利用小球藻凈化村鎮(zhèn)生活污水的預(yù)處理研究

王昱, 郭亞敏, 劉蔚, 劉娟娟, 李寶龍, 左一鋒

利用小球藻凈化村鎮(zhèn)生活污水的預(yù)處理研究

王昱1,2,3,*, 郭亞敏1,4, 劉蔚3, 劉娟娟1, 李寶龍1, 左一鋒1

1. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,蘭州 730050 2.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心,蘭州 730050 3. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000 4.鄭州自來水投資控股有限公司柿園水廠, 鄭州 450013

為提高小球藻()凈化村鎮(zhèn)生活污水的效率, 基于原水、沉淀、活性炭過濾、秸稈粉過濾等8種方法對(duì)村鎮(zhèn)生活污水進(jìn)行預(yù)處理, 根據(jù)小球藻在不同預(yù)處理?xiàng)l件下的生長(zhǎng)情況以及對(duì)污水中的TN、TP、COD和NH4+-N去除情況, 篩選出最佳預(yù)處理方法。結(jié)果表明: 經(jīng)秸稈粉過濾之后, 小球藻比生長(zhǎng)速率在第8天達(dá)到最大值, 為0.360 d-1, 并獲得最高生物質(zhì)干重, 為0.826 g·L-1, 同時(shí)對(duì)污水中TP的去除效果達(dá)到最好, 去除率為92.22%; 污水經(jīng)滅菌預(yù)處理之后, 小球藻對(duì)COD和NH4+-N的去除率最高, 分別為93.41%和86.21%; 利用活性炭過濾之后, 小球藻對(duì)TN的去除效果最好, 去除率為93.94%。從去除效果和經(jīng)濟(jì)成本方面考慮, 最終選擇秸稈粉過濾作為小球藻凈化村鎮(zhèn)生活污水的最佳預(yù)處理方法。

小球藻; 村鎮(zhèn)生活污水; 預(yù)處理

0 前言

近年來, 隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境污染治理力度的不斷加大, 工業(yè)廢水和城市污水處理率已分別超過90%和60%[1-3], 然而受地理?xiàng)l件、生活方式、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)適應(yīng)性等因素的制約, 我國(guó)約有96%的農(nóng)村地區(qū)沒有污水收集和處理系統(tǒng)[4], 大量未經(jīng)處理的生活污水肆意排放致使農(nóng)村地表水和地下水嚴(yán)重污染, 直接威脅著人們的生活環(huán)境和飲水安全[5]。在我國(guó)西北農(nóng)村地區(qū), 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高, 進(jìn)入秋冬季后氣溫降低, 使污水處理的難度進(jìn)一步加大。因此, 根據(jù)西北地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn), 研發(fā)適合我國(guó)西北農(nóng)村地區(qū)的污水處理技術(shù)是當(dāng)前亟待解決的問題。我國(guó)西北農(nóng)村生活污水分布較分散、日變化系數(shù)大, 不能照搬城市污水集中處理模式[6]。微藻可以快速吸收污水中的氮磷等污染物, 與傳統(tǒng)的生態(tài)化處理方式對(duì)比, 利用微藻進(jìn)行污水處理既不占用土地資源, 又能實(shí)現(xiàn)分散化處理且不會(huì)造成二次污染, 并獲得生物質(zhì)能源, 是解決西北村鎮(zhèn)生活污水的有效方法之一[7-9]。小球藻作為常見藻種不僅生長(zhǎng)周期短、繁殖快, 而且耐受能力強(qiáng), 被廣泛用于污水處理[10]。然而利用小球藻處理生活污水仍存在一定的局限性: 未經(jīng)處理的生活污水中含有大量的懸浮物和固體顆粒, 使水體透光性變差, 導(dǎo)致小球藻的光合作用效率降低, 此外, 生活污水中的氮磷含量過高也會(huì)抑制小球藻的生長(zhǎng)[11-13], 為使小球藻能夠應(yīng)用于較高氨氮負(fù)荷的生活污水處理中, 需采用更為有力的強(qiáng)化預(yù)處理手段。

目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微藻凈化污水的預(yù)處理做了大量研究, Hu[14]等通過對(duì)污水進(jìn)行一系列稀釋分析表明, 稀釋5倍后的污水最適合小球藻生長(zhǎng), 同時(shí)對(duì)水質(zhì)凈化效果也最好; Chen[15]等采用高溫滅菌對(duì)雞糞沼液進(jìn)行預(yù)處理, 培養(yǎng)的小球藻最高生長(zhǎng)速率可達(dá)0.3458 g·(L·d)-1; 余宗苡[16]等對(duì)小球藻凈化豬場(chǎng)廢水的研究表明, 單一的小球藻對(duì)廢水中NH4+-N的去除率為59.27%, 而經(jīng)三級(jí)過濾和小球藻聯(lián)合凈化污水后, NH4+-N的去除率提高24.21%?？梢? 預(yù)處理技術(shù)是微藻凈化污水能夠得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素, 同時(shí)這些預(yù)處理方法也可為后期微藻分離應(yīng)用。目前這些研究停留在污水經(jīng)過單一的預(yù)處理后對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響方面, 缺乏多種預(yù)處理方法對(duì)微藻生長(zhǎng)及其凈化污水效果的對(duì)比研究。本文通過采用沉淀、活性炭吸附、秸稈粉過濾等8種預(yù)處理方法對(duì)比分析小球藻在污水處理及凈化過程中的生長(zhǎng)趨勢(shì)及其對(duì)污染物的去除效果, 闡明不同預(yù)處理方法對(duì)小球藻的生長(zhǎng)和凈化污水的影響, 最終篩選出利用小球藻凈化村鎮(zhèn)生活污水的最佳預(yù)處理方法, 以期為我國(guó)西北地區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的處理提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)水樣和水質(zhì)

本研究所用村鎮(zhèn)生活污水水樣取自蘭州市七里河區(qū)西果園鎮(zhèn)周家山村(103°45′14″E, 36°01′07″N)污水溝的三個(gè)不同位置, 每個(gè)采樣點(diǎn)采集5L污水, 按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[17]低溫保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。各采樣點(diǎn)污水水質(zhì)指標(biāo)略有浮動(dòng), 各指標(biāo)浮動(dòng)范圍分別為: COD: 176.25—332.42mg·L-1; TP: 5.17—10.34 mg·L-1; TN: 60.32—81.48 mg·L-1; NH4+-N: 52.49—73.91 mg·L-1。具體水質(zhì)見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)藻種與培養(yǎng)基

本研究選用的實(shí)驗(yàn)藻種為小球藻(), 購(gòu)買于甘肅省科學(xué)院生物研究所。藻種采用BG11培養(yǎng)基[18]進(jìn)行傳代培養(yǎng), 保藏于4℃冰箱。

1.2.2 微藻的培養(yǎng)

因購(gòu)買的小球藻體積不足以完成實(shí)驗(yàn), 需先在無菌條件下用BG11培養(yǎng)基進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng), 將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的小球藻作為種子液, 以相同初始濃度接種于300 mL村鎮(zhèn)生活污水中, 并放于課題組前期設(shè)計(jì)制作的恒溫控光水浴培養(yǎng)箱(長(zhǎng): 85 cm; 寬: 45 cm;高: 40 cm)中培養(yǎng), 以未經(jīng)過任何處理的村鎮(zhèn)生活污水作為空白對(duì)照, 設(shè)定培養(yǎng)溫度為(25±2) ℃, 光照強(qiáng)度為8000 lx, 光暗比為(L:D)16 h:8 h條件下, 培養(yǎng)13天, 每天搖晃兩次, 避免微藻產(chǎn)生絮凝或沉淀。

1.2.3 污水預(yù)處理方法

實(shí)驗(yàn)選用以下8種預(yù)處理方法: 原水、沉淀、石英砂過濾、秸稈粉過濾、活性炭過濾、滅菌、濾膜(CA-CN水系混合纖維)＋砂芯過濾和稀釋50%, 稀釋50%是在前7種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的, 具體預(yù)處理?xiàng)l件編組見表2, 每組設(shè)三次重復(fù)。

表1 實(shí)驗(yàn)用水(污水)水質(zhì) (mg·L-1)

1.3 分析方法

1.3.1 微藻比生長(zhǎng)速率和干重的測(cè)定

比生長(zhǎng)速率和干重是用來評(píng)價(jià)小球藻在一定時(shí)期內(nèi)生長(zhǎng)情況的重要指標(biāo), 同時(shí)也間接反映小球藻凈化污水的效果。比生長(zhǎng)速率的測(cè)定: 利用UV765紫外可見分光光度計(jì)測(cè)出吸光度OD680值, 再利用公式計(jì)算比生長(zhǎng)速率。計(jì)算公式為:

式中—比生長(zhǎng)速率(d-1);0—接種時(shí)藻液的OD680值;t—培養(yǎng)天后藻液的OD680值;—小球藻培養(yǎng)時(shí)間。

小球藻干重的測(cè)定: 取20 mL小球藻藻液經(jīng)預(yù)稱重(1)的微孔濾膜過濾、洗滌, 于105 ℃下烘干至恒重(2), 不加小球藻的空白對(duì)照組干重為0, 小球藻干重(g·L-1)的計(jì)算公式為:

1.3.2 水質(zhì)測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

污水水質(zhì)采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[17]中的國(guó)標(biāo)法測(cè)定, 總磷的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法GB 11893—89; 氨氮的測(cè)定采用納氏試劑光度法GB 7479—87; COD采用水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法GB 11914—89; 總氮測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法GB 11894—89。采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way AVOVA)和顯著性分析, 顯著差異水平為<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻的生長(zhǎng)情況分析

2.1.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)小球藻比生長(zhǎng)速率的影響

通過采用不同預(yù)處理?xiàng)l件下的村鎮(zhèn)生活污水作為培養(yǎng)基來培養(yǎng)小球藻, 考察小球藻的生長(zhǎng)情況, 其比生長(zhǎng)速率如圖1所示。小球藻比生長(zhǎng)速率的時(shí)間序列表明, 在第1—8天之內(nèi)小球藻的比生長(zhǎng)速率不斷增大, 第8天達(dá)到最大值, 在第8—13天期間其比生長(zhǎng)速率呈下降趨勢(shì)。預(yù)處理?xiàng)l件顯示, 在D1和D2(秸稈粉)預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻生長(zhǎng)最快, 第8天其比生長(zhǎng)速率達(dá)最大值, 分別為0.360 d-1和0.347 d-1; 在E1和E2(活性炭)預(yù)處理后, 小球藻生長(zhǎng)較快, 第8天其比生長(zhǎng)速率分別達(dá)0.353 d-1和0.337 d-1, 僅次于小球藻在D1和D2(秸稈粉)預(yù)處理?xiàng)l件下的比生長(zhǎng)速率; 而在A1和A2(原污水)中, 小球藻的生長(zhǎng)速率最慢, 顯著(<0.05)低于其在預(yù)處理之后污水中的比生長(zhǎng)速率, 第8天的比生長(zhǎng)速率僅為0.291 d-1和0.321 d-1。

表2 村鎮(zhèn)生活污水預(yù)處理方法編組

圖1 小球藻在不同預(yù)處理方法下的比生長(zhǎng)速率

Figure 1 Specific growth rate ofunder different pretreatment methods

2.1.2 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻的干重情況

依據(jù)小球藻在不同預(yù)處理?xiàng)l件下的比生長(zhǎng)速率分析表明(圖1), 小球藻在第8 d(穩(wěn)定期)的比生長(zhǎng)速率達(dá)最高, 而最佳污水處理是利用小球藻將村鎮(zhèn)生活污水中的有機(jī)養(yǎng)分消耗枯竭, 故選取第8 d(穩(wěn)定期)和培養(yǎng)結(jié)束后的藻液作為基準(zhǔn)液測(cè)其干重, 具體結(jié)果見圖2。結(jié)果顯示, 小球藻在不稀釋污水中的產(chǎn)量高于稀釋50%污水中的產(chǎn)量; 基于預(yù)處理?xiàng)l件分析表明, 在D1和D2(秸稈粉過濾)條件下小球藻的干重最高, 分別為0.735 g·L-1和0.826 g·L-1, 顯著高于其他預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻的干重(<0.05); 在A1和A2條件下的小球藻干重最低, 僅為0.485 g·L-1和0.527 g·L-1; 在E1和E2(活性炭過濾)預(yù)處理?xiàng)l件下, 小球藻的干重分別為0.614 g·L-1和0.747 g·L-1; 在C1和C2(滅菌)、F1和F2(石英砂過濾)及G1和G2(濾膜＋砂芯過濾)條件下, 小球藻的干重?zé)o顯著性差異(>0.05)。

2.2 不同預(yù)處理方法下村鎮(zhèn)生活污水中各指標(biāo)的去除效果分析

2.2.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻去除污水中各指標(biāo)的情況

村鎮(zhèn)生活污水中各指標(biāo)含量在不同預(yù)處理?xiàng)l件下的變化情況見表3。整體而言, 各預(yù)處理方法均能降低污水中污染物的含量。其中, 原污水經(jīng)沉淀預(yù)處理后, 各指標(biāo)下降幅度較小, 具體為: COD下降2.38 mg·L-1, TP下降0.21 mg·L-1, TN下降1.20 mg·L-1, NH4+-N下降1.78 mg·L-1; 而C1(滅菌)、D1(秸稈粉過濾)、E1(活性炭過濾)、F1(石英砂過濾)和G1(濾膜＋砂芯過濾)對(duì)污水的凈化效果較好, 尤其是經(jīng)E1(活性炭過濾)后, 污水中各污染物的去除效果達(dá)到最佳, 具體表現(xiàn)為: COD從225.63mg·L-1降至185.08mg·L-1, TN從66.26 mg·L-1降至58.42 mg·L-1, NH4+-N從63.79mg·L-1降至51.49 mg·L-1。

圖2 小球藻在不同預(yù)處理方法下的細(xì)胞干重

Figure 2 The dry weight ofin different pretreatment methods

表3 村鎮(zhèn)污水預(yù)處理后水質(zhì) (mg·L-1)

2.2.2 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻去除村鎮(zhèn)生活污水中TN的效果對(duì)比

在不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻對(duì)村鎮(zhèn)生活污水中TN的去除效果見圖3。結(jié)果表明, 小球藻在未經(jīng)稀釋污水中的去除效果比稀釋50%的污水去除效果好。小球藻在A1(原污水)中TN的去除效果最差, 去除率僅為75.70%; 而在E1(活性炭過濾)條件下, 小球藻對(duì)污水中TN的去除效果最好, 去除率為93.94%, 比原水中的去除率提高18.23%, TN含量從初始值66.74 mg·L-1降至4.04 mg·L-1, 達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。另外在G1(濾膜＋砂芯過濾)條件下, 小球藻對(duì)污水中TN的去除率為93.63%, 僅次于在E1(活性炭過濾)條件下的去除率。其余預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻對(duì)污水中TN的去除率無顯著性差異(>0.05), 約為92%。

2.2.3 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻對(duì)村鎮(zhèn)生活污水中TP的去除情況

在不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻對(duì)村鎮(zhèn)生活污水中TP的去除效果見圖4。結(jié)果表明, 小球藻對(duì)不稀釋污水中TP的去除率均大于稀釋50%污水組中的去除率, 在A1(原污水)條件下, 小球藻對(duì)污水中TP的去除率最低, 僅為79.37%; 而在D1(秸稈粉過濾)條件下, 小球藻對(duì)污水中TP的去除率高達(dá)92.22%。另外在C1(滅菌)和G1(濾膜＋砂芯過濾)預(yù)處理?xiàng)l件下, 小球藻對(duì)污水中TP的去除率差異不顯著性(>0.05), 去除率均達(dá)90%。

圖3 小球藻在不同預(yù)處理方法下對(duì)TN的去除率

Figure 3 Removal rate of TN bywith different pretreatments

圖4 小球藻在不同預(yù)處理方法下對(duì)TP的去除率

Figure 4 Removal rate of TP bywith different pretreatments

2.2.4 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻去除村鎮(zhèn)生活污水中NH4+-N的效果對(duì)比

在不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻對(duì)村鎮(zhèn)生活污水中NH4+-N的去除效果見圖5。在A1(原污水)條件下, 小球藻對(duì)污水中NH4+-N的去除率僅為73.58%; 在E1和E2(活性炭過濾)條件下, 小球藻對(duì)污水中NH4+-N的去除率分別為89.75%和88.83%, 相較于對(duì)TN、TP、COD的去除效果而言, 小球藻對(duì)污水中NH4+-N的去除效果較差; 而在C1和C2(滅菌)預(yù)處理?xiàng)l件下, 小球藻對(duì)污水中NH4+-N的去除效果最好, 去除率達(dá)93.41%, 比原水中的去除率提高約20%。

2.2.5 不同預(yù)處理?xiàng)l件下小球藻對(duì)村鎮(zhèn)生活污水中COD的去除結(jié)果

小球藻在不同預(yù)處理?xiàng)l件下去除村鎮(zhèn)生活污水中COD的結(jié)果顯示(圖6): 不稀釋組污水中COD的去除率均高于稀釋50%的污水組。在A1(原污水)和B1(沉淀預(yù)處理)條件下, 小球藻對(duì)污水中COD的去除率分別為73.31%和79.14%, 其中污水經(jīng)沉淀之后, 對(duì)小球藻去除污水中COD具有較小的促進(jìn)作用; 經(jīng)C1(滅菌)和G1(濾膜＋砂芯過濾)后, 小球藻對(duì)污水中COD的去除率達(dá)85%。在C1(滅菌)條件下, 小球藻對(duì)污水中COD的去除效果最好, 去除率達(dá)86.74%, 與原污水對(duì)比, 去除率提高了13.43%。

圖5 小球藻在不同預(yù)處理方法下對(duì)NH4+-N的去除率

Figure 5 Removal rate of NH4+-N bywith different pretreatments

圖6 小球藻在不同預(yù)處理方法下對(duì)COD的去除率

Figure 6 Removal rate of COD byin different pretreatment methods

3 討論

3.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)小球藻的生長(zhǎng)影響

在相同預(yù)處理?xiàng)l件下, 對(duì)比分析不稀釋組和稀釋50%組小球藻的比生長(zhǎng)速率表明, 不稀釋組小球藻的比生長(zhǎng)速率大于稀釋組的, 由于稀釋是在沉淀、滅菌、石英砂、秸稈粉、活性炭方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的, 原村鎮(zhèn)生活污水經(jīng)這些方法預(yù)處理后就能達(dá)到小球藻的最適生長(zhǎng)環(huán)境, 不需要再進(jìn)行稀釋, 這與Chen[19]等的研究結(jié)果基本一致。

本研究表明, 在D1和D2(秸稈粉過濾)條件下小球藻的比生長(zhǎng)速率和干重均達(dá)到最大, 相較原水組其比生長(zhǎng)速率提高了約24%, 干重增加了50%, 主要是污水經(jīng)秸稈粉過濾后, 污水濁度降低, 有利于小球藻的光合作用。同時(shí)秸稈粉能提供少量的碳源, 使污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更加豐富, 促進(jìn)了小球藻的生長(zhǎng)繁殖[20]; 在A1和A2條件下小球藻的比生長(zhǎng)速率和干重均最低, 未經(jīng)預(yù)處理的村鎮(zhèn)生活污水中雖含有豐富的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 但懸浮物顆粒較多, 不利于小球藻進(jìn)行光合作用, 從而抑制其生長(zhǎng)繁殖[21]。

3.2 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)村鎮(zhèn)生活污水的凈化效果分析

基于不同預(yù)處理?xiàng)l件下村鎮(zhèn)生活污水中各指標(biāo)的去除效果對(duì)比分析表明, 活性炭過濾對(duì)污水中各有機(jī)物的去除效果最好, 主要?dú)w因于活性炭對(duì)水中苯、酚類有機(jī)物有較好的去除能力, 摻雜有洗滌劑等合成類日化用品的生活污水可生化性低并且很難通過微生物降解, 而活性炭對(duì)此類有機(jī)物有很強(qiáng)的吸附能力[22]。

微藻對(duì)污水中TN的利用主要是通過轉(zhuǎn)氨基作用, 在自身酶的催化下合成氨基酸, 因此TN的濃度是影響微藻生長(zhǎng)的主要因素之一[23-24]。本研究顯示小球藻對(duì)未經(jīng)稀釋污水中TN的去除效果比在稀釋50%的污水去除效果好, 分析認(rèn)為在培養(yǎng)過程中, 稀釋50%的村鎮(zhèn)生活污水中的TN含量逐漸降低, 不能滿足小球藻的生長(zhǎng)繁殖, 致使其對(duì)污水中TN的吸收利用率降低, 這也印證了小球藻在未經(jīng)稀釋的村鎮(zhèn)生活污水中的比生長(zhǎng)速率大于稀釋組的。經(jīng)E1(活性炭過濾)后小球藻對(duì)TN的去除效果達(dá)到最好, 主要是活性炭有巨大的比表面積, 憑借其微孔將污水中部分TN和溶解性有機(jī)物吸附去除, 使得污水中TN的含量滿足小球藻的生長(zhǎng)需求[25-26], 且在微藻固定化技術(shù)中, 可利用活性炭對(duì)藻球進(jìn)行強(qiáng)化加固, 防止藻球破裂[27]; 在G1(濾膜＋砂芯過濾)條件下小球藻對(duì)TN的去除效果較好, 僅次于在活性炭預(yù)處理?xiàng)l件下的去除效果, 0.45 μm的濾膜不僅能過濾大顆粒懸浮物, 還能過濾微小細(xì)菌等物質(zhì)。同時(shí)針對(duì)培養(yǎng)結(jié)束后, 小球藻難分離的問題, 利用濾膜＋砂芯過濾能將小球藻從污水中分離出來。

村鎮(zhèn)生活污水中的磷酸鹽自身會(huì)沉淀降解, 再經(jīng)藻細(xì)胞吸收并通過多種磷酸化途徑轉(zhuǎn)化為ATP、磷脂等有機(jī)物之后其濃度進(jìn)一步降低[28-29]。結(jié)合圖2分析表明, 在D1(秸稈粉過濾)條件下小球藻的生物量最高, 對(duì)污水中TP的去除效果達(dá)到最好, 這也進(jìn)一步表明了微藻除磷效果與生物量成正比[30]。另外微藻對(duì)污水中磷的去除也和污水中氮磷比相關(guān), 其去除率隨氮磷比的減小而增大[31]。本研究顯示, 原污水中氮磷比為9.3:1.0, 經(jīng)D1(秸稈粉)預(yù)處理后, 其氮磷比為8.9:1.0, 相較原污水氮磷比減小, 更利于小球藻去除污水中的TP。

在C1(滅菌)預(yù)處理?xiàng)l件下, 小球藻對(duì)污水中NH4+-N和COD的去除效果最好。其中NH4+-N的去除率達(dá)89.75%, 一方面小球藻通過細(xì)胞體同化作用對(duì)NH4+-N進(jìn)行去除, 另一方面在高溫蒸汽滅菌過程中, 水中的NH4+-N以游離氨的形式揮發(fā)[32], 小球藻對(duì)未經(jīng)預(yù)處理的原污水中NH4+-N的去除率僅為73.58%, 當(dāng)污水中NH4+-N濃度過高時(shí), 水中的溶解氧迅速下降, 導(dǎo)致厭氧菌大量繁殖, 從而抑制小球藻的生長(zhǎng)[33]; 微藻通過光合作用能很好的利用污水中的有機(jī)化合物合成自身的復(fù)雜有機(jī)物[34]。本研究表明, 小球藻對(duì)C1(滅菌)污水中COD的去除效果最好, 與原污水相比, 去除率提高了13.43%, 主要是COD在C1(滅菌)過程中變性絮凝而沉淀, 同時(shí)也消滅了某些抑制小球藻生長(zhǎng)的細(xì)菌等微生物[35]。其他預(yù)處理方法是將有機(jī)物截留, 而高溫滅菌過程是降解污水中的有機(jī)物, 對(duì)污水中有機(jī)物等物質(zhì)去除更加徹底。

4 結(jié)論

本文利用小球藻在不同預(yù)處理?xiàng)l件下通過對(duì)村鎮(zhèn)生活污水中污染物的去除效果進(jìn)行分析研究, 得出以下結(jié)論:

(1)不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)小球藻的生長(zhǎng)影響分析表明, 在秸稈粉預(yù)處理的條件下小球藻的生長(zhǎng)情況最好, 比生長(zhǎng)速率達(dá)0.360 d-1, 干重達(dá)0.826 g·L-1; 經(jīng)活性炭過濾之后, 小球藻在污水中的生長(zhǎng)情況較好, 比生長(zhǎng)速率達(dá)0.353 d-1, 干重達(dá)0.747 g·L-1。

(2)不同預(yù)處理方法對(duì)小球藻凈化村鎮(zhèn)生活污水均有促進(jìn)作用, 其中活性炭過濾、高溫滅菌和秸稈粉過濾對(duì)小球藻凈化污水的促進(jìn)效果最好。經(jīng)活性炭過濾后, TN的去除率達(dá)93.94%; 采用秸稈粉過濾后, TP的去除率達(dá)92.22%; 利用高溫滅菌后, NH4+-N的去除率達(dá)93.41%、COD的去除率達(dá)86.21%。高溫滅菌方法操作復(fù)雜, 一次能滅菌的污水量較少, 且耗費(fèi)時(shí)間; 相較于秸稈粉過濾, 活性炭的成本較高, 且使用一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到飽和, 需要更換, 而秸稈粉可重復(fù)使用, 在村鎮(zhèn)中取材方便, 故選秸稈粉過濾為小球藻凈化村鎮(zhèn)污水的預(yù)處理方法。

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Research the pretreatment of rural domestic sewage treated with

WANG Yu1,2,3,*, GUO Yamin1,4, LIU Wei2, LIU Juanjuan1, LI Baolong1, ZUO Yifeng1

1. College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China 2. Western China Energy＆Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China 3. Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin, Northwest Institute Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 4. Shiyuan Water Treatment Plant, Zhengzhou Water Supply Investment Holding Co. Ltd, Zhengzhou 450013, China

In order to improve the efficiency ofin rural domestic sewage, we used 8 methods, including raw water, precipitation, activated carbon filtration, straw powder filtration etc, and then the sewage was used as nutrients medium to cultivate thefor pollutants removal and algal biomass production. The best pretreatment method was selected by analyzing and comparing the growth of microalgae under different pretreatment conditions and the removal rates of TN, TP, COD and NH4+-N in the rural domestic sewage. The results indicated that after filtration with straw powder, the specific growth rate ofreached the maximum value of 0.360 d-1on the 8th day, and the maximum biomass dry weight was obtained, which was 0.826 g·L-1. At the same time, the removal rates of TP reached 92.22%. After sterilization pretreatment, the removal rates of COD and NH4+-N were the highest, which were 93.41% and 86.21%, respectively. After activated carbon filtration, the removal rates of TN reached 93.94%. From the perspective of removal efficiency and economic cost, the straw powder filtration was finally used as the best pretreatment method forpurification of rural domestic sewage.

; rural domestic sewage; pretreatment

王昱, 郭亞敏, 劉蔚,等. 利用小球藻凈化村鎮(zhèn)生活污水的預(yù)處理研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(3): 136–143.

WANG Yu, GUO Yamin, LIU Wei, et al. Researchthe pretreatment of rural domestic sewage treated with[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 136–143.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.017

X703.1

A

1008-8873(2021)03-136-08

2019-12-04;

2020-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“內(nèi)陸河流水電梯級(jí)開發(fā)的生境響應(yīng)關(guān)系研究”(51669011); 甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“太陽能恒溫培養(yǎng)微藻高效凈化村鎮(zhèn)生活污水技術(shù)研究”(1606RJZA196)

王昱(1979—), 男, 甘肅永昌人, 博士, 副教授, 主要從事污水資源的高效循環(huán)利用方面的研究, E-mail: wangyu-mike@163.com

王昱