铁碳微电解预处理养猪沼液对小球藻养殖的影响

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1、铁碳微电解预处理养猪沼液对小球藻养殖的影响吴盼盼;刘玉环;巫小丹;王允圃;郑洪立;万益琴;阮榕生【摘要】采用铁碳微电解作为养猪沼液预处理手段，预处理后的养猪沼液用于小 球藻养殖。试验结果表明：铁碳微电解对养猪沼液中COD和总磷的去除效果显著， 分别达到了 42.41%, 93 . 38%,对主要的重金属Cu和Zn的去除率也分别达 到了 63.8%,70.3%,但是对总氮、氨氮的含量影响不大。受高氨氮、低磷影 响，小球藻生长非常缓慢甚至完全死亡。经过铁碳微电解和小球藻养殖的双重净化 作用，沼液的COD和总磷的去除率分别为57 . 95%, 99 . 24%,但是沼液中的 总氮去除率仅仅达到17

2、. 87%。因此就微藻养殖的目的而言，铁碳微电解方法还 不是最适宜的沼液预处理方法。经此方法预处理后的养猪沼液出现高氨氮、低磷以 及残留较多铁离子等不利于微藻的生长的因素。%Using iron-carbon micro- electrolysis(ICME)as piggery biogas slurry pretreatment method,we applied pretreatment of piggery biogas slurry to Chlorella cultivation.The test results showed that:The re-moval rates of

3、COD and TP were 42.41% and 93.38%,respectively,while the main heavy metals Cu2+ and Zn2+ had 63.8% and 70.3% removal rates respectively.But ICME treatment showed little impact on total nitrogen and ammonia nitrogen content of the piggery biogas slurry,which was the main obstacles of Chlo-rella growt

4、h.After ICME pretreatment and Chlorella cultivation,the final COD,TP and TN contents of the slurry removal ratio were 57.95%,99.24%,and 17.87%,respectively.High ammonia nitrogen,low phos-phorus and maybe plus high ferrum ion remaining were the major drawback of ICME pretreatment,in terms of microalg

5、ae cultivation.【期刊名称】南昌大学学报(理科版) 【年(卷)，期】2015(000)003 【总页数】5页(P255-258,265) 【关键词】养猪沼液;铁碳微电解;COD;氮;磷;小球藻 【作者】吴盼盼;刘玉环;巫小丹;王允圃;郑洪立;万益琴;阮榕生 【作者单位】南昌大学生物质转化教育部工程研究中心，江西南昌330047浦昌 大学生物质转化教育部工程研究中心，江西南昌330047;南昌大学食品科学与技 术国家重点实验室，江西南昌330047;南昌大学生物质转化教育部工程研究中心， 江西南昌330047;南昌大学生物质转化教育部工程研究中心，江西南昌330047; 南昌大学生

6、物质转化教育部工程研究中心，江西南昌330047;南昌大学食品科学 与技术国家重点实验室，江西南昌330047;南昌大学生物质转化教育部工程研究 中心，江西南昌330047;南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌 330047【正文语种】中文【中图分类】X703Key words : piggery biogas slurry;ICME;COD;nitrogen;phosphorus;Chlorella 近年来畜禽养殖废水特别是养猪废水已成为工业废水和生活废水之后的第三大废水 来源，养猪废水的N，P含量较高，经过厌氧消化的养猪沼液N，P含量仍然很高， 利用养猪沼液直接进行微藻养殖，容易

7、造成其生长缓慢，甚至死亡。因此对经过厌 氧发酵后的养猪沼液事先进行预处理显得尤为必要，目前常用到的预处理方式主要 有臭氧预处理1-3,高压蒸汽灭菌法，化学4-5 或物理絮凝法，吸附法6-7,微生物生物膜法，铁碳微电解法8等。其预处理的主要目的是为了降低沼液的色度和浊度，提高微藻的光 合作用水平，同时去除小部分营养物质和重金属元素。为下一步的微藻养殖提供更 好的培养基条件。本实验选用铁碳微电解的主要原因在于，铁碳微电解能够有效地 去除废水中的色度，浊度，COD和总磷，大大提高废水的可生化性。以此作为养 猪沼液的预处理的方式，来探讨此方法对养猪沼液预处理的效果以及对下一步微藻 养殖的影响。废水：实

8、验所用废水均取自江西银河杜仲开发有限公司养猪场厌氧沼液池发酵后的 沼液，取回后置于4 C冰箱中保存备用。铁碳微电解填料：填料来源于巩义市元亨净水材料厂，所选种类主要是为了去除养 猪沼液中的重金属，色度，COD，总磷等。藻种：实验所用小球藻为养猪沼液中筛选得到，经初步的形态鉴定属于小球藻属 (Chlorella sp)。试验装置如图1所示空气压缩机压缩的空气先到空气缓冲罐内，通过调节阀门来 控制其流量，在指定的通气量下通入反应池中，反应过程一直处在曝气条件下，以 增加废水中的溶氧量，以此提高铁碳微电解的絮凝作用，反应结束后废水由阀门流 出。根据相关文献9-10和预实验，确定铁碳微电解反应过程中p

9、H值为4.0，反应时间为 180 min，通气量为1 m3-min-1,填料与废水比例为1:1。反应结束后用1 mol-L -1的氢氧化钠调节pH至9.0。离心(4 000 r-min -1)取上清液作为下一步微藻养殖的实验组，对照组就直接采用没有经过铁 碳微电解反应的养猪沼液。对经过铁碳微电解后废水中的pH，总氮，氨氮，总磷， COD以及主要重金属指标进行检测；对微藻养殖过程的实验组和对照组废水中 pH，总氮，氨氮，总磷，COD以及微藻生物量进行检测。pH采用Mettler Toledo 320-S pH计；光密度值采用UV9100紫外-可见分光光 度计；水质检测方法：总氮测定参考国标HJ6

10、36-2012，总磷测定方法参考国标 GB11893-89 , COD测定方法参考国标GB-11914-89，氨氮测定方法参考国标 HJ535-2009 ；重金属采用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS。2.1.1铁碳微电解对养猪沼液主要指标的去除效率 在1.3所述铁碳微电解反应 条件下，养猪沼液主要指标的去除效率如表1所示，由表1可知铁碳微电解对总 氮，总磷，氨氮，COD的去除率分别是6.91% , 93.38% , 6.55% , 42.41%。总 体来说铁碳微电解对N的去除效率很低，这主要是因为铁碳微电解主要是利用氢 氧化铁的絮凝作用来去除沼液中的污染物，而沼液中N主要是以氨氮，硝态氮和

11、亚硝态氮存在，铁碳微电解想要除去N主要是通过把硝态氮和亚硝态氮转化成氮 气以除去，而反应过程中所增加的曝气装置增加了溶解氧的含量，使得铁碳微电解 作用增强，此时溶液中的N主要被转化成了氨氮，使得N的去除率很低，氢氧化 铁的絮凝作用对其不起作用，而P大多以磷酸盐的形式存在，可以在氢氧化铁的 作用下聚集并沉淀。2.1.2铁碳微电解对养猪沼液中主要重金属的去除结果 在1.3所述铁碳微电解 反应条件下，养猪沼液主要重金属的去除效率如表2所示，由表2可知经铁碳微 电解预处理后，养猪沼液中的主要有毒重金属(Cd除外)均有明显降低，特别是常 量元素Cu和Zn，去除效率分别达到了 63.8 % , 70.3

12、%。微量元素Pb的去除率 达到了18.9 %。重金属As和Hg经预处理后均降到检出范围以下。而这些重金 属元素基本都集中到了固体残渣中，主要原因是沼液中的重金属多数为有机物所吸 附，随着铁碳处理过程中有机物絮凝沉降，重金属被带出沼液，经离心过滤留在了 固体残渣中，从而减少养猪沼液中的有毒重金属。2.2.1铁碳微电解预处理养猪沼液对小球藻养殖OD值的影响 实验组与对照组 小球藻生物量的变化如图2所示，在前两天实验组和对照组的微藻生物量都有明 显的下降，原因在于藻种一般是由BG-11培养出来的，在刚接入废水的初期，微 藻有一个适应过程；在接下来的六天里不管是对照组还是实验组，微藻生物量都持 续增加

13、，但生长速度缓慢，到了第8天以后对照组的生物量又出现下降的趋势， 原因可能是微藻耐受不了废水的高营养成分，微藻开始大量死亡，而对照组中微藻 在第八天以后仍能继续生长，这可能要归功于铁碳微电解的预处理，此过程虽对 N元素的去除率很低，可对P和COD还是达到了一定的预处理目的的。但实验组 生长速率缓慢，原因可能是微藻耐受不了经预处理后废水的高氨N,低P以及高 COD的培养条件。2.2.2铁碳微电解预处理养猪沼液对小球藻养殖总氮的影响实验组与对照组对 总氮的去除效果如图3所示，不管是对照组还是实验组，废水中的总氮浓度在微 藻培养期间一直处于下降趋势，对照组在前两天下降趋势迅速很可能是由于微藻对 高氨

14、氮的吸附作用，210 d期间对照组和实验组都有缓慢下降的趋势，这主要是 由于微藻自身的生长，微藻细胞通过细胞同化作用将N元素，特别是铵态氮变成 自身细胞的一部分，从而达到去除总氮的目的，在1012 d对照组总氮下降缓慢， 主要是对照组中大量的微藻细胞已经开始死亡，总氮主要是靠死亡微藻细胞的表面 吸附作用而被去除。实验组与对照组的总氮分别从474.90，510.19下降到 419.01,448.43 mg-L-1总的下降速率很低。由陈香元11研究可知适合小球藻生长的最佳总氮浓度为100 mg-L-1,超过 400 mg-L-1小球藻的生长会明显受到抑制，而本次实验中所使用的养猪沼液总氮浓 度都在

15、400 mg-L-1以上，小球藻的生长必定受到很大的抑制，对此可采用分批式多次养殖 微藻的方式作为下一步研究的主要内容，以此来最大程度地去除沼液中的N浓度。2.2.3铁碳微电解预处理养猪沼液对小球藻养殖氨氮的影响 实验组与对照组对 氨氮的去除效果如图4所示，氨氮的变化趋势基本与总氮保持一致，这是由于在 整个过程中N元素的变化基本上都是铵根离子的变化，也就是氨氮的变化，所以 会出现这种结果。对照组与实验组的氨氮分别从411.11 , 374.07下降到301.23 , 281.48 mg-L-1。2.2.4铁碳微电解预处理养猪沼液对小球藻养殖总磷的影响实验组与对照组对 总磷的去除效果如图5所示，

16、实验组与对照组初始总磷浓度分别是12.77、 192.91 mg-L-1,由陈香元研究可知最适宜小球藻生长的磷元素浓度为10 mg-L-1,实验组初始总磷浓度已足够满足小球藻的生长需要，而当磷元素浓度 超过40 mg-L-1小球藻生长也会受到抑制，由此看来对照组对小球藻的生长会产生极大 的抑制作用。在微藻养殖的整个过程中两组实验中总磷含量都一直处于下降趋势， 实验组中总磷的去除率基本达到了 100%，对照组中总磷的下降主要归功于微藻细 胞本身的吸附作用以及磷酸盐自身的絮凝沉淀，实验组中总磷的去除除上述两个原 因以外，还包括微藻被微藻细胞吸收同化的磷元素。2.2.5铁碳微电解预处理养猪沼液对小球

17、藻养殖COD的影响 实验组与对照组对 COD的去除效果如图6所示，实验组与对照组初始COD值分别是257.48、447.10 mg-L-1。在微藻养殖过程中实验组与对照组的COD直处于下降趋势，但趋 势不是很明显，可能是沼液中存在小球藻难以吸收的有机物或大分子物质，小球藻 本身不能够直接进行新陈代谢，导致最终COD的去除不完全。到实验结束时，实 验组与对照组的COD分别降到了 188.01. 311.37 mg-L-1。由此可以看出经过预处理和微藻养殖共同作用，废水COD的去除效 率可以得到一定的提高，COD的最终去除率可以达到57.95%。铁碳微电解虽然对N元素的去除不是很明显，可对P和CO

18、D都有很好的去除效 果，特别是P元素，去除率都已经达到了 90%以上。铁碳微电解在对重金属的去 除上也有明显的效果，Cu和Zn的去除效率分别达到了 63.8 %和70.3 %。铁碳微电解处理过的养猪沼液，出现高氨氮和低磷的双重不利状态，造成了微藻的 生长速率下降。因此就微藻养殖的目的而言，认为该方法还不是最适宜的沼液预处 理方法。针对小球藻养殖的养猪沼液预处理方法，其主要作用要降低沼液中的氨氮，下一步 可以考虑磷酸铵镁沉淀法去除沼液中的氨氮，再结合絮凝剂以及物理吸附剂的使用， 使沼液能够更好地满足小球藻对营养的需求，特别是N、P含量以及配比要能更接 近小球藻所用的培养基。以此提高小球藻对养猪沼

19、液的去除效果，同时得到更多的 小球藻生物质。实现养殖废水的资源化利用。1 KIM H C,CHOI W J,MAENG S K,et al.Ozonation of Piggery Wastewater for Enhanced Removal of Contaminants by S.quadricauda and the Impact on Organic CharacteristicsJ.Bioresource Technology,2014,159:128-135.2 潘松青，张召基,陈少华.臭氧氧化法深度处理养猪废水研究J.安全与环境学 报,2014,14(6):153-157.3

20、GAN K,MOU X,XU Y,et al.Application of Ozonated Piggery Wastewater for Cultivation of Oil-rich Chlorella PyrenoidosaJ.Bioresource Technology,2014,171:285-290.4 冯亮,赵明,周礼杰，等.化学絮凝预处理对A/O-MBR处理养猪沼液的影响.工业 水处理,2013,33(2):16-19,82.5 黄海波，呼世斌,张凤梅，等.化学絮凝法对高质量浓度养猪废水预处理效果J.西北 农业学报,2013,22(6):190-196.6 段金明，方宏达,林锦

21、美，等.沸石吸附氨氮辅助鸟粪石法去除养猪废水营养物质J. 环境科学与技术,2012,34(12):181-184.7 阳维薇，王中琪.改性玉米秸秆吸附处理含氨氮养猪废水J.广东化 工,2011,38(5):159-160.8 汤景鹏.铁碳微电解处理猪场沼液的试验研究D.成都理工大学,2012.9 吴傲立，鲍建国,龚珞军.铁碳微电解预处理汽车电泳涂装废水J.环境工程学报,2014,8(9):3843-3847.10 李海松,闫阳,买文宁，等.铁碳微电解-H2O2耦合联用的类Fenton法处理制浆造纸废水J.环境化学,2013,32(12):2302-2306.11 陈香元.小球藻与平菇共生体系的构建及其在养猪沼液净化中的应用研究D.南昌大学,2014.