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微藻处理高浓度养殖废水技术详解

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-09-14    浏览:5165

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畜禽养殖产生的废弃物如不得到妥善的处理会 对环境产生一系列的问题,例如产生恶臭,滋生啮齿动物、昆虫和其他害虫,释放致病菌、污染地下水、破坏生物学结构。目前,大多数规模生猪养殖场都建有沼气池,解决了养殖业粪污的治理工作,然而发酵产生的沼液却没有得到很好的净化。沼液中含有丰富的氮、磷、钾等大量元素和铜、铁、锌、钙等微量元素,还有各种氨基酸、维生素、水解酶、植物激素以及病虫抑制因子等物质。沼液在灌溉、浸种、叶面施肥、喷洒杀虫及作为饲料添加剂等方面的研究与应用十分广泛。传统“猪一沼一果”、“猪一沼一鱼”等沼液利用模式能够有效提高土壤肥力、改善果蔬和鱼苗的生长和品质,然而这些传统沼液的规模化利用面临着诸如养殖场附近的土地不足以消纳全部的沼液、附近的农户没有接受和认同沼液的利用等现实问题,极大限制了养殖污水的处理,造成了资源的浪费和对环境的不良影响。因此,迫切需要能使其处理后得以资源化利用,增加收益的集成技术,做到既消除污染,又化害为利,促进经济持续发展。微藻介导的新型畜禽养殖污水处理技术以其经济、环保、占地面积小、可操作性强等优点显示了其极大的魅力和应用价值。

微藻种类多样、适应性强,能够在多种生态系统中生长。沼液中富含碳源、氮源等,正好为微藻的生长提供养料。微藻净化沼液系统能够同时降低沼液中的营养成分和有机物,而且随着能源危机和环境问题的日益加剧,以微藻为原料进行生物燃料的生产也受到了广泛关注。本文将从沼液预处理、微藻的筛选、微藻扩大培养等方面介绍国内外沼液规模化利用的研究进展。

1 沼液的预处理

沼液不仅营养丰富,而且含有较多的悬浮颗粒,具有较高的浊度,营养成分和理化性质差别也很大。在开放环境中,沼液很容易滋生细菌、杂藻以及其捕食者如轮虫等,使得在以微藻处理沼液的过程中,微藻细胞很容易受到虫害的影响。因此,沼液的预处理对于整个微藻养殖过程是至关重要的。

沼液的预处理主要从降低浊度、调整营养结构以及虫害预防3个方面入手。沼液中含有相对较高的悬浮颗粒(约30 ~40 kg • m-3),导致浊度的升高及光照利用受限,光照的限制,使藻细胞的生物量累积不高,影响污水处理的效率一般来讲, 微藻净化沼液系统都建有初沉池和曝气池对沼液中颗粒性物质进行初步沉降,而后通过添加絮凝剂、过滤等方法进一步降低沼液的浊度。高婷等在利用微绿球藻去除沼液中的氮磷时,将沼液沉降,再用100目筛絹过滤。霍书豪等在探究7株微藻对沼液处理效果的试验中,将沼液10000 r • min—1离心后,用0.45um孔径的混合纤维滤膜过滤处理。李环等在探究小球藻减排沼液的试验中,沼液经沉降池去除较大的固体颗粒,然后经板框压滤机过滤去除较小颗粒从而降低沼液的浊度。Xiaohui Lei等研究表明过量的氢氧化钙(如27.5g • L-1)能够获得较高的悬浮颗粒和浊度去除效率,浊度从初始沼液中的51700FAU降至低于9000FAU。刘玉环等利用有机悬浮物气浮分离装置降低沼液等有机污水中的悬浮颗粒。Chen等同样采用添加絮凝剂来降低沼液的浊度,氢氧化钙的浓度保持在中等水平(7.5g•m-3)来获得较低的浊度。

沼液一般含有较低的C/N,微藻在跑道池中培养,其生长受到抑制本质上是碳源的抑制,而这又会使微藻生长利用无机碳源引起水体中碳酸盐平衡的变化,促进氢氧根离子富集而引起pH值升高。PH值的升高会同时抑制微藻和水体中好氧细菌的生长。通过外加二氧化碳和用富含碳源的物质与养殖废水共同发酵都可以有效提高沼液中的碳含量,提高C/N,避免因碳源限制引起的藻类生长抑制。污水中的N/P同样对于氮磷的高效去除有很大影响, Aslan和Kapdan认为,适宜的N/P可能会加强小球藻在高浓度N/P污水中对营养物质的去除。对微藻来说,适宜的N/P可能随藻种的不同而不同,因此筛选适合不同沼液N/P的藻种与建立各种典型沼液与藻种相匹配的数据库是十分重要的。

微藻规模化处理沼液的过程主要是在开放养殖系统中进行,来自寄生虫和捕食者的污染是所有微藻规模化养殖过程中面临的共性问题。因此,对于规模化养殖过程中如何避免寄生虫与食藻害虫的污染和繁殖是学者和生产者面临的普遍难题。许多学者在实验室阶段的探究时,一般会采用高温灭菌的方法来避免微藻养殖过程中杂菌及食藻 害虫的污染,然而此方法不适用于规模化养殖过程中,因此开发一种经济、操作性强的方法来对沼液进行处理以避免养殖过程中虫害的爆发十分必要。Letcher等对栅藻在开放池养殖过程中的真核寄生虫的生命周期和特性进行分析,认为通过隔绝空气中的悬浮颗粒避免感染和控制寄生虫的吞噬作用获取营养可作为避免寄生虫污染的可能途径。巫小丹等比较了不同预处理方法对猪沼液害虫的杀灭和对后期微藻养殖的影响,结果表明用40mg•L-1的漂白粉可基本杀灭沼液中的食藻害虫,且放置4天后可进行微藻的培养。刘林林等利用高压灭菌和次氯酸钠行 预处理,结果表明,应用200ppm有效氯消毒组的狭形小桩藻生长和净化沼液效果比应用高压灭菌组的效果好。

2 微藻藻种的选育和驯化

在沼液的净化处理过程中,微藻的筛选和驯化是整个处理系统的前提和基础。适用于规模化净化沼液的微藻需满足生长迅速、耐污性强、耐高氨氮及有机物、对捕食者及异养微生物有一定抗性且具有一定高附加值产品开发前景。藻种的选育主要从以下2个方面入手:1)对自然环境中的微藻资源进行收集、筛选和分离,对筛选出的藻种的理化特性进行研究,如培养温度,光照,pH值等,及N, P和微量元素对微藻生长和生物质组成的影响和作用机理; 2)对微藻藻种进行遗传改造。

小球藻和栅藻因其对水质和生长环境的要求较低被广泛研究。Abou ShaiiabBfl等研究6种从自然环境中筛选出来的微藻净化猪沼液和生产生物柴油,结果表明小球藻的营养物质去除率以及油脂的积累量最高,达到了62%的氮去除率,28%的磷去除率及0.31g-L-1±0.03g•L-1的油脂积累量。 刘林林等调查了15种淡水微藻在养猪废水中的生长情况和营养物质的去除效果,结果表明不同的多棘栅藻和斜生栅藻对氨氮、硝态氮及总氮的去除效果各不相同,所有微藻均能达到91%以上的总磷去除率。Godos等评估了两种绿藻,一种蓝藻,一株裸藻和两种混合藻株在与活性污泥细菌共生系统中对4倍和8倍稀释率的养猪污水的生物降解能力,小球藻和绿裸藻能够在四倍和八倍稀释的污水中生长,斜生栅藻和从粪尿稳定塘分离出的藻株仅能在八倍稀释的污水中生长,而钝顶螺旋藻和从高效藻类污水处理塘分离出的藻种在两种稀释率的污水中不能生长,进一步研究表明,小球藻能够耐受较 高的氨氮,能够有效的降解污水。刘林林等利用狭形小桩藻净化猪沼液,发现高压灭菌组微藻对沼液中氨氮去除率能达到96.88%,总磷去除率能达到95.88%。王钦琪等通过在沼液中添加BG11培养基逐步驯化小球藻,最终使小球藻能够在沼液培养基中生长,总氮和总磷的去除率分别能够达到90%和97%以上。阮榕生等用沼液对小球藻进行驯化得到耐受高浓度沼液的藻株,用其处理沼液10天后氨氮和总磷的去除率分别达到了94.76%和80.03%,处理结果低于国际养猪业水污染物日最高排放标准。这些报道都表明,从污水处理厂或者自然水体中分离出的藻种能够很好的适应实际生产的条件并且生长状态良好。

3 微藻扩大培养

微藻的生长受营养物质,光照,PH值,温度,接种浓度等条件直接影响。如Li Xin等研究了不同氮磷浓度对污水营养物的去除及油脂的累积的影响;Arbib等应用530L的跑道池和380L的管道光生物反应器进行污水的净化实验,结果表明,总氮的去除率分别达65.12%±2.87%和89.68%±3.12%,总磷的去除率分别达58.78%±1.17%和86.71%±0.61%,在同等条件下,光照和温度分别是这两种生物反应反应器的主要限制因素。

4 微藻高附加值产品的开发

在以微藻净化污水的工艺中,研究者的目光不仅仅局限在污水营养物质的去除上,净化污水产生的大量藻体往往可用于提取与开发油脂、藻胆蛋白、多糖等高附加值产品。研究表明,以沼液养殖微藻,可同时实现降低污水中的营养物质和产生藻细胞以及提取生物能源等方面的耦合。由于化石燃料能源的骤减以及化石燃料应用对环境产生的一系 列问题促使了对新型环保能源的开发。以微藻为原料的新一代生物燃料,减少了对于土地、水源等的消耗,而且能够实现人类活动与自然的和谐相处。然而,大规模商业化生产微藻可能会比传统粮食生产花费更高,这是由于大规模养殖过程要消耗掉大量的水和营养盐,而且仅微藻的收获费用就可能占到微藻生产总花费的30%。在利用微藻净化污水的同时进行微藻细胞的富集、耦合微藻生物燃料等高附加值产品的开发使得这一问题得到很好地解决。需要指出的是,尽管微藻进行高附加值产品的可行性得到了充分的验证,藻多糖、藻胆蛋白等高附加值产品也得到了产业化生产,但微藻下游处理技术中仍有许多问题如藻体收获、微细胞的破碎等需要解决和进一步提高技术。

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