CN114906939B - 一种利用链带藻gxu-a4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法 - Google Patents
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本发明涉及一种废水处理方法，尤其涉及一种利用链带藻GXU‑A4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法，该方法从上到下依次设置甜菜、生菜、油麦菜培养层；将糖蜜酒精废水厌氧出水、链带藻GXU‑A4以及无氮微量元素营养液混合制得培养原液，使培养原液在搭建的水培系统中循环。通过糖蜜酒精废水厌氧出水耦合淡水链带藻GXU‑A4做为水培植物营养液，能促进植物生长，还能进一步净化厌氧发酵出水，具有低成本培育作物和零排放废水的优点，是实现农业生产健康和生态环境可持续发展的有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种废水处理方法，尤其涉及一种利用链带藻GXU-A4植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法。
背景技术
中国作为农业大国，年肥料施用量1.14亿吨，占农业生产成本物质费用加人工费用的25％以上，居世界首位。过去为保供给。化肥用量大，不仅带来成本的增加，也给生态环境和人体健康带来巨大危害。例如，长期使用大量化肥容易造成土壤的算话，会导致有毒物质的释放或使有毒物质的毒性增强，对作物以及人类产生不良的影响；还会造成土壤有机质的缺乏，进一步影响土壤微生物的生产，破坏土壤肥力结构，降低肥效。而生物肥料有着微量高效、调节有机质动态、增强土壤生物活性、对环境无危害等特点，因此，生物肥料是一种化学肥料的最佳替代品。随着《化肥使用量继续负增长行动方案》、《土壤污染防治行动计划》、《水污染防治行动计划》《扩大有机肥替代化肥应用面积由果菜茶向粮油作物扩展》等政策的实施，推动着我国农业形成绿色的发展方式，走上可持续的发展道路。因此，寻找新型的传统化肥替代品与技术、提高作物品质以及保护生态环境是现代农业亟待解决的重大问题。
甘蔗糖蜜酒精废水厌氧消化液是经过厌氧生物处理后的废液，其中富含氨、氮和有机物，同时还含有Ca2+、Mg2+等多种金属离子，是一种多元共存和超富营养化的复杂有机废水。而传统的废水资源性利用主要是通过农田灌溉为植物提供所需的养分和水分，最大限度实现低成本资源化，但容易导致硝酸盐、重金属的沉积以及污染水体；自然生态净化技术主要利用氧化塘、人工湿地等自然处理系统对厌氧消化液进行处理，但占地面积大、处理效果受温度限制，也存在污染地下水的可能；工厂化处理主要是利用好氧生物降解如SBR法、SBBR法、膜生物反应器、接触氧化法等，而由于厌氧消化液的可生化性差使得传统好氧处理困难，还需要结合其他工艺组合处理，这导致投资成本极高、能耗极大。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的一方面在于提供一种利用链带藻GXU-A4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法。本申请利用微藻独特的生物学特性如能够固定氮、具有高氮、磷和矿物质含量和微藻生化成分中含有丰富的多种代谢产物如碳水化合物、脂类、蛋白质、色素、抗氧化剂、维生素和必需矿物质等让微藻拥有作为粮食作物生物肥料的潜能，从而提高农业生产率，并且微藻还能废水中生长并且净化废水，耦合资源化利用废水，对开发微藻肥料具有多重效益。
一种利用链带藻GXU-A4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法，包括以下步骤：
1)搭建植物水培系统：从上到下依次设置甜菜、生菜、油麦菜培养层；
2)将糖蜜酒精废水厌氧出水、链带藻GXU-A4以及无氮微量元素营养液混合制得培养原液；
3)使培养原液在搭建的水培系统中循环。
优选的是，所述无氮微量元素营养液原料及在糖蜜酒精废水厌氧出水中的添加量如下：
磷酸二氢钾136mg/L、硫酸镁493mg/L、铁盐溶液2.5mL/L、微量元素5mL/L；
所述铁盐溶液由如下方法制得：七水硫酸亚铁5.56g、乙二胺四乙酸二钠7.46g溶于1L蒸馏水；
所述微量元素由如下方法制得：碘化钾0.83mg、硼酸6.2mg、硫酸锰22.3mg、硫酸锌8.6mg、钼酸钠0.25mg、硫酸铜0.0025mg和氯化钴0.025mg溶于1L蒸馏水。
优选的是，在糖蜜酒精废水厌氧出水中以0.5-1.0g/L的添加量添加链带藻GXU-A4。
另一个方面，本发明提供了一种植物水培系统，本专利技术将采用循环式水培装置培养植物以弥补能耗和物耗费用，采用厌氧消化液作为氮源既可以解决消化液污染环境问题，同时还能够降低作物培养成本。替代厌氧消化液的传统工厂化好氧处理，不仅能净化废水还能培养作物，实现废水零排放与低成本培养作物。
一种植物水培系统，包括水培箱(1)、循环水泵(2)以及水培管架、所述水培管架由中空大管(3)、第一U形中空小管(4)、直形中空小管(5)、三通管头(6)、四通管头(7)、堵头(8)、第二U形中空小管(9)组合安装而成；
对称布置的两个中空大管(3)通过三通管头(6)分别与对称布置的两个第一U形中空小管(4)连接围成方形体；
直形中空小管(5)通过三个三通管头(6)连接延长形成第一支撑管，直形中空小管(5)通过两个三通管头(6)、一个四通管头(7)连接延长形成第二支撑管；
将两个第一支撑管分别通过三通管头(6)连接在方形体中的同一第一U形中空小管(4)上，将两个第二支撑管分别通过三通管头(6)与方形体中的另一第一U形中空小管(4)连接并在第一U形中空小管(4)上开设进水口(10)，形成立体梯形结构；
第一支撑管和第二支撑管上相对位置的三通管头(6)连接有中空大管(3)，相对位置的三通管头(6)和四通管头(7)连接有中空大管(3)，使得中空大管(3)上下平行分布，两个第二支撑管的四通管头(7)通过第二U形中空小管(9)连接并在第二U形中空小管(9)上开设出水口(11)；
第一支撑管和第二支撑管最下端的直形中空小管(5)与堵头(8)密封连接，所述中空大管(3)上侧面等距设有间隔孔(12)；
所述水培箱(1)中装有培养原液，培养原液通过循环水泵(2)的输出端与进水口(10)接通；经过循环流动从出水口(11)回流至水培箱(1)。
优选的是，所述中空大管(3)上设有间隔孔(12)的数目为10。
优选的是，每层对称布置的两个中空大管(3)有2cm的高度差，形成阶梯螺旋状，有助于废水的循环流下。
本发明提供一种具有潜在商业价值的低成本植物肥料，采用糖蜜酒精废水与微藻为肥料的主要原材料，该发明可以有效解决当前厌氧发酵出水排放问题和水培生产作物成本过高的问题。
通过糖蜜酒精废水厌氧出水耦合淡水链带藻GXU-A4做为水培植物营养液，能促进植物生长，还能进一步净化厌氧发酵出水，具有低成本培育作物和零排放废水的优点，是实现农业生产健康和生态环境可持续发展的有效途径。
附图说明
图1是本发明的植物水培系统的结构示意图；
附图标记说明：1、水培箱 2、循环水泵 3、中空大管 4、第一U形中空小管 5、直形中空小管 6、三通管头 7、四通管头 8、堵头 9、第二U形中空小管 10、进水口 11出水口 12间隔孔
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。此外，在阅读本发明的内容后，本领域的技术人员可以对本发明作各种修改，这些等价变化同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，本发明搭建的植物水培系统，包括水培箱(1)、循环水泵(2)以及水培管架、所述水培管架由中空大管(3)、第一U形中空小管(4)、直形中空小管(5)、三通管头(6)、四通管头(7)、堵头(8)、第二U形中空小管(9)组合安装而成；
对称布置的两个中空大管(3)，中空大管(3)通过三通管头(6)分别与对称布置的两个第一U形中空小管(4)连接围成方形体；
直形中空小管(5)通过三个三通管头(6)连接延长形成第一支撑管，直形中空小管(5)通过两个三通管头(6)、一个四通管头(7)连接延长形成第二支撑管；
将两个第一支撑管分别通过三通管头(6)连接在方形体中的同一第一U形中空小管(4)上，将两个第二支撑管分别通过三通管头(6)与方形体中的另一第一U形中空小管(4)连接并在第一U形中空小管(4)上开设进水口(10)，形成立体梯形结构；第一支撑管和第二支撑管上相对位置的三通管头(6)连接有中空大管(3)，相对位置的三通管头(6)和四通管头(7)连接有中空大管(3)，使得中空大管(3)上下平行分布，每层对称布置的两个中空大管(3)设置有2cm的高度差，形成阶梯螺旋状结构。两个第二支撑管的四通管头(7)通过第二U形中空小管(9)连接并在第二U形中空小管(9)上开设出水口(11)；
第一支撑管和第二支撑管最下端的直形中空小管(5)与堵头(8)密封连接，所述中空大管(3)上侧面等距设有10个间隔孔(12)；
所述水培箱(1)中装有培养原液，培养原液通过循环水泵(2)的输出端与进水口(10)接通；经过循环流动从出水口(11)回流至水培箱(1)。
在水培管架上方可设置日光灯，保证间隔孔中种植的植物充足光照。
实施例2
培养原液的配置：将糖蜜酒精废水厌氧出水、链带藻GXU-A4以及无氮微量元素营养液混合制得培养原液，
所述无氮微量元素营养液原料及在糖蜜酒精废水厌氧出水中的添加量如下：
磷酸二氢钾136mg/L、硫酸镁493mg/L、铁盐溶液2.5mL/L、微量元素5mL/L；
所述铁盐溶液由如下方法制得：七水硫酸亚铁5.56g、乙二胺四乙酸二钠7.46g溶于1L蒸馏水；
所述微量元素由如下方法制得：碘化钾0.83mg、硼酸6.2mg、硫酸锰22.3mg、硫酸锌8.6mg、钼酸钠0.25mg、硫酸铜0.0025mg和氯化钴0.025mg溶于1L蒸馏水。
在糖蜜酒精废水厌氧出水中以0.5g/L的添加量添加链带藻GXU-A4(与专利申请CN202210065883.9所使用的链带藻GXU-A4一致)。
实施例3
参照实施例2方法配置营养原液，不同的是，链带藻GXU-A4添加量为1.0g/L。
实施例4
1.实验材料与方法
1.1实验装置
实验搭建了四组工作体积为30L的植物水培系统，每组系统包括一个水培管架、一个水培箱、一个循环水泵、一个日光灯。实验装置如图所示。
1.2实验方法
1.2.1实验数据测定及方法
所有厌氧消化液出水水样每天取2L出水用于分析测定。
1.2.1.1出水pH和温度测定
分别对各反应器采集的出水用校准过的pH、温度计测定pH和温度，并记录。
1.2.1.2sCOD测定
(1)分别对各水培系统采集处理前后水样，在10,000rpm离心10min，再用0.45μm滤膜过滤。
(2)滤液用去离子水稀释合适的倍数，取2mL稀释后水样加入sCOD专用测试试剂，并放置于哈希DRB200消解仪165℃消解20min，待消解完取出冷却至室温，用调零过的哈希DR900测定并记录。
(3)sCOD去除率＝(sCOD0·a-sCOD1·b)/sCOD0·a
其中：sCOD0为稀释后进水的sCOD；a为进水稀释倍数；sCOD1为稀释后出水的sCOD；b为出水稀释倍数。
1.2.1.3氨氮测定
(1)使用纳氏试剂光度法对氨氮标准液进行标准曲线测定并绘制。
标曲：y＝(x-0.2719)/0.0062(R2＝0.9991)
(2)分别对各反应器采集的进出水，在10,000rpm离心10min，再用0.45μm滤膜过滤。
(3)滤液用去离子水稀释至合适倍数，取10mL稀释后水样加入0.2mL酒石酸钾钠溶液，混匀。再加入0.3mL纳氏试剂，混匀。放置10min后，用调零过的哈希DR900在波长420nm处测定并记录。
1.2.1.4植物全长、根长和鲜重
各种植物各随机选取6株作为平行。
全长和根长利用直尺进行测量；鲜重利用天平逐一测定。
1.3实验设计
本实验所用的甜菜、油麦菜、生菜均是在批发市场购买的种子培养得到的。每组水培系统分为四层，第一层间隔孔放置甜菜苗，共10颗；第二层间隔孔放置生菜苗，共10颗；第三层间隔孔放置油麦菜苗，共10颗。实验设计为A-纯厌氧消化液培养组、B-厌氧消化液外加无氮微量元素营养液组、C-厌氧消化液外加无氮微量元素营养液和微藻GXU-A4组(链带藻GXU-A4在厌氧消化液中以0.75g/L的添加量添加)、CK-纯霍格兰营养液组，其中霍格兰营养液提供的氮源是模拟厌氧消化液的氮源，氨氮由氯化铵代替、其他形式氮由硝酸钠代替，见表1-1。整个实验周期为三个循环(每个循环为八天，八天后补充厌氧消化液补到总氮一致，对照组是新加一轮营养液并将总氮控制等量)，具体实验初始运行参数见表1-2。最后一个循环对水体的sCOD、氨氮和总氮进行检测，结束对植物全长、根长以及鲜重进行测定。
表1-1水培系统设置情况
表1-2水培系统初始运行状态
1.4改良霍格兰营养液配方
磷酸二氢钾136mg/L；硫酸镁493mg/L；铁盐溶液2.5mL/L(七水硫酸亚铁5.56g、乙二胺四乙酸二钠7.46g溶于1L蒸馏水)；微量元素5mL/L(碘化钾0.83mg、硼酸6.2mg、硫酸锰22.3mg、硫酸锌8.6mg、钼酸钠0.25mg、硫酸铜0.0025mg和氯化钴0.025mg溶于1L蒸馏水)，氯化铵和硝酸钠根据实际用量添加。
所述的无氮微量元素营养液为去除氯化铵和硝酸钠的改良霍格兰营养液。
2实验结果
2.1水质指标
表2-1一个循环期废水COD浓度变化情况
各水培系统组的水体sCOD变化和sCOD去除率表2-1所示。结果表明，各组的sCOD去除率均随时间的延长逐渐提升，这是可能由于水体中的有机物在植物或植物与微生物的作用下被吸收利用或分解转化为无机物所致。各实验组的sCOD去除率随sCOD的增加逐渐降低，一个周期结束后，实验A、B、C组的sCOD去除率均达到最高，分别为19.25％、37.20％、56.62％。由于A组仅加入纯厌氧消化液，其植株的生长受高浓度难降解有机污染物的影响较大，在水培后期对sCOD几乎没有去除效果；B组的培养液额外加入了微量元素营养液，这促进了植物对有机物的吸收或降解能力；C组是额外加入微量元素营养液和微藻，对sCOD的去除效果最好，可能是因为除了植物吸收有机物外，微藻也能吸收有机物。这些结果表明水培系统中的植物对甘蔗糖蜜酒精废水厌氧消化液的sCOD去除能力较低，但是通过添加额外的营养物质如微量元素和微藻对sCOD的去除都有明显的促进作用。
表2-2最后一个循环期废水AN浓度变化情况
氮的含量是影响植物的生长发育、产量以及品质的重要因素之一，过高或过低都会损害植物的生长。而植物生长过程中主要吸收铵态氮和硝态氮，因此使用采用厌氧消化液作为氮源既可以解决消化液污染环境问题，同时还能够降低作物培养成本。
表2-2显示了各水培组在此循环阶段下植物对氨氮的去除率变化情况。CK组的氨氮去除率为52.60％，这可能是该组有机营养物的浓度无法满足植物生长的需求，导致植物吸收利用氨氮的能力下降，而实验ABC组的去除率分别为52.43％、56.92％和86.42％。，添加微量元素的B组以及添加微量元素和微藻的C组在各个阶段的氨氮去除率均显著高于A组，结果表明添加其他微量元素为植物生长提供了必需营养元素，促进了植物对氨氮的吸收利用能力，而C组中微藻也能吸收废水中的氨氮，所以其氨氮的去除率最高。
表2-3最后一个循环期废水TN浓度变化情况
表2-3显示了各水培组在此循环阶段下植物对总氮的去除率变化情况。CK组和实验A、B、C组TN去除率分别为25.10％、35.82％、38.45％和46.26％。所有组中总氮去除率均低于氨氮去除率，这可能是由于植物吸收的铵态氮部分转化为硝态氮的结果。其中CK组中除了铵态氮，剩下的硝态氮均是由硝酸钠提供，而A、B和C组中其他形式的氮源不仅包括硝态氮，还可能氨基酸等其他易降解的氮源，这可能是CK组的总氮去除率低于实验组的原因。因此，微量元素和微藻的添加能够促进植物对总氮的去除，这也是B、C组总氮去除率显著高于A组的原因。
总而言之，水培系统能够对厌氧消化液起到去除有机物、氨氮和总氮的能力，但额外补充一定量微量营养元素和微藻更有利于废水净化效果。
2.2植物生长指标
表2-4结束时各组植物的全长
表2-4表示三个循环结束时的植物全长情况。结果表明，整个过程中甜菜长势最佳、生菜和油麦菜次之。这可能是植物的放置位置导致的结果，靠前的植物能够先吸收利用废水中易降解的营养物质。甜菜生长最快，CK、A、B、C组全长分别达到42.36±0.41cm、35.55±0.11cm、50.78±0.35cm和59.25±0.51cm，C组和B组与A组全长差异显著，这可能是额外添加的营养物和微藻促进了植物生长，营养物越丰富，甜菜长势越好，而A组可能由于营养物质无法满足生长期的植物需求，导致后期处理过程中生长缓慢。油麦菜和生菜的生长趋势与甜菜是一致的，但可能由于处于第下几层各种营养物质含量较少和层高限制的原因，导致其生长较为缓慢，也可能是由于作物不同生长特性有关。因此，微量元素和微藻的添加能够促进植物的生长。
表2-5结束时各组植物的根长
表2-5显示了各阶段结束时的植物根长的情况。通常根越长则更容易吸收肥料与水分以及具有更强的抗逆性。数据虽然显示CK组的根更长，但实验组生长的根数量更多，实际上根数量越多其对营养吸收能力更强，所以实验组的全长都比CK长，其中三种作物相比，甜菜的根也相对较长。而C组和B组的作物根系部位更加丰度发达，可以为微生物提供适应的生长环境，使根系与微生物共同作用同时加速了sCOD、氨氮和总氮的去除。因此，微量元素和微藻的添加能够促进植物的根系数量的丰度。
表2-6结束时各组植物的鲜重
表2-6显示了结束时的植物鲜重的情况。结果表明，CK组鲜重高于A组，与其他数据一直，可能是由于纯出水抑制植物的生长，同时B、C组显著高于其他两组，其发达的根系显著影响了植物对有机物、氮的富集能力，促进了植物的増重。在厌氧消化液中额外添加一定量链带藻GXU-A4，能够显著的促进植物的生长。本专利提出的培养液配比更有利于作物的生长。
Claims (3)
1.一种利用链带藻GXU-A4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)搭建植物水培系统：从上到下依次设置甜菜、生菜、油麦菜培养层；
2)将糖蜜酒精废水厌氧出水、链带藻GXU-A4以及无氮微量元素营养液混合制得培养原液；
3)使培养原液在搭建的水培系统中循环；
所述无氮微量元素营养液原料及在糖蜜酒精废水厌氧出水中的添加量如下：
磷酸二氢钾136mg/L、硫酸镁493mg/L、铁盐溶液2.5mL/L、微量元素5mL/L；
所述铁盐溶液由如下方法制得：七水硫酸亚铁5.56g、乙二胺四乙酸二钠7.46g溶于1L蒸馏水；
所述微量元素由如下方法制得：碘化钾0.83mg、硼酸6.2mg、硫酸锰22.3mg、硫酸锌8.6mg、钼酸钠0.25mg、硫酸铜0.0025mg和氯化钴0.025mg溶于1L蒸馏水；
所述系统包括水培箱(1)、循环水泵(2)以及水培管架、所述水培管架由中空大管(3)、第一U形中空小管(4)、直形中空小管(5)、三通管头(6)、四通管头(7)、堵头(8)、第二U形中空小管(9)组合安装而成；
对称布置的两个中空大管(3)通过三通管头(6)分别与对称布置的两个第一U形中空小管(4)连接围成方形体；
直形中空小管(5)通过三个三通管头(6)连接延长形成第一支撑管，直形中空小管(5)通过两个三通管头(6)、一个四通管头(7)连接延长形成第二支撑管；
将两个第一支撑管分别通过三通管头(6)连接在方形体中的同一第一U形中空小管(4)上，将两个第二支撑管分别通过三通管头(6)与方形体中的另一第一U形中空小管(4)连接并在第一U形中空小管(4)上开设进水口(10)，形成立体梯形结构；
第一支撑管和第二支撑管上相对位置的三通管头(6)连接有中空大管(3)，相对位置的三通管头(6)和四通管头(7)连接有中空大管(3)，使得中空大管(3)上下平行分布，两个第二支撑管的四通管头(7)通过第二U形中空小管(9)连接并在第二U形中空小管(9)上开设出水口(11)；
第一支撑管和第二支撑管最下端的直形中空小管(5)与堵头(8)密封连接，所述中空大管(3)上侧面等距设有间隔孔(12)；
所述水培箱(1)中装有培养原液，培养原液通过循环水泵(2)的输出端与进水口(10)接通；经过循环流动从出水口(11)回流至水培箱(1)。
2.根据权利要求1所述的利用链带藻GXU-A4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法，其特征在于，在糖蜜酒精废水厌氧出水中以0.5-1.0g/L的添加量添加链带藻GXU-A4。
3.根据权利要求1所述的利用链带藻GXU-A4耦合植物水培系统处理糖蜜酒精废水厌氧出水的方法，其特征在于，所述中空大管(3)上设有间隔孔(12)的数目为10。
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| CN114906939A (zh) | 2022-08-16 |
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