不短于15d，完成反硝化生物滤器的构建。

构建完成的反硝化生物滤器可对人工模拟海水养殖尾水中的TN和TP实现高效去除。在持续30d的监测过程中，去除率基本保持稳定，TN去除率在98.5％-99.8％范围内浮动，进水中TN约100mg/L，经过2h的去除，基本上可实现98.5mg/L以上的TN去除；TP去除率在87.5％-93.8％范围内浮动，进水中TP约10mg/L，经过2h的去除，基本上可实现8.75mg/L以上的TP去除。

图3为藻菌共生反硝化生物滤器中进、出水TN浓度及去除率随时间变化图。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种藻菌共生反硝化生物滤器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)对初步构建藻菌共生反硝化生物滤器进行优化：在不短于15d的时间内，逐步降低所述海水养殖尾水的碳源含量，并逐步缩减水力停留时间，最终保持C/N为1/1，水力停留时间为2h，完成藻菌共生反硝化生物滤器的构建；

自然挂膜过程中，所述海水养殖尾水的温度为30℃，水力停留时间为4h；

在进行自然挂膜前，调整所述海水养殖尾水的C/N比为6/1；

步骤(2)中，海水螺旋藻的藻细胞密度不低于每毫升500个；

步骤(2)中，光照强度不超过500lux，光暗周期为12h：12h；

步骤(2)中，采用NaHCO₃调节所述海水养殖尾水的碱度。

2.如权利要求1所述构建方法构建得到的藻菌共生反硝化生物滤器。

3.如权利要求2所述的藻菌共生反硝化生物滤器在海水养殖尾水处理中的应用。