小球藻凈化村鎮生活污水的預處理方法探究

　　摘 要

　　
　　隨著我國農村經濟的快速發展，村鎮生活污水隨意排放所引起的環境污染問題日益突出，如何高效處理村鎮生活污水已成為亟待解決的問題。微藻能利用污水中的氮磷等營養物質完成自身的生長繁殖，可獲得生物質能源的原料，同時還可凈化村鎮生活污水，被廣泛用于處理污水。但在實際應用中，微藻對污水水質有一定的選擇性，氮磷濃度、濁度等過高或過低均會抑制微藻生長，需先用強有力的預處理方法來提高微藻凈化污水的效率。為此，本研究主要針對西北地區的環境特點，以小球藻高效凈化村鎮生活污水為主要目標，采用稀釋、過濾、高溫滅菌等方法先對污水進行預處理，在此基礎上，通過正交試驗和溫度、光照等環境因子結合，探究了預處理方法和環境因子對小球藻凈化村鎮生活污水的影響。

 

　　
　　主要研究結果如下：
　　
　�。�1）為確定適合小球藻凈化污水的最佳濃度，將村鎮生活污水稀釋25%、50%、75%和100%后用于培養小球藻。結果表明，小球藻能在不同濃度的村鎮生活污水中生長，其中在濃度為25%和100%污水中生長速度緩慢且最終獲得的干重也較低，尤其是在濃度為100%的污水中，小球藻的生長速度最慢，最終的OD680僅為0.251，干重為163 mg·L-1；而在濃度為50%的污水中小球藻的生長情況最好，最終獲得的干重為364  mg·L-1。對于污水的凈化，污水濃度為50%時，小球藻對TP和COD的凈化效果最好，去除率分別為53.72%和53.26%；污水濃度為75%時，小球藻對TN和NH4+-N的去除效果最好，去除率分別為63.14%和58.64%�？傮w來看，將污水稀釋為50%時對小球藻凈化污水的促進效果最佳。
　　
　�。�2）采用高溫滅菌、秸稈粉過濾、活性炭過濾等作為不稀釋組的預處理方法，在此基礎上，再將污水稀釋50%作為稀釋組的預處理方法，以不稀釋污水為對照，再利用小球藻對村鎮生活污水做進一步處理。結果表明，各預處理方法均對小球藻凈化污水起到了促進作用，其中沉淀方法對小球藻凈化污水的促進效果較��；在秸稈粉過濾條件下，小球藻的生長速度最快，最終的OD680為0.706，干重達629 mg·L-1，同時對TP的凈化效果也最好，去除率達92.22%；經活性炭過濾后，小球藻對TN的去除效果最好，去除率達93.94%；經高溫滅菌預處理后，小球藻對NH4+-N和COD的去除效果最佳，去除率分別為93.41%和86.21%。最終篩選出對小球藻凈化污水促進效果最明顯的預處理方法是高溫滅菌、秸稈粉過濾和活性炭過濾。
　　
　�。�3）通過正交試驗將高溫滅菌、秸稈粉過濾和活性炭過濾三種預處理方法和環境因子組合，探究了組合方法對小球藻生長以及凈化污水的影響。結果表明，在溫度、光照強度、光照時間和預處理方法四個因素中，溫度對小球藻生長的影響最大，且在溫度為25℃，光照時間為20h，光照強度為6000  lux，預處理方法為秸稈粉過濾條件下，小球藻的生長速度最快，最終獲得的干重為736mg·L-1；預處理方法對小球藻去除污水中的TN、COD和NH4+-N的影響最大，其中在溫度為20℃，光照時間20h，光照強度8000  lux和秸稈粉過濾條件下小球藻對TN的去除率達94.27%；在溫度為30℃，光照時間為12h，光照強度為10000  lux和預處理方法為秸稈粉過濾條件下，小球藻對COD的去除率達89.51%；在溫度為20℃，光照時間為16h，光照強度為8000 lux，預處理方法為秸稈粉過濾條件下，小球藻對NH4+-N的去除率達94.73%。對于TP的去除，溫度是主要影響因素，且在溫度25℃，光照時間16h，光照強度10000 lux，預處理方法為高溫滅菌條件下，小球藻對TP的去除效果最好，去除率為92.35%。
　　
　　本研究提高了小球藻凈化村鎮生活污水的效率，并確定了適合小球藻在西北地區生長的環境條件，為解決當地農村生活污水處理和推動微藻能源產業化發展提供了技術參考。
　　
　　關鍵詞：   村鎮生活污水；小球藻；污水預處理；環境因子。
　　

　　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    緒 論
 

　　
　　1.1、研究背景及意義。
　　
　　隨著我國農村經濟的快速發展，農村生活污水的排放量也隨之增加。據統計，我國大概有69萬個行政村，農村人口約6.74億，生活污水排放量約6400萬噸/日，占全國生活污水排放總量的30%-32%[1-2]。
　　
　　根據我國發布的《2019年中央一號文件》，國家將繼續大力支持鄉村發展，盡快實現農業現代化，并要求從經濟、社會、環境三方面推進農村現代化進程[3-4]。其中就環境方面，開展為期三年的農民居住環境整治，主要包括農村生活污水處理、鄉村容貌整治和廁所革命�？梢�，凈化農村生活污水對推動整個新農村建設至關重要。由于我國西北農村地區居住分散，導致污染源也相對分散；同時，污水處理設施建設滯后、運營管理資金短缺和農民環保意識較薄弱等原因造成我國西北村鎮生活污水處理率低。有數據顯示，中國鄉鎮集中供水率達到81.44%，但污水處理率只有11.38%，其中集中處理率僅為6%[5]
　　
　�。ū�1.1），大量未經處理的生活污水肆意排放到室外空地上，致使農村地表水和地下水嚴重污染，直接威脅著人們的生活環境和飲水安全同時也加劇了淡水資源危機，久而久之不利于農民居住環境的改善和農業生產的發展[6]；加之生活污水中含有大量細菌病毒等，會導致疾病的傳播，極易出現地區性傳染病的流行與傳播，甚至造成人畜共患病等，嚴重阻礙了村鎮經濟的可持續發展[7]。
　　
　　因此農村生活污水處理問題已經成為改善民生、推動社會主義資源節約型新農村建設、實現全面建設小康社會的重要制約因素[8]。
　　

　　

　　
　　目前我國城市污水處理常用的工藝有氧化溝法、生物濾池法、活性污泥法等，雖然技術較成熟，也取得了一定的效果，但也存在一些缺點：（1）基礎建設和運行成本高。如果要建一座日處理量為20萬噸污水的二級污水廠，一次性投資費用約在3億至5億元，年周轉費用可達千萬元[9]。顯然農村地區難以承受如此高的投資費用。（2）污水經污水廠處理后會產生污泥，造成二度污染，且污泥處理成本也很高[10]。（3）操作復雜，難于管理。如活性污泥法導致的污泥膨脹問題就必須讓機器停止運行，之后再啟動會造成很大的經濟損失。污水廠的處理工藝需要專門技術人員管理，農村缺乏專業管理人員和科學管理方法，不能正確使用這些對專業要求高的工藝�；�于上述原因，農村照搬城市的污水處理工藝是行不通的，因此開發高效率、低能耗、低成本的分布式村鎮生活污水處理技術，是解決目前村鎮水資源危機的重要手段之一[11-12]。
　　
　　除了水環境危機，我國也同樣面臨能源危機。目前我國所用的化石燃料主要有石油、天然氣、煤炭，這些均為不可再生能源，正面臨著枯竭的風險。據調查，全球已探明的石油儲備約為1.5×1012t，天然氣儲備約為1.2×1012t，煤炭總量約為5.5×1012t，這些均難以滿足全球經濟可持續發展的使用[13]�；�石燃料資源的日益枯竭給全球經濟發展帶來危機，同時其燃燒產物CO2會造成溫室效應，燃燒的副產物：氮氧化物、硫氧化物等導致空氣污染，從而形成酸雨，這也給全球環境敲響警鐘。因此，尋找能代替的可再生能源已成為每個國家在能源戰略上的主要政策。
　　
　　生物柴油作為一種新型的可再生能源，近年來在世界各國被普遍使用[14]。目前，大多數國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），其中美國主要用大豆油，亞洲地區的越南、老撾、緬甸等國家主要用的是棕櫚油來生產生物柴油，歐洲主要以菜籽油和進口棕櫚油為原料[15-16]。但是大豆、棕櫚等對種植土地要求較高，產量增長潛力有限，此外這些植物油也同樣作為食用油，會造成原料價格高，油價波動大等問題。因此，長遠來看，植物油達不到逐漸增長的生物柴油的生產要求[17]。微藻的細胞分裂繁殖快，可利用太陽能持續獲得生物質，且油脂產率高，是解決油脂來源的重要突破口，被認為是唯一有潛力完全取代石油的生物質資源[18-19]。
　　
　　1957年美國研究學者Oswald和Gotaas首次提出通過微藻治理污水的觀點，距今已有60多年的歷史。隨著科學技術的飛速發展，各國學者針對利用微藻凈化污廢水做了大量探究，并取得很多成果[20-21]。與傳統技術相比，微藻處理污水技術有如下優勢：
　　
　�。�1）成本低，效益高。微藻作為光合自養型微生物，在生長過程中能吸收污水中大量的氮磷合成復雜的有機質，此過程投入的成本比傳統方法低很多。同時利用微藻凈化污水既不占用土地資源，還能實現分散化處理，且不會造成二次污染[22-23]。
　　
　�。�2）低能耗。有研究表明，在去除污水中1kg BOD（生化需氧量）時，利用傳統污水處理方法約耗電力1kw·h，而微藻的光合作用過程是自然發生的，利用微藻去除等量BOD時，不僅不需要消耗電能，還能利用微藻的生物量產生甲烷，生產約1kw·h的電力。
　　
　�。�3）減少溫室氣體的排放。微藻通過光合作用將CO2轉化成碳水化合物、蛋白質、維生素的同時還減少了水和空氣中的CO2，可用下述方程表示：6CO2+6H2O→C6H12O6（4）減少污泥的形成。利用微藻處理污水時不需要添加化學藥劑，避免化學藥劑的殘留，同時也減少了有害污泥的形成[24]。微藻凈化污水后形成的污泥中含有生物質能源，可加工制作成肥料或生物燃料等。
　　
　�。�5）具有富集金屬的能力。微藻能在金屬污染的水區域蓬勃生長，主要是因為微藻可將金屬離子吸收并存于液泡中，另外微藻的細胞壁帶負電荷，能將帶正電荷的金屬離子吸附。
　　
　�。�6）具有廣闊的開發利用前景。微藻細胞含多種蛋白質、維生素和無機鹽等，具有能源價值[25]、藥用價值[26-27]以及飼料價值[28]。因此，利用微藻凈化污水不僅很好地彌補了傳統污水處理工藝的短板，而且自身還具有諸多優點，是解決我國村鎮生活污水的一種有效方法，同時對改善村鎮水生態環境、推動社會主義新農村建設具有重要意義[29]。
　　
　　利用微藻處理污水雖然有諸多優點，但也面臨著一些挑戰，具體表現為：未經處理的生活污水中含有大量的懸浮物和固體顆粒，造成水體透光性差，從而導致微藻的光合作用效率降低；同時污水中還含有大量細菌、寄生蟲等，與微藻之間存在互生、拮抗等復雜的相互關系，阻礙微藻生長；另外，氮磷含量過高也會抑制微藻的生長，從而導致微藻凈化污水的效率較低，因此需要先對污水進行預處理之后才能用于微藻培養。同時外界環境也是影響微藻生長的一個重要因素，微藻生長時的溫度、光照強度不同，其利用污水中的營養物質也不同。本研究針對西北地區的環境特點，探索適用于農村地區利用微藻養殖凈化生活污水的預處理方法，以期為當地農村污水處理和推動微藻產業化發展提供技術支撐。
　　

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　　1.2、國內外研究現狀.
　　1.2.1、 藻種的選擇
　　1.2.2、 影響微藻生長的主要因素
　　1.2.3、微藻凈化污水的預處理方法研究現狀.
　　1.3、 研究內容和方法
　　1.3.1、問題的提出
　　1.3.2、 研究內容
　　1.3.3、 技術路線.
　　
　　第2章  試驗材料與方法
　　
　　2.1、試驗材料.
　　2.1.1、 試驗水樣及水質
　　2.1.2、試驗藻種
　　2.1.3、 培養基
　　2.1.4 、主要儀器及裝置.
　　2.2、試驗方法
　　2.2.1、小球藻培養方法
　　2.2.2、微藻生長速度測定
　　2.2.3、微藻細胞干重的測定，
　　2.2.4、水質測定與數據分析
　　
　　第3章  污水濃度對小球藻生長及其凈化污水的影響.
　　
　　3.1、試驗水質與試驗設計
　　3.1.1、試驗水質
　　3.1.2、試驗設計
　　3.2、污水濃度對小球藻生長的影響
　　3.2.1、小球藻在不同濃度污水中的生長情
　　3.2.2、小球藻在不同濃度污水中的生物質積累情況
　　3.3、污水濃度對小球藻去除污染物的影響
　　3.3.1、小球藻去除總氮的情況.
　　3.3.2、小球藻去除總磷的情況
　　3.3.3、小球藻去除COD的情況
　　3.3.4、小球藻去除氨氮的情況
　　3.4、本章小結.
　　
　　第4章  預處理方法對小球藻生長及其凈化污水的影響
　　
　　4.1、試驗水質與試驗設計
　　4.1.1、試驗水質
　　4.1.2、試驗設計
　　4.2、不同預處理方法凈化污水的效果
　　4.3、預處理方法對小球藻生長的影響
　　4.3.1、預處理方法對小球藻生長速度的影.響.
　　4.3.2、預處理方法對小球藻積累生物質的影響
　　4.4、預處理方法對小球藻凈化污水的影響
　　4.4.1、預處理方法對小球藻去除總氮的影響.
　　4.4.2、預處理方法對小球藻去除總磷的影.響.
　　4.4.3、預處理方法對小球藻去除COD的影響
　　4.4.4、預處理方法對小球藻去除氨氮的影響.
　　4.5、本章小結
　　
　　第5章  預處理方法和環境因子組合對小球藻凈化污水的影響
　　
　　5.1、試驗水質與試驗設計
　　5.1.1 、試驗水質
　　5.1.2 、試驗設計
　　5.2、預處理方法和環境因子組合對小球藻生長情況的影響
　　5.2.1、組合方法對小球藻生長速度的影響
　　5.2.2、組合方法對小球藻生物質積累的影響.
　　5.3、預處理方法和環境因子組合對小球藻凈化污水的影響
　　5.3.1、 組合方法對對小球藻去除總氮的影響.
　　5.3.2、組合方法對對小球藻去除總磷的影響.
　　5.3.3、 組合方法對對小球藻去除COD的影響
　　5.3.4、組合方法對對小球藻去除氨氮的影響.
　　5.4、 本章小結

　　第6章   結 論

　　本研究通過采用稀釋、過濾、高溫滅菌等不同預處理方法來提高小球藻凈化村鎮生活污水的效率，并確定三種凈化效果較好的預處理方法，在此基礎上利用正交試驗，分析預處理方法和溫度、光照等環境因子耦合對小球藻凈化污水的影響，進一步提高小球藻凈化污水的效率。主要研究結果如下：

　�。�1）小球藻在濃度為25%、50%、75%和100%的村鎮生活污水中均能生長，其中在濃度為50%的污水中生長情況最好，且在培養結束后獲得的干重也最多，為364  mg；但在濃度為25%和100%污水中生長受到抑制，具體表現為小球藻有較長的適應期且對數增長期的生長速度較慢，特別是在100%的污水中小球藻的生長抑制最明顯，最終的光密度值為0.251，干重僅為163 mg。對于污水中的TP和COD的去除，在污水濃度為50%時，小球藻對它們去除效果最明顯，去除率可達53%左右，對于污水中的TN和NH4+-N，污水濃度為75%時，小球藻對它們的凈化效果最好，去除率分別達到63%和58%左右。

　�。�2）為了進一步提高微藻凈化村鎮生活污水的效率，先用過濾、滅菌等方法對村鎮生活污水進行預處理再利用小球藻對污水做進一步凈化，結果顯示各預處理方法均對小球藻凈化污水起到了促進作用。在秸稈粉過濾預處理條件下，小球藻的生長速度最快，最終的OD680為0.706，干重達629 mg·L-1， 同 時 對TP的凈 化 效 果 最 好 ， 去 除 率 達92.22%； 經 活 性 炭 過 濾 后 ， 小 球 藻 對TN的去 除 率 達93.94%，經高溫滅菌預處理后，小球藻對NH4+-N和COD的去除率分別為93.41%和86.21%，最終篩選出對小球藻凈化污水促進效果較明顯的預處理方法：高溫滅菌、秸稈粉過濾和活性炭過濾。

　�。�3）采用正交試驗研究環境因子和預處理方法組合對小球藻凈化污水的影響，發現小球藻在不同的組合方法中均能較好生長且污水中各污染物的指標進一步下降。在溫度、光照強度、光照時間和預處理方法四個因素中，溫度對小球藻生長的影響最大，且在溫度為25℃，光照時間為20h，光照強度為6000  lux，預處理方法為 秸 稈粉過濾 條件下 ，小球藻 生長 地最好，最終獲得 的干重為736mg·L-1；預處理方法對小球藻去除污水中的TN、COD和NH4+-N的影響最大，其中在溫度為20℃，光照時間20h，光照強度8000 lux和秸稈粉過濾條件下小球藻對TN的去除率達94.27%；在溫度為30℃，光照時間為12h，光照強度為10000 lux和預處理方法為秸稈粉過濾條件下，小球藻對COD的去除率達89.51%；在溫度為20℃，光照時間為16h，光照強度為8000  lux，預處理方法為秸稈粉過濾條件下，小球藻對NH4+-N的去除率達94.73%。對于TP的去除，溫度是主要影響因素，且在溫度為25℃，光照時間16h，光照強度10000 lux，預處理方法為高溫滅菌條件下，小球藻對TP的去除效果最好，去除率達92.35%。

　　參考文獻