CN115259381A

CN115259381A - 高原硅藻在污水处理中的应用

Info

Publication number: CN115259381A
Application number: CN202210839314.5A
Authority: CN
Inventors: 布多; 王金虎; 崔小梅; 陈均玉; 次仁曲宗; 赵远昭; 闻昌成; 蔡甲
Original assignee: Tibet University
Current assignee: Tibet University
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2022-11-01
Also published as: NL2034875A

Abstract

本发明公开了高原硅藻在污水处理中的应用，属于污水处理技术领域。所述高原硅藻为小环藻；所述处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5；本发明首次将高原硅藻(青藏高原地区湖泊中的硅藻，为小环藻Cyclotella)用于污水处理中，可有效去除污水中的氨氮、总氮、总磷、COD以及Co、Mn、Hg等重金属，有效解决了现有传统污水处理技术中存在的污水处理效率低、成本高、能耗高和易造成二次污染等问题。

Description

高原硅藻在污水处理中的应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及高原硅藻在污水处理中的应用。

背景技术

自然界中氮及其化合物是不断变化的，主要化合过程是硝酸盐和气态氮转化为有机体内的氮化合物，还有使有机物中的氮化合物变成硝酸盐和自由氮气的分解过程。水体中最常见的无机氮就是氨氮，同时氮也可以存在于生物的有机体内，比如蛋白化合物(氨基酸、肽类和蛋白质)和非蛋白化合物(尿素、嘧啶、胺类)。磷是水生生物的必要元素，维护水体生态平衡。在污水中，磷主要存在形式为正磷酸盐，但可以转化为缩合态磷、颗粒态磷，也可以通过水生植物吸收转化至生物体内。水中有机物有2221种之多。天然有机物易与金属离子螯合，加剧重金属污染，且为细菌等有害微生物提供营养。即使经过处理，水中仍然有致毒有机物残存。有机物严重影响水质，威胁饮用水安全，从水中去除有机物是保障水环境安全的迫切要求。

随着社会工业化进程的发展，人类社会不断谋求生活中精神与物质生活品质的提升。但与此同时，生存环境也在不断恶化，大量工业污水、养殖污水以及生活污水未能得到有效处理便直接排入自然环境，且污水中富含氮、磷、重金属以及有机物等，如果得不到有效处理而直接排放将会对生态环境造成巨大威胁。目前传统处理污水的技术主要有自然处理法、物理化学处理法、生化处理法以及物化与生化相结合处理法。但是这些传统的处理工艺往往处理效率偏低、工程造价昂贵、运行费用偏高、会带来二次污染，造成各种污水处理设施普及率偏低。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的是提供高原硅藻在污水处理中的应用，以有效解决现有传统处理污水技术中存在的污水处理效率低、成本高、能耗高和易造成二次污染等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了硅藻在污水处理中的应用，所述硅藻为小环藻。

进一步地，所述小环藻为高原小环藻。

进一步地，所述高原小环藻分离自青藏高原地区湖泊。

高原地区因为高海拔，高辐射，温度低，气压低等恶劣环境，提取得到的小环藻在污水处理过程中对极端污水的耐受能力更强，效果更好。

进一步地，所述污水处理为去除污水中的氨氮、总氮、总磷、COD。

进一步地，所述污水处理为去除污水中的重金属。

更进一步地，所述重金属为Co、Mn、Hg的至少一种。

进一步地，利用小环藻去除污水中的氨氮、总氮、总磷、COD时，所述处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5，所述待处理污水中若N的含量高于P或N与P的含量相同，则每升待处理污水中，N和Si的含量分别为30～35mg和3～5mg；所述待处理污水中若P的含量高于N，则每升待处理污水中，P和Si的含量分别为3.0～3.5mg和1.5～2mg。

其中，Si的含量通过向待处理污水中加入偏硅酸钠来进行控制，N和P的含量如果达不到要求，则分别通过向待处理污水中加入氯化铵和磷酸氢钠使其含量达到要求。

更进一步地，所述处理过程中的温度为25℃，光照强度为3000Lx，pH为7.0～7.5，每升待处理污水中，N、P和Si的含量分别为33mg、3.2mg和3mg。

进一步地，利用小环藻去除污水中的重金属时，所述处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5。

更进一步地，所述处理过程中的温度为25℃，光照强度为3000Lx，pH为7.0～7.5。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过以小环藻对污水进行处理，可有效去除污水中的氨氮、总氮、总磷、COD以及Co、Mn、Hg等重金属，且本发明首次将高原硅藻(青藏高原地区湖泊中的硅藻，为小环藻Cyclotella)用于污水处理中，有效解决了现有传统污水处理技术中存在的污水处理效率低、成本高、能耗高和易造成二次污染等问题。

2、在本发明的优选方案中，对高原硅藻在污水处理中的最佳处理条件进行了优化和确定，具体的处理条件包括：处理温度为20～25℃，光照强度为3000～6000Lx，反应体系pH为7.0～7.5，并通过控制每升待处理污水中N、P和Si的含量，能够使污水中的氨氮、总氮、总磷、COD的去除率均达到90％以上。

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。

本发明公开了硅藻在污水处理中的应用，所述硅藻为小环藻。

在本发明的一些实施例中，所述小环藻为分离自青藏高原地区湖泊的高原小环藻。

在本发明的一些实施例中，所述污水处理为去除污水中的氨氮、总氮、总磷、COD。

在本发明的一些实施例中，所述污水处理为去除污水中的重金属。

在本发明的一些实施例中，所述重金属为Co、Mn、Hg的至少一种。

在本发明的一些实施例中，利用小环藻去除污水中的氨氮、总氮、总磷和COD时，所述处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5，每升待处理污水中，N、P和Si的投料量分别为30～35mg、3.0～3.5mg和3～5mg。

在本发明的一些实施例中，利用小环藻去除污水中的氨氮、总氮、总磷和COD时，处理过程中的温度为25℃，光照强度为3000Lx，pH为7.0～7.5，每升待处理污水中，N、P和Si的投料量分别为33mg、3.2mg和3mg。

在本发明的一些实施例中，利用小环藻去除污水中的重金属时，处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5。

在本发明的一些实施例中，利用小环藻去除污水中的重金属时，处理过程中的温度为25℃，光照强度为3000Lx，pH为7.0～7.5。

以下通过具体实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

高原硅藻的分离、筛选与鉴定：

采用CSI培养基，样品先过滤、预培养后再稀释和平板涂布分离法。

(1)采用先过滤后预培养

在净化工作台开启的条件下，将从青藏高原地区西藏拉萨拉鲁湿地湖泊中采集到的水样依次倒入布氏漏斗，并在水环真空泵的抽滤下进行过滤，滤纸选用0.45μm水系滤膜。

总体积100L水样，分三次过滤，每次更换新的滤膜，更换下的滤膜投入到预先准备好的液体培养基中进行培养。分三次过滤可得到3组平行的培养液。锥形瓶的顶部使用透气封口膜进行密封，防止外界细菌进入。

在温度为25±1℃的光照培养箱中(光暗比12h∶12h，光照强度2000Lx)，每12h摇动3次，并将各个样品位置随机摆放，使之可以均匀受光。培养15天至整个溶液体系呈现黄绿色后，再进行镜检和稀释分离藻株，对于生长周期长的种属(如一些比拉萨海拔高的地区的硅藻，生长会慢一些，周期会长一些；另外就是冬春季节会比夏秋季节生长慢一些)，可以将预培养时间延长到30天。

(2)预培养液稀释分离法分离得到生物量高的藻株的方法

将步骤(1)得到的预培养的微藻培养液样品充分混匀，在超净工作台开启的条件下中，取混匀的样品0.5mL加入到含有4.5mL无菌水的试管中混匀，依次进行梯度稀释，边稀释边在显微镜下镜检，直到视野中每滴样品只含1个细胞时，即停止稀释(梯度稀释的比例为稀释10倍，100倍，1000倍，一般在稀释100倍就可以拿到目标产物了)，开始分接培养。将分离纯化后的藻株接种于10mL液体培养基中，在2000Lx光照强度，25±1℃的光照培养箱中培养(光暗比12h∶12h)，每日轻轻摇动三次，培养15天，发现试管中有黄绿色藻色后进行镜检，如镜检到单种则表示分离成功。然后，将上述10ml藻液加入20ml CSI培养基(1∶2扩增)中进行培养，在2000Lx光照强度，25±1℃的光照培养箱中培养(光暗比12h∶12h)，每日轻轻摇动三次，培养15天；将上述1∶2扩增的藻液30ml加入150ml CSI培养基(1∶5扩增)中进行培养，在3000Lx光照强度，25±1℃的光照培养箱中培养(光暗比12h∶12h)，每日轻轻摇动三次，培养15天；后续培养按照1∶5体积比继续扩增，当体积扩增超过1L时，此时需要设定搅拌速度200rpm来确定确保微藻不产生粘壁效应。通过此方法我们成功分离和扩增出的高原地区硅藻门小环藻的物种，通过此实验可以达到分离、纯化硅藻的目的，可进行扩大培养并用于后续污水处理。

实施例2

高原硅藻的扩大化培养，具体包括以下步骤：

①在1000mL的烧杯，按CSI培养基的配方，配制500mL CSI液体培养基，调pH至7.1；每个500mL锥形瓶中装入200mL CSI的液体培养基，或者150mL的锥形瓶装入50mL；

②上述①的操作在洁净工作台下，将上述CSI培养基经过0.22微米的除菌滤膜过滤后，包扎瓶口备用；透气膜、无菌滤膜和过滤装置、锥形瓶和接种环等在使用之前用蒸汽压力灭菌锅在101.33kPa、121℃条件下灭菌30分钟；

③在洁净工作台下，用灭菌的接种环挑取生长较好的微藻放入经过除菌过滤后的50mL CSI液体培养基中，25±1℃，光照强度为3000Lx(光照比12h∶12h)，每12h振荡2-3次，培养时间为15天；

④在洁净工作台下，各取25mL培养后的藻液加入到装有50mL CSI液体培养基的锥形瓶中进行培养，瓶口用透气膜封好，培养时间为15天；

⑤正常的培养条件：25±1℃，每12h振荡2-3次，光照强度为3000Lx(光照比12h∶12h)，培养时间为15天；

⑥然后将⑤中的培养液加入375mL的CSI培养基中进行扩增培养，每批培养体积为1L；搅拌条件下培养(每12h振荡2-3次)；

⑦后续培养按照1∶5体积比进行扩增培养，扩增培养条件25±1℃，当培养液的体积大于1L时，200r/min，光照强度为3000lx(光照比12h∶12h)，空白培养基在使用之前控制pH为6.8～7.2；

⑧硅藻生长的对数末期后，光密度OD₄₂₀值在0.50～0.70之间，取培养后的藻液，控制离心机在10000～12000rpm离心，用过滤后的CSI培养基清洗3遍，备用。

实施例3

高原硅藻在污水处理中的效果验证实验：取1L实施例2所得的达到对数生长末期的藻液，使用低温离心机在12000rpm离心，将得到的藻泥加入1L模拟市政污水，模拟市政污水中COD：400±0.5mg/L，TN：33±0.5mg/L，TP：3.2±0.5mg/L，用氢氧化钠调pH为7.0，向污水中加入偏硅酸钠，使污水中Si含量为3mg/L，在温度为25℃、光照强度为3000Lx条件下处理5天后，检测污水中COD、TN和TP的去除率分别为90.5％、93.5％和94.5％。

研究过程中发现，处理过程中的温度只要控制在20～25℃、光照强度控制在3000～5000Lx、体系pH为7.0～7.5、Si含量控制在3～5mg/L，污水中的COD、TN和TP的去除率均能达到90％以上，此处不再一一列举具体参数的实施例。

对比例1

同实施例3，区别在于，在污水中不加入偏硅酸钠，即污水中不含Si。

处理5天后检测，发现污水中COD、TN和TP的去除率分别为80％、75％及78％。

对比例2

同实施例3，区别在于，在污水中加入偏硅酸钠，使污水中Si含量为10mg/L。

处理5天后检测，发现污水中COD、TN和TP的去除率分别为85％、82％和84％。

比较实施例3和对比例1～2的处理效果可以发现，污水中含有Si元素时，小环藻对污水的处理效果明显较好，这是由于硅藻生长过程中需要外源的硅元素，这样其细胞壁才能够生长，适量的硅可以促进生长，同时也提升了污水处理，而过量的Si会抑制小环藻的生长，导致其对污水的处理效果下降。

实施例4

高原硅藻在污水处理中的效果验证实验：取1L实施例2所得的达到对数生长末期的藻液，使用低温离心机在12000rpm离心，将得到的藻泥加入1L模拟市政污水中，模拟市政污水为含有重金属Co的单一重金属污水，Co的浓度为20ppm，用氢氧化钠调pH为7.0，在温度为25℃、光照强度为3000Lx条件下处理3天后，检测污水中Co的去除率达到88％。

将上述模拟市政污水分别替换为含有重金属Mn(20ppm)的单一重金属污水和含有重金属Hg(20ppm)的单一重金属污水，相同条件下处理3天后，Mn和Hg的去除率分别为90％和92％。

研究过程中发现，处理重金属污水的过程中的温度只要控制在20～25℃、光照强度控制在3000～5000Lx、体系pH为7.0～7.5，污水中的Co的去除率均能达到85％以上，Mn、Hg的去除率均能达到90％以上，此处不再一一列举具体参数的实施例。

实施例5

采用市售小环藻(购自中科院水生生物研究所，为Cyclotella meneghiniana，FACHB-2596，是平原地区的湖水中筛选分离得到的小环藻)对污水进行处理，首先采用实施例2的方法对购买得到的小环藻进行扩大化培养，得到对数生长末期的藻液，之后采取实施例3相同的方法进行污水处理效果验证，5天后，检测污水中COD、TN和TP的去除率分别为89％、90.5％和91％。

对比例3

同实施例5，区别在于，在污水中不加入偏硅酸钠，即污水中不含Si。

处理5天后检测，发现污水中COD、TN和TP的去除率分别为75％、71％和75％。

对比例4

同实施例5，区别在于，在污水中加入偏硅酸钠，使污水中Si含量为10mg/L。

处理5天后检测，发现污水中COD、TN和TP的去除率分别为80％、79％和82％。

实施例6

采用市售小环藻(购自中科院水生生物研究所，为Cyclotella meneghiniana，FACHB-2596，是平原地区的湖水中筛选分离得到的小环藻)对污水进行处理，首先采用实施例2的方法对购买得到的小环藻进行扩大化培养，得到对数生长末期的藻液，之后采取实施例4相同的方法对污水的处理效果进行验证，3天后，检测污水中Co的去除率为85％，Mn和Hg的去除率分别为87％和89％。

实施例7

同实施例3，区别在于，模拟市政污水中COD：400±0.5mg/L，TN：3±0.5mg/L，TP：3.2±0.5mg/L，用0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸溶液调pH为7.0，向污水中加入偏硅酸钠，使污水中Si含量为1.8mg/L，在温度为25℃、光照强度为3000Lx条件下处理5天后，检测污水中COD、TN和TP的去除率分别为89％、91％和90％。

对比例5

同实施例7，区别在于，在污水中不加入偏硅酸钠，即污水中不含Si。

处理5天后检测，发现污水中COD、TN和TP的去除率分别为78％、76％和75％。

对比例6

同实施例7，区别在于，在污水中加入偏硅酸钠，使污水中Si含量为10mg/L。

处理5天后检测，发现污水中COD、TN和TP的去除率分别为83％、84％和82％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述硅藻为小环藻。

2.根据权利要求1所述的硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述小环藻为高原小环藻。

3.根据权利要求2所述的硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述污水处理为去除污水中的氨氮、总氮、总磷、COD。

4.根据权利要求2所述的硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述污水处理为去除污水中的重金属。

5.根据权利要求4所述的硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述重金属为Co、Mn、Hg的至少一种。

6.根据权利要求3所述的硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5；所述待处理污水中若N的含量高于P或N与P的含量相同，则每升待处理污水中，N和Si的含量分别为30～35mg和3～5mg；所述待处理污水中若P的含量高于N，则每升待处理污水中，P和Si的含量分别为3.0～3.5mg和1.5～2mg。

7.根据权利要求4所述的硅藻在污水处理中的应用，其特征在于，所述处理过程中的温度为20～25℃，光照强度为3000～5000Lx，pH为7.0～7.5。