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养殖废水的氮磷去除方法

文献发布时间：2023-06-19 18:53:06

技术领域

本发明涉及环保技术领域，尤其涉及水体治理技术领域，更加涉及养殖废水的氮磷去除方法。

背景技术

氮、磷是生物生长的必要营养元素，但若水体中含量过多会产生极大的危害。其中最大的危害即为引起水体富营养化。目前，污水脱氮除磷主要有化学法和生物法两种。

化学除磷是通过向废水投加化学药剂沉淀剂，与水体中的磷酸盐反应生成难溶沉淀物，然后从废水中分离去除。常用的沉淀剂有石灰、铝盐、铁盐、石灰与氯化铁的混合物等。其缺点是沉淀过程中产生的金属磷酸盐和金属氢氧化物等最终形成污泥，增加污泥量。且污泥处理成本高，同时所投加的钙盐、铝盐、铁盐也需要成本。

生物除磷是通过微生物摄取入细胞内通过排泥从污水中去除。强化生物除磷(EBPR)工艺是通过微生物大量吸收水中溶解性的磷酸盐从而去除磷的活性生物污泥系统，其去除量超过自身代谢繁殖所需的磷量。

养殖废水COD、总氮、总磷浓度较高，其次含有激素、抗生素等化合物，处理难度较大，对微生物具有一定的抑制作用从而限定了生物法的处理效果。传统工艺流程复杂，回流比大，耗能多，运营成本较高，工艺耐冲击负荷能力低、脱氮除磷效果不稳定是限制多数生物脱氮除磷工艺广泛应用的主要原因。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种养殖废水的氮磷去除方法，此方法可有效去除水质中的氮磷，产生的污泥量更低，更易进行泥水分离，避免了传统技术中聚磷菌和反硝化菌对碳源的竞争，实现一碳多用，可减少碳源的投加量。

为实现上述目的，本发明提供了养殖废水的氮磷去除方法，包括步骤：

(1)制备竹炭生物炭

将楠竹切割后于惰性气体中烧制、筛分得竹炭颗粒，将所述竹炭颗粒浸洗、干燥得竹炭生物炭；

(2)改性竹炭生物炭

将所述竹炭生物炭浸泡于含有镁盐和铁盐的混合溶液中振荡，再过滤、干燥；

(3)制备固定化反硝化聚磷菌

于无菌条件下，将反硝化聚磷菌浓缩液和预先灭菌的所述改性竹炭生物炭混合并搅拌以形成混合液，将所述混合液制成固定化小球并冷却静置得固定化反硝化聚磷菌，所述反硝化聚磷菌浓缩液包括反硝化聚磷菌，所述反硝化聚磷菌为不动杆菌；

(4)氮磷去除

将所述固定化反硝化聚磷菌置于EBPR系统中，并对所述养殖废水进行净化处理。

与现有技术相比，本发明的养殖废水的氮磷去除方法至少具有下述技术效果。

(1)选择竹炭生物炭作为菌的固定化载体，楠竹是一种多孔性材料，经过高温烧制后细胞壁炭化，可以形成类似六角形的孔隙，孔隙分布丰富，比面积大，吸附力强，具有独有的多孔性能和较多碱性官能团结构。其炭质气孔和碱性官能团能有效地吸附水体的氮、磷化合物，也可以将菌固定在生物竹炭上，以去除水体中的污染物。

(2)竹炭生物炭可以吸附水中的磷酸盐离子，附着在生物炭表面的镁盐和铁盐中的铁、镁离子可以将磷酸盐转化成不溶态的沉淀而进一步使水体中的氮、磷污染降低。

(3)采用反硝化聚磷菌，可实现水体中总磷和硝酸盐有效去除，避免了传统技术中聚磷菌和反硝化菌对碳源的竞争，实现一碳多用，减少碳源的投加量，并达到环境治理的目的；该方法简单高效。

(4)养殖废水具有高COD，高氨，高悬浮物，且具有激素、抗生素等对微生物有抑制作用的化合物，同时在实际情况中，养殖废水中的聚糖菌和反硝化聚磷菌存在竞争关系，聚糖菌的过度繁殖会抑制反硝化聚磷菌的生长从而导致系统中除磷效果的恶化。本发明将反硝化聚磷菌采用改性竹炭生物炭进行固定，可以提高反硝化聚磷菌抗冲击负荷能力和对极端环境的耐受能力，还可以避免反硝化聚磷菌随出水流失以维持较高的浓度，从而产生更少的污泥，更易于泥水分离，对水体中的氮、磷去除效果更佳。

在一些实施方案中，所述惰性气体包括氮气、氩气、氦气和氖气中的至少一种，所述惰性气体的气流量的300～500mL/min，所述烧制的温度为700～1000℃，烧制时间为0.5～3h，升温速率为5～15℃/min。

在一些实施方案中，所述筛分采用100目筛，且筛分后得所述竹炭颗粒的粒径为0.15～0.18mm。

在一些实施方案中，所述竹炭颗粒采用水浸洗至浸出液的pH值恒定，并采用100～120℃的恒温箱干燥20～40min。

在一些实施方案中，所述镁盐为0.4～0.6mol/L的氯化镁，所述铁盐为0.01～0.05mol/L的氯化铁。

在一些实施方案中，所述反硝化聚磷菌为不动杆菌Acinetobacter sp，来源于厌氧区活性污泥。

在一些实施方案中，所述反硝化聚磷菌依次经厌氧区活性污泥分离纯化、筛选、鉴定而得。

在一些实施方案中，所述反硝化聚磷菌浓缩液的制备包括于无菌条件下，将所述反硝化聚磷菌接种到富磷培养基中得菌液，将所述菌液离心后得菌体并依次采用碳酸氢钠溶液、无菌水冲洗，再转移至缺磷培养基中培养后离心。

在一些实施方案中，所述固定化小球以海藻酸钠和聚乙烯醇作为包埋剂加入CaCl

在一些实施方案中，所述EBPR系统通过好氧、厌氧循环处理而净化所述养殖废水，所述养殖废水中的N/P比控制在8以上。

具体实施方式

本发明的养殖废水的氮磷去除方法，包括步骤(1)制备竹炭生物炭、步骤(2)改性竹炭生物炭、步骤(3)制备固定化反硝化聚磷菌和步骤(4)氮磷去除。

其中，步骤(1)制备竹炭生物炭包括将楠竹切割后于惰性气体中烧制、筛分得竹炭颗粒，将竹炭颗粒浸洗、干燥得竹炭生物炭。

具体的，可将楠竹切割成长度约为5～10cm，宽度约2～3cm的细条竹片。楠竹可于马弗炉中进行烧制，惰性气体包括氮气、氩气、氦气和氖气中的至少一种，惰性气体的气流量的300～500mL/min。烧制的温度为700～1000℃，烧制时间为0.5～3h，升温速率为5～15℃/min。烧制结束后，可继续通入惰性气体进行将至室温而取出。筛分采用100目筛，且筛分后得所述竹炭颗粒的粒径为0.15～0.18mm。竹炭颗粒采用水浸洗至浸出液的pH值恒定，并采用100～120℃的恒温箱干燥20～40min。干燥之后冷却至室温并装入密封箱内干燥储存。

步骤(2)改性竹炭生物炭包括将竹炭生物炭浸泡于含有镁盐和铁盐的混合溶液中振荡，再过滤、干燥。

其中，镁盐为0.4～0.6mol/L的氯化镁，铁盐为0.01～0.05mol/L的氯化铁，控制混合溶液的pH值为6。振荡时可于恒温箱中进行，干燥可于100～120℃的真空干燥箱中进行。

镁盐和铁盐中的铁、镁离子可以和磷酸盐发生如下反应而将磷酸盐转化成不溶态的沉淀而进一步降低养殖废水中的氮、磷含量。

步骤(3)制备固定化反硝化聚磷菌包括于无菌条件下，将反硝化聚磷菌浓缩液和预先灭菌的改性竹炭生物炭混合并搅拌以形成混合液，将混合液制成固定化小球并冷却静置得固定化反硝化聚磷菌，反硝化聚磷菌浓缩液包括反硝化聚磷菌，反硝化聚磷菌为不动杆菌。

其中，反硝化聚磷菌为不动杆菌Acinetobacter sp，其可来源于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的不动杆菌属Acinetobacter sp，也可来源于厌氧区活性污泥。具体的，反硝化聚磷菌依次经厌氧区活性污泥分离纯化、筛选、鉴定而得，反硝化聚磷菌的制备可以但不限于包括下述过程。

①菌株的分离和纯化

取10g洗涤后的厌氧区活性污泥接种到已灭菌200mL的牛肉膏蛋白胨液体培养基中，30℃下培养2d，形成泥水混合液，进行后续批处理培养。取1mL培养驯化后活性污泥于盛有9mL无菌水的三角瓶中，充分振荡使其混合均匀。然后按比例稀释，分别得到10

其中，牛肉膏蛋白胨培养基(以1000mL计)包括蛋白胨10g、牛肉膏3g、氯化钠5g、琼脂20g，pH值为7.2。

聚磷菌分离培养基(以1000mL计)包括CH

②菌株的筛选

选取已分离纯化后得到的单菌落菌株，在缺磷培养基中进行预培养。接种后的培养液在30℃，140r·min

缺磷培养基(以1000mL计)包括无水乙酸钠3.32g、Na

富磷培养基基(以1000mL计)包括无水乙酸钠3.32g、KH

硝酸盐还原产气实验中采用的硝酸盐还原产气培养基(以1000mL计)包括硝酸钾1g、K

③鉴定

i菌株DNA提取

将菌株生长在空白LB固体培养基培养2～3d，通过刀片刮去表面的菌株放入研磨皿中研磨后的菌粉放入1.5ml离心管中，分别加入0.2ml的磷酸缓冲液(PBS，pH7.4)，涡旋器上振荡10min。12000×4℃离心2min，然后重复加入0.2ml的PBS，共洗涤3次。提取的DNA采用Promega基因组DNA纯化试剂盒，按照操作说明进行纯化。

ii PCR扩增

将纯化所得DNA进行适当稀释后作为模板，使用16SrDNA中V3区特异性引物扩增目的片段。扩增前预先测定和调整各模板的DNA浓度，使不同样品尽可能以等量DNA作为模板进行PCR扩增。每100μl反应体系中正反向引物浓度为0.1μmol/L，每种dNTP的浓度为0.2mmol/L，Taq酶含量为5U，并设置阴性对照。为提高扩增产物的特异性，使用热启动降落PCR，反应条件为94℃5min，冷却至80℃时加入Taq酶，65℃退火30s，以后每个循环温度降低1℃，直至退火温度为55℃，72℃1min延伸。并且在55℃进行15个循环，72℃最终延伸7min，扩增产物用1.5％琼脂糖检验。

iii DGGE条带的序列测定、同源性比较

将PCR扩增后的DNR产物送入华大基因(广州)进行测序，将所得序列提交到GenBank数据库，用Blast软件在GenBank数据库中进行相似性比较，获取同源性较高的相关菌株的16S rRNA基因序列。

经过分离鉴定，上述分离到的反硝化聚磷菌及菌株号分别为不动杆菌属Acinetobacter sp(菌株号ac1688)。

其中，反硝化聚磷菌浓缩液的制备包括于无菌条件下，将反硝化聚磷菌接种到富磷培养基中得菌液，将菌液离心后得菌体并依次采用碳酸氢钠溶液、无菌水冲洗，再转移至缺磷培养基中培养后离心。固定化小球以海藻酸钠和聚乙烯醇作为包埋剂加入CaCl

步骤(4)氮磷去除包括将固定化反硝化聚磷菌置于EBPR系统中，并对述养殖废水进行净化处理。

其中，EBPR系统可采用常规的EBPR水处理系统，例如包括气泵、若干曝气管、固定化反硝化聚磷菌、搅拌器、温度计、pH计、取样口、出料口等部件。由于EBPR系统并非为本申请的保护重点，故在此不再进行赘述。

EBPR系统通过循环进行好氧、厌氧处理而净化养殖废水，好氧处理时控制OD为2～5mg/L，先经好氧处理3h，沉淀15min后，再进行厌氧搅拌处理2.5h，控制厌氧OD低于0.5mg/L。EBPR系统处理时宜控制pH值为7～9，当pH值大于9时，于系统中加入酸，当pH值小于7时，于系统中加入碱。

另外，养殖废水的N/P比大于8，此条件下脱氮除磷的效果非常明显，N/P比可通过于废水中加入含氮的盐或含磷的盐进行调控，含氮的盐可以但不限于为硝酸钠、硝酸钾，含磷的盐可以但不限于为磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠。固定化反硝化聚磷菌的投加量为0.1～2/100，作为示例，固定化反硝化聚磷菌的投加量可以但不限于为0.1:100、0.2:100、0.3:100、0.4:100、0.5:100、0.6:100、0.7:100、0.8:100、0.9:100、1.0:100、1.1:100、1.2:100、1.3:100、1.4:100、1.5:100、1.6:100、1.7:100、1.8:100、1.9:100、2.0:100。

为更好地说明本发明的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。需说明的是，下述实施所述方法是对本发明做的进一步解释说明，不应当作为对本发明的限制。本发明的实施例中所涉及的原料除特殊说明可皆为市售。

实施例1

本实施例的养殖废水的氮磷去除方法，包括如下步骤。

(1)制备竹炭生物炭

购东莞某建材市场的楠竹，将其洗净风干，切割成长度约为5～10cm，宽度约2～3cm的细条竹片，置于马弗炉中烧制，以400mL/min的气流量向炉内通入氮气，使炉内厌氧，以10℃/min的速率将马弗炉升温至800℃，保持恒温热解1h，然后再通入氮气，当温度降到室温后取出。将烧制后取出的生物炭粉碎后过100目筛，取粒径在0.15mm～0.18mm之间的竹炭颗粒。用蒸馏水反复浸洗，至前后两次浸出液的pH值恒定，放入105℃的恒温烘箱干燥30min，待冷却至室温后装入密封袋内储存于干燥器中备用。