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小球藻净化村镇生活污水的预处理方法探究

时间:2020-11-19 来源:兰州理工大学 本文字数:8795字
作者:郭亚敏 单位:兰州理工大学

  摘 要

  
  随着我国农村经济的快速发展,村镇生活污水随意排放所引起的环境污染问题日益突出,如何高效处理村镇生活污水已成为亟待解决的问题。微藻能利用污水中的氮磷等营养物质完成自身的生长繁殖,可获得生物质能源的原料,同时还可净化村镇生活污水,被广泛用于处理污水。但在实际应用中,微藻对污水水质有一定的选择性,氮磷浓度、浊度等过高或过低均会抑制微藻生长,需先用强有力的预处理方法来提高微藻净化污水的效率。为此,本研究主要针对西北地区的环境特点,以小球藻高效净化村镇生活污水为主要目标,采用稀释、过滤、高温灭菌等方法先对污水进行预处理,在此基础上,通过正交试验和温度、光照等环境因子结合,探究了预处理方法和环境因子对小球藻净化村镇生活污水的影响。



小球藻净化村镇生活污水的预处理方法探究
 

  
  主要研究结果如下:
  
  (1)为确定适合小球藻净化污水的最佳浓度,将村镇生活污水稀释25%、50%、75%和100%后用于培养小球藻。结果表明,小球藻能在不同浓度的村镇生活污水中生长,其中在浓度为25%和100%污水中生长速度缓慢且最终获得的干重也较低,尤其是在浓度为100%的污水中,小球藻的生长速度最慢,最终的OD680仅为0.251,干重为163 mg·L-1;而在浓度为50%的污水中小球藻的生长情况最好,最终获得的干重为364  mg·L-1。对于污水的净化,污水浓度为50%时,小球藻对TP和COD的净化效果最好,去除率分别为53.72%和53.26%;污水浓度为75%时,小球藻对TN和NH4+-N的去除效果最好,去除率分别为63.14%和58.64%。总体来看,将污水稀释为50%时对小球藻净化污水的促进效果最佳。
  
  (2)采用高温灭菌、秸秆粉过滤、活性炭过滤等作为不稀释组的预处理方法,在此基础上,再将污水稀释50%作为稀释组的预处理方法,以不稀释污水为对照,再利用小球藻对村镇生活污水做进一步处理。结果表明,各预处理方法均对小球藻净化污水起到了促进作用,其中沉淀方法对小球藻净化污水的促进效果较小;在秸秆粉过滤条件下,小球藻的生长速度最快,最终的OD680为0.706,干重达629 mg·L-1,同时对TP的净化效果也最好,去除率达92.22%;经活性炭过滤后,小球藻对TN的去除效果最好,去除率达93.94%;经高温灭菌预处理后,小球藻对NH4+-N和COD的去除效果最佳,去除率分别为93.41%和86.21%。最终筛选出对小球藻净化污水促进效果最明显的预处理方法是高温灭菌、秸秆粉过滤和活性炭过滤。
  
  (3)通过正交试验将高温灭菌、秸秆粉过滤和活性炭过滤三种预处理方法和环境因子组合,探究了组合方法对小球藻生长以及净化污水的影响。结果表明,在温度、光照强度、光照时间和预处理方法四个因素中,温度对小球藻生长的影响最大,且在温度为25℃,光照时间为20h,光照强度为6000  lux,预处理方法为秸秆粉过滤条件下,小球藻的生长速度最快,最终获得的干重为736mg·L-1;预处理方法对小球藻去除污水中的TN、COD和NH4+-N的影响最大,其中在温度为20℃,光照时间20h,光照强度8000  lux和秸秆粉过滤条件下小球藻对TN的去除率达94.27%;在温度为30℃,光照时间为12h,光照强度为10000  lux和预处理方法为秸秆粉过滤条件下,小球藻对COD的去除率达89.51%;在温度为20℃,光照时间为16h,光照强度为8000 lux,预处理方法为秸秆粉过滤条件下,小球藻对NH4+-N的去除率达94.73%。对于TP的去除,温度是主要影响因素,且在温度25℃,光照时间16h,光照强度10000 lux,预处理方法为高温灭菌条件下,小球藻对TP的去除效果最好,去除率为92.35%。
  
  本研究提高了小球藻净化村镇生活污水的效率,并确定了适合小球藻在西北地区生长的环境条件,为解决当地农村生活污水处理和推动微藻能源产业化发展提供了技术参考。
  
  关键词:   村镇生活污水;小球藻;污水预处理;环境因子。
  

  Abstract

  
  With  the  rapid  development  of  rural  economy  in  Chi na,  the  environmental pollution  caused  by  the  random  discharge  of  rural  domestic  sewage  has  b ecomeincreasingly  prominent.  Microalgae  can  use  nitrogen  and  phosphorus  and  other nutrients  in  sewage  to  complete  their  own  growth  and  reproduction,  can  obtainbiomass  energy  raw  materials,  but  also  can  purify  village  sewage,  is  widely  used  in sewage  treatment.  However,  in  practical  application,  microalgae  have  a  certain selectivity  to  sewage  water  quality,  and  excessive  or  low  concentration  of  nitrogen and phosphorus, turbidity, etc. will inhibit the growth of microa lgae, so it is necessary to  use  a  strong  pretreatment  method  to  improve  the  puri fication  efficiency  of microalgae.  Therefore, this  study  mainly  aims  at  the  environmental  characteristics  of the  northwest,  chlorella  efficient  sewage  purification  villages  and  towns  as  the  main target,  first  by  adopting  the  method  of  dilution,  filtration,  high  temperature sterilization  of  sewage  pretreatment,  then  through  orthogonal  experiments  and combined  with  the  environmental  factors  such  as  temperature,  illumination,  explo re the  pretreatment  method  and  environmental  factors  influence  on  chlorella  sewage purification villages and towns. The main research results are as follows:
  
  (1)After diluting 25%, 50%, 75% and 100% of the domestic sewage in villages and  towns,  chlorella  can  grow  in  different  concentrations  of  domestic  sewage  invillages and towns. It is found that chlorella can grow slowly in 25% and 100% of the sewage,  and  the  final  dry  weight  is  also  low,  especially  i n  100%  of  the  sewage,  the growth speed of chlorella is the slowest, and the final OD680 is only 0.251 , dry weight 163mg;  The  growth  of  chlorella  was  the  best  when  the  concentration  was  50%,  and the  final  dry  weight  was  364  mg.  For  the  purification  of  sewage,  when  the  sewage concentration  is  50%,  chlorella  has  the  best  purification  effect  on  TP  and COD,  with the removal  rate of 53.72% and 53.26% respectively; when the sewage concentration is  75%,  chlorella  has  the  best  removal  effect  on  TN  and  NH4+-N,  with  the  removal rate of 63.14% and 58.64% respectively. In general, when the wastewater is diluted to 50%, the effect of promoting the purification of wastewater by chlorella is the best.
  
  (2)High temperature sterilization, straw powder filtration and activated carbon filtration  are  used  as  the  pretreatment  methods  of  the  undiluted  group.  On  this  basis, 50%  of  the  diluted  sewage  is  used  as  the  pretreatment  method  of  the  diluted  group. The  results  show  that  the  purification  effect  of  chlorella  on  the  undiluted  group  is better than that of the diluted 50% group, that is, the domestic sewage in villages and towns  after  sedimentation,  high  temperature  sterilization  and  filtration  It  has  been able to meet  the growth of  chlorella, no need to dilute the sewage; each pretreatment method  has  played  a  role  in  promoting  the  purification  of  sewage,  among  which  the sedimentation  method  has  a  little  effect  on  the  purification  of  sewage;  under  the condition  of  straw  powder  filtration,  the  growth  speed  of  chlorella  is  the  fastest,  the final OD680 is 0.706, the  dry weight is 629mg·L-1, and the purification effect of TP is the  most  The  results  showed  that  the  removal  rate  of  TN  by  chlorella  was  92.22%, 93.94%,  93.41%  and  86.21%,  respectively.  Finally,  the  most  obvious  pretreatmentmethods  to  promote  the  purification  of  wastewater  by  chlorella  are  high  temperature sterilization, straw powder filtration and activated carbon filtration.
  
  (3)The combination of three pretreatment methods and environmental factors, high temperature sterilization, straw powder  filtratio n and activated carbon filtration, was  used  to  explore  the  influence  of  the  combination  method  on  the  growth  of chlorella  vulgaris  and  the  purification  of  sewage  through  orthogonal  experiment.
  
  Among  the  four  factors,  temperature,  light  intensity,  light  tim e  and  pretreatment method,  temperature  had  the  greatest  influence  on  the  growth  of  chlorella  vulgaris, and the light time was 20h at 25℃ under the condition of 6000 lux intensity and straw powder filtration,  chlorella grows the fastest, and the final dry  weight is 736 mg·L-1. The  pretreatment  method  has  the  greatest  influence  on  the  removal  of  TN,  COD  and NH4+-N  from  wastewater  by  chlorella.  The  removal  rate  of  TN  by  chlorella  reaches 94.27% under the condition of 20 ℃, 20 hours of light, 8000 lux of  light intensity and straw  powder  filtration  The  removal  rate  of  COD  by  chlorella  was  89.51%  when  the temperature  was  30℃, the light time was 12h,  the  light  intensity  was  10000lux  and the  pretreatment  method  was  straw  powder  filtration;  the  removal  rate  of  NH4+-N  by chlorella was 94.73% when the temperature was 20 ℃, the light time was 16h and the light  intensity  was  8000  lux.  For  TP  removal,  temperature  is  the  main  factor,  and  at 25℃, illumination time 16 hours, illumination intensity 10000 lux, the pre treatment method is high temperature sterilization, chlorella removal efficiency of TP is the best, the removal rate is 92.35%.
  
  The  study  improved  the  efficiency  of  chlorella  in  purifying  village  sewage,  and determined  the  environmental  conditions  suitable  for  chlorella  to  grow  in  northwest China,  providing  technical  reference  for  solving  local  rural  domestic  sewage treatment and promoting the development of chlorella energy industrialization.
  
  Key  words:     Domestic  sewage  of  villages;  Chlorella  vulgaris;  Sewage  pretreatment; Environmental factor。
  

  第1章    绪 论
 

  
  1.1、研究背景及意义。

  
  随着我国农村经济的快速发展,农村生活污水的排放量也随之增加。据统计,我国大概有69万个行政村,农村人口约6.74亿,生活污水排放量约6400万吨/日,占全国生活污水排放总量的30%-32%[1-2]。
  
  根据我国发布的《2019年中央一号文件》,国家将继续大力支持乡村发展,尽快实现农业现代化,并要求从经济、社会、环境三方面推进农村现代化进程[3-4]。其中就环境方面,开展为期三年的农民居住环境整治,主要包括农村生活污水处理、乡村容貌整治和厕所革命。可见,净化农村生活污水对推动整个新农村建设至关重要。由于我国西北农村地区居住分散,导致污染源也相对分散;同时,污水处理设施建设滞后、运营管理资金短缺和农民环保意识较薄弱等原因造成我国西北村镇生活污水处理率低。有数据显示,中国乡镇集中供水率达到81.44%,但污水处理率只有11.38%,其中集中处理率仅为6%[5]
  
  (表1.1),大量未经处理的生活污水肆意排放到室外空地上,致使农村地表水和地下水严重污染,直接威胁着人们的生活环境和饮水安全同时也加剧了淡水资源危机,久而久之不利于农民居住环境的改善和农业生产的发展[6];加之生活污水中含有大量细菌病毒等,会导致疾病的传播,极易出现地区性传染病的流行与传播,甚至造成人畜共患病等,严重阻碍了村镇经济的可持续发展[7]。
  
  因此农村生活污水处理问题已经成为改善民生、推动社会主义资源节约型新农村建设、实现全面建设小康社会的重要制约因素[8]。
  

  

  
  目前我国城市污水处理常用的工艺有氧化沟法、生物滤池法、活性污泥法等,虽然技术较成熟,也取得了一定的效果,但也存在一些缺点:(1)基础建设和运行成本高。如果要建一座日处理量为20万吨污水的二级污水厂,一次性投资费用约在3亿至5亿元,年周转费用可达千万元[9]。显然农村地区难以承受如此高的投资费用。(2)污水经污水厂处理后会产生污泥,造成二度污染,且污泥处理成本也很高[10]。(3)操作复杂,难于管理。如活性污泥法导致的污泥膨胀问题就必须让机器停止运行,之后再启动会造成很大的经济损失。污水厂的处理工艺需要专门技术人员管理,农村缺乏专业管理人员和科学管理方法,不能正确使用这些对专业要求高的工艺。基于上述原因,农村照搬城市的污水处理工艺是行不通的,因此开发高效率、低能耗、低成本的分布式村镇生活污水处理技术,是解决目前村镇水资源危机的重要手段之一[11-12]。
  
  除了水环境危机,我国也同样面临能源危机。目前我国所用的化石燃料主要有石油、天然气、煤炭,这些均为不可再生能源,正面临着枯竭的风险。据调查,全球已探明的石油储备约为1.5×1012t,天然气储备约为1.2×1012t,煤炭总量约为5.5×1012t,这些均难以满足全球经济可持续发展的使用[13]。化石燃料资源的日益枯竭给全球经济发展带来危机,同时其燃烧产物CO2会造成温室效应,燃烧的副产物:氮氧化物、硫氧化物等导致空气污染,从而形成酸雨,这也给全球环境敲响警钟。因此,寻找能代替的可再生能源已成为每个国家在能源战略上的主要政策。
  
  生物柴油作为一种新型的可再生能源,近年来在世界各国被普遍使用[14]。目前,大多数国家制作生物柴油的原料是植物油(如:菜籽油、大豆油、花生油等),其中美国主要用大豆油,亚洲地区的越南、老挝、缅甸等国家主要用的是棕榈油来生产生物柴油,欧洲主要以菜籽油和进口棕榈油为原料[15-16]。但是大豆、棕榈等对种植土地要求较高,产量增长潜力有限,此外这些植物油也同样作为食用油,会造成原料价格高,油价波动大等问题。因此,长远来看,植物油达不到逐渐增长的生物柴油的生产要求[17]。微藻的细胞分裂繁殖快,可利用太阳能持续获得生物质,且油脂产率高,是解决油脂来源的重要突破口,被认为是唯一有潜力完全取代石油的生物质资源[18-19]。
  
  1957年美国研究学者Oswald和Gotaas首次提出通过微藻治理污水的观点,距今已有60多年的历史。随着科学技术的飞速发展,各国学者针对利用微藻净化污废水做了大量探究,并取得很多成果[20-21]。与传统技术相比,微藻处理污水技术有如下优势:
  
  (1)成本低,效益高。微藻作为光合自养型微生物,在生长过程中能吸收污水中大量的氮磷合成复杂的有机质,此过程投入的成本比传统方法低很多。同时利用微藻净化污水既不占用土地资源,还能实现分散化处理,且不会造成二次污染[22-23]。
  
  (2)低能耗。有研究表明,在去除污水中1kg BOD(生化需氧量)时,利用传统污水处理方法约耗电力1kw·h,而微藻的光合作用过程是自然发生的,利用微藻去除等量BOD时,不仅不需要消耗电能,还能利用微藻的生物量产生甲烷,生产约1kw·h的电力。
  
  (3)减少温室气体的排放。微藻通过光合作用将CO2转化成碳水化合物、蛋白质、维生素的同时还减少了水和空气中的CO2,可用下述方程表示:6CO2+6H2O→C6H12O6(4)减少污泥的形成。利用微藻处理污水时不需要添加化学药剂,避免化学药剂的残留,同时也减少了有害污泥的形成[24]。微藻净化污水后形成的污泥中含有生物质能源,可加工制作成肥料或生物燃料等。
  
  (5)具有富集金属的能力。微藻能在金属污染的水区域蓬勃生长,主要是因为微藻可将金属离子吸收并存于液泡中,另外微藻的细胞壁带负电荷,能将带正电荷的金属离子吸附。
  
  (6)具有广阔的开发利用前景。微藻细胞含多种蛋白质、维生素和无机盐等,具有能源价值[25]、药用价值[26-27]以及饲料价值[28]。因此,利用微藻净化污水不仅很好地弥补了传统污水处理工艺的短板,而且自身还具有诸多优点,是解决我国村镇生活污水的一种有效方法,同时对改善村镇水生态环境、推动社会主义新农村建设具有重要意义[29]。
  
  利用微藻处理污水虽然有诸多优点,但也面临着一些挑战,具体表现为:未经处理的生活污水中含有大量的悬浮物和固体颗粒,造成水体透光性差,从而导致微藻的光合作用效率降低;同时污水中还含有大量细菌、寄生虫等,与微藻之间存在互生、拮抗等复杂的相互关系,阻碍微藻生长;另外,氮磷含量过高也会抑制微藻的生长,从而导致微藻净化污水的效率较低,因此需要先对污水进行预处理之后才能用于微藻培养。同时外界环境也是影响微藻生长的一个重要因素,微藻生长时的温度、光照强度不同,其利用污水中的营养物质也不同。本研究针对西北地区的环境特点,探索适用于农村地区利用微藻养殖净化生活污水的预处理方法,以期为当地农村污水处理和推动微藻产业化发展提供技术支撑。
  

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  1.2、国内外研究现状.
  1.2.1、 藻种的选择
  1.2.2、 影响微藻生长的主要因素
  1.2.3、微藻净化污水的预处理方法研究现状.
  1.3、 研究内容和方法
  1.3.1、问题的提出
  1.3.2、 研究内容
  1.3.3、 技术路线.
  
  第2章  试验材料与方法
  
  2.1、试验材料.
  2.1.1、 试验水样及水质
  2.1.2、试验藻种
  2.1.3、 培养基
  2.1.4 、主要仪器及装置.
  2.2、试验方法
  2.2.1、小球藻培养方法
  2.2.2、微藻生长速度测定
  2.2.3、微藻细胞干重的测定,
  2.2.4、水质测定与数据分析
  
  第3章  污水浓度对小球藻生长及其净化污水的影响.
  
  3.1、试验水质与试验设计
  3.1.1、试验水质
  3.1.2、试验设计
  3.2、污水浓度对小球藻生长的影响
  3.2.1、小球藻在不同浓度污水中的生长情
  3.2.2、小球藻在不同浓度污水中的生物质积累情况
  3.3、污水浓度对小球藻去除污染物的影响
  3.3.1、小球藻去除总氮的情况.
  3.3.2、小球藻去除总磷的情况
  3.3.3、小球藻去除COD的情况
  3.3.4、小球藻去除氨氮的情况
  3.4、本章小结.
  
  第4章  预处理方法对小球藻生长及其净化污水的影响
  
  4.1、试验水质与试验设计
  4.1.1、试验水质
  4.1.2、试验设计
  4.2、不同预处理方法净化污水的效果
  4.3、预处理方法对小球藻生长的影响
  4.3.1、预处理方法对小球藻生长速度的影.响.
  4.3.2、预处理方法对小球藻积累生物质的影响
  4.4、预处理方法对小球藻净化污水的影响
  4.4.1、预处理方法对小球藻去除总氮的影响.
  4.4.2、预处理方法对小球藻去除总磷的影.响.
  4.4.3、预处理方法对小球藻去除COD的影响
  4.4.4、预处理方法对小球藻去除氨氮的影响.
  4.5、本章小结
  
  第5章  预处理方法和环境因子组合对小球藻净化污水的影响
  

  5.1、试验水质与试验设计
  5.1.1 、试验水质
  5.1.2 、试验设计
  5.2、预处理方法和环境因子组合对小球藻生长情况的影响
  5.2.1、组合方法对小球藻生长速度的影响
  5.2.2、组合方法对小球藻生物质积累的影响.
  5.3、预处理方法和环境因子组合对小球藻净化污水的影响
  5.3.1、 组合方法对对小球藻去除总氮的影响.
  5.3.2、组合方法对对小球藻去除总磷的影响.
  5.3.3、 组合方法对对小球藻去除COD的影响
  5.3.4、组合方法对对小球藻去除氨氮的影响.
  5.4、 本章小结

  第6章   结 论

  本研究通过采用稀释、过滤、高温灭菌等不同预处理方法来提高小球藻净化村镇生活污水的效率,并确定三种净化效果较好的预处理方法,在此基础上利用正交试验,分析预处理方法和温度、光照等环境因子耦合对小球藻净化污水的影响,进一步提高小球藻净化污水的效率。主要研究结果如下:

  (1)小球藻在浓度为25%、50%、75%和100%的村镇生活污水中均能生长,其中在浓度为50%的污水中生长情况最好,且在培养结束后获得的干重也最多,为364  mg;但在浓度为25%和100%污水中生长受到抑制,具体表现为小球藻有较长的适应期且对数增长期的生长速度较慢,特别是在100%的污水中小球藻的生长抑制最明显,最终的光密度值为0.251,干重仅为163 mg。对于污水中的TP和COD的去除,在污水浓度为50%时,小球藻对它们去除效果最明显,去除率可达53%左右,对于污水中的TN和NH4+-N,污水浓度为75%时,小球藻对它们的净化效果最好,去除率分别达到63%和58%左右。

  (2)为了进一步提高微藻净化村镇生活污水的效率,先用过滤、灭菌等方法对村镇生活污水进行预处理再利用小球藻对污水做进一步净化,结果显示各预处理方法均对小球藻净化污水起到了促进作用。在秸秆粉过滤预处理条件下,小球藻的生长速度最快,最终的OD680为0.706,干重达629 mg·L-1, 同 时 对TP的净 化 效 果 最 好 , 去 除 率 达92.22%; 经 活 性 炭 过 滤 后 , 小 球 藻 对TN的去 除 率 达93.94%,经高温灭菌预处理后,小球藻对NH4+-N和COD的去除率分别为93.41%和86.21%,最终筛选出对小球藻净化污水促进效果较明显的预处理方法:高温灭菌、秸秆粉过滤和活性炭过滤。

  (3)采用正交试验研究环境因子和预处理方法组合对小球藻净化污水的影响,发现小球藻在不同的组合方法中均能较好生长且污水中各污染物的指标进一步下降。在温度、光照强度、光照时间和预处理方法四个因素中,温度对小球藻生长的影响最大,且在温度为25℃,光照时间为20h,光照强度为6000  lux,预处理方法为 秸 秆粉过滤 条件下 ,小球藻 生长 地最好,最终获得 的干重为736mg·L-1;预处理方法对小球藻去除污水中的TN、COD和NH4+-N的影响最大,其中在温度为20℃,光照时间20h,光照强度8000 lux和秸秆粉过滤条件下小球藻对TN的去除率达94.27%;在温度为30℃,光照时间为12h,光照强度为10000 lux和预处理方法为秸秆粉过滤条件下,小球藻对COD的去除率达89.51%;在温度为20℃,光照时间为16h,光照强度为8000  lux,预处理方法为秸秆粉过滤条件下,小球藻对NH4+-N的去除率达94.73%。对于TP的去除,温度是主要影响因素,且在温度为25℃,光照时间16h,光照强度10000 lux,预处理方法为高温灭菌条件下,小球藻对TP的去除效果最好,去除率达92.35%。

  参考文献

  原文出处:郭亚敏. 利用小球藻净化村镇生活污水的预处理研究[D].兰州理工大学,2020.
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