一种养殖废水的菌藻共生处理剂及其制备方法和应用

1.本技术涉及废水处理技术领域，具体涉及一种养殖废水的菌藻共生处理剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.畜禽养殖业是农村经济的支柱产业，在保障人民食物安全、增加农民收入等有极其重要的意义。但畜禽养殖业在提供肉食蛋白的同时，也给周边生态环境和居民健康带来了严重威胁，每年畜禽养殖的废水排放量超过100亿吨，远远超过全国工业废水与生活污水排放量总和。据第一次中国污染源普查公告，在全国排放的废水cod、总氮和总磷中，农业污染源分别占了43.7％、57.2％和67.4％，而畜禽养殖业的污染分别占到农业污染源的96％、38％和56％。尤其是作为世界第一大国的养猪业，因各种因素，传统的废水处理工艺出水水质很难达标排放。
3.微藻作为食物链营养级中的初级生产者，通过吸收大量的氮、磷维持其生长与增殖过程，并通过光合作用，固定二氧化碳，实现二氧化碳减排，因而其自身的生长增殖过程就是对水中氮、磷的去除过程，实现降低水中氮、磷含量的效果。同时，微藻通过生物絮凝剂进行收集，回收的微藻可以提炼生物柴油，既显著提高了畜禽废水资源化利用效率，又为解决国家能源短缺问题提供了更多的解决方案。因此，利用微藻实现养殖废水的资源化处理具有良好的前景。
4.微藻培养体系并非是仅仅微藻在工作，体系中的微生物在有机物的分解过程中起着重要的作用。藻菌共生系统不仅可以进行光合增氧，减少废水处理的曝气成本，还能减少废水处理过程中的温室气体排放。近年来很多学者对藻菌共生系统光合增氧功能、废水脱氮除磷、有机物生物降解等方面进行了深入的探索。
5.然而，目前使用菌藻共生体系在处理养殖废水时，人们需要先将微藻接种到养殖废水中培养至对数生长期，然后再投入设定量的净化细菌，由此构建的菌藻共生体系对养殖废水的处理效果有限，而且操作步骤繁琐，使得养殖废水的处理效率较低。


技术实现要素：

6.为了简化养殖废水的处理步骤，本技术提供一种养殖废水的菌藻共生处理剂及其制备方法和应用，该菌藻共生处理剂利用微藻与取自养殖废水的细菌配制成一个相对稳定的菌藻共生体系，其可以直接投入养殖废水中进行废水处理，能有效去除养殖废水中的cod、总氮和总磷，实现了资源的循环利用，具有良好的使用便利性和净水效果。
7.第一方面，本技术提供一种养殖废水的菌藻共生处理剂，每升所述菌藻共生处理剂包括以下组分：吸附载体100-150g、微藻20-50mg、菌种液50-80ml，用蒸馏水定容至1l；所述菌种液取自养殖废水，所述菌种液中菌种的浓度为10
7-109cfu/ml。
8.本技术按上述配比将微藻和菌种液与吸附载体配合，利用微藻光合作用产生的氧气对菌种进行发酵，以此能够形成一个相对稳定的菌藻共生体系，其可以直接投入养殖废
水中进行废水处理，菌种无需等微藻培养至对数生长期再加入，在此基础上，选用取自养殖废水的细菌能免去细菌适应环境的阶段，由此能使微藻和菌种更好地发挥作用，有效去除养殖废水中的cod、总氮和总磷，实现了资源的循环利用，具有良好的使用便利性和净水效果。
9.优选的，所述微藻为小球藻、葡萄藻和栅藻的混合物。
10.优选的，所述小球藻、葡萄藻和栅藻的重量比为2:1:2。
11.通过采用上述技术方案，小球藻既可以进行自养又可以进行异养，其对水体中的氮、磷具有比较高的吸收能力，但其光合作用容易受培养通气量的影响；葡萄藻是自营型微体浮游藻类，其生长迅速，能增加小球藻之间的间隔，为溶解氧提供充足的流通通道；栅藻繁殖迅速且适应性强，其细胞内叶绿素含量高，由此能大量生产氧气以加快养殖废水中的气体流通效率。由此，三种微藻相辅相成，使体系中维持有较高含量的活微藻和活菌种含量，能有效发挥净水作用。其中，当小球藻、葡萄藻和栅藻的重量比为2:1:2时，其制得的菌藻共生处理剂具有更高的微藻和菌种的含量增长率，对养殖废水中的cod、总氮和总磷的去除率明显高于其他重量比，因此将其作为进一步的优选。
12.优选的，所述吸附载体为甘蔗废渣粉和膨化玉米粉的混合物。
13.优选的，所述甘蔗废渣粉与膨化玉米粉的重量比为9:1。
14.通过采用上述技术方案，因菌种的结构往往比微藻小，其与微藻混合时，容易与微藻发生分层。对此，本技术使用甘蔗废渣粉为菌种提供支撑，菌种附着在甘蔗废渣粉表面形成菌种团，相对于将菌种游离在处理剂中，菌种团能减少菌种与微藻之间发生竞争，菌种团中的菌种能有效吸收甘蔗废渣粉中的养分进行繁殖；在此技术上，本技术使用膨化玉米粉增加菌藻共生体系的粘性，从而有效增加了菌藻共生处理剂中各组分的稳定性。相对于其他增稠剂，本技术使用的膨化玉米粉也能为微藻和菌种提供养分，有助于微藻和菌种在其形成的菌藻共生体系中具有一定的有效活性，以便于将其进行存储和运输。
15.第二方面，本技术提供一种菌藻共生处理剂的制备方法，包括以下步骤：取适量蒸馏水，加入吸附载体100-150g，搅拌至分散均匀，加入微藻20-50mg和菌种液50-80ml，边搅拌边用蒸馏水定容至1l，先在室温下静置处理15-30min，随后在0-4℃的温度下存储备用。
16.本技术的菌藻共生处理剂在定容后在室温下静置处理，便于菌种稳定附着在甘蔗废渣粉上，微藻则为菌种的繁殖提供氧气，由此制得的菌藻共生处理剂具有更好的体系稳定性。
17.第三方面，本技术提供一种养殖废水的处理方法，使用所述的菌藻共生处理剂。
18.优选的，所述养殖废水的处理方法包括以下步骤：对养殖废水进行曝气处理，使养殖废水中的氨氮浓度≤100mg/l，经过滤后获得处理液；往处理液中加入菌藻共生处理剂，经光照培养后收获培养液。
19.通过采用上述技术方案，由于养殖废水的氨氮浓度会在一定程度上影响微藻的生长，本技术将其氨氮浓度限定在适于微藻生长的条件下，有助于本技术的菌藻共生处理剂更好地发挥作用。
20.优选的，所述菌藻共生处理剂的添加量为所述处理液体积的5-15％。
21.通过采用上述技术方案，微藻和菌种的含量在一定程度上会菌藻共生处理剂的处
理效果，因此菌藻共生处理剂的添加量不宜过高或过低，以5-15％为宜。
22.优选的，所述光照培养在密闭环境中培养。
23.通过采用上述技术方案，密闭环境有助于微藻和菌体在养殖废水中快速形成菌藻共生体系进行废水处理，与此同时还能阻止菌藻培养过程产生的二氧化碳等气体排出，提高资源的利用率。
24.综上所述，本技术具有以下有益效果：1、本技术的菌藻共生处理剂利用微藻与取自养殖废水的细菌配制成一个相对稳定的菌藻共生体系，其可以直接投入养殖废水中进行废水处理，能有效去除养殖废水中的cod、总氮和总磷，实现了资源的循环利用，具有良好的使用便利性和净水效果；2、本技术中微藻优选为小球藻、葡萄藻和栅藻的混合物，三种微藻相辅相成，能有效去除养殖废水中的cod、总氮和总磷，具有更为优异的净水效果；3、本技术中吸附载体优选为甘蔗废渣粉和膨化玉米粉的混合物，能有效增加菌藻共生处理剂中各组分的稳定性，便于进行存储和运输；4、本技术菌藻共生处理剂在制备时置于室温条件下静置处理，便于菌种稳定附着在甘蔗废渣粉上，其中的微藻则为菌种的繁殖提供氧气，由此制得的菌藻共生处理剂具有更好的体系稳定性。
具体实施方式
25.原料来源1、藻种来源小球藻(chlorella vulgaris)来源于中科院水生生物研究所的淡水藻种库，编号为：fachb1068；葡萄藻(botryococcus braunii)来源于中科院水生生物研究所的淡水藻种库，编号为：fachb 765；栅藻(desmodesmus sp.chxl)由课题组从养猪废水中分离获得，其分离方法为现有技术，且不是本技术主要保护的技术，因此不再进一步展开。
26.2、养殖废水本技术的养殖废水以养猪废水为例进行说明，该养猪废水来源于浙江省杭州某生态养殖场的稳定塘。除此之外，养殖废水还可以为养鸡废水、养鸭废水等，不同养殖对象对应的菌藻共生处理剂中，其使用的菌种液随之对应改变。
27.本技术中养殖废水对应的菌藻共生处理剂中，其使用的菌种液取自养猪废水。具体操作方法为：取养猪废水用纱布除去养猪废水中的大颗粒物质，随后用0.45μm滤膜除去多余水分以浓缩废水，使得该废水中菌种浓度为10
7-109cfu/ml。
28.以下结合实施例、对比例和应用例对本技术作进一步详细说明。实施例
29.实施例1一种养殖废水的菌藻共生处理剂，其制备方法包括以下步骤：取适量蒸馏水，加入吸附载体120g，搅拌至分散均匀，加入微藻30mg和菌种液60ml(允许在50-80ml的范围内波动)，边搅拌边用蒸馏水定容至1l，先在室温(25℃)下静置处理20min(允许在15-30min的范围内波动)，随后在0-4℃的温度下存储备用；其中，吸附载体由108g甘蔗废渣粉(过60目筛网)和12g膨化玉米粉12g混合而成；
微藻由12mg小球藻、6mg葡萄藻和12mg栅藻混合而成；菌种液中菌种的浓度为2.1
×
108cfu/ml。
30.实施例2-10实施例2-10在实施例1的方法基础上，对组分用量进行调整，具体调整情况参见下表一。表一 实施例1-10的组分配料表 实施例1实施例2实施例3实施例4甘蔗废渣粉/g10890117135膨化玉米粉/g12101315小球藻/mg1281620葡萄藻/mg64810栅藻/mg1281620菌种液/ml60506080
31.对比例对比例1本对比例在实施例1的基础上，未添加吸附载体，即未添加甘蔗废渣粉和膨化玉米粉。
32.对比例2本对比例在实施例1的基础上，在制备菌藻共生处理剂时未进行静置处理。
33.稳定性试验将实施例1-4以及对比例1-2制得的菌藻共生处理剂作为样品，放在温度为25℃、光照强度为6000lux的环境中，观察第1、3、5、7天时样品是否出现沉淀。检测结果参见下表二，其中越晚出现沉淀，说明菌藻共生处理剂的各组分更加稳定，更利于存储和运输。表二 实施例1-4以及对比例1-2的稳定性结果
34.结合表二，实施例1-4的菌藻共生处理剂出现沉淀的时间均晚于对比例1，可见本技术的菌藻共生处理剂采用吸附载体将微藻与取自养殖废水的细菌配制成一个相对稳定的菌藻共生体系，其具有良好的组分稳定性，可以直接投入养殖废水中进行废水处理，实现了资源的循环利用，提高了菌藻共生体系的使用便利性。
35.其中，对比例2的稳定性不及实施例1的稳定性，这可能是由于在室温下静置处理的操作步骤，便于菌种稳定附着在甘蔗废渣粉上，微藻可以为菌种的繁殖提供氧气，由此制得的菌藻共生处理剂具有更好的体系稳定性，具体更长的时间进行存储和运输。
36.有效活性试验将实施例1-4以及对比例1-2制得的菌藻共生处理剂作为样品，将样品放在温度为4℃、无光照(黑暗)的环境中进行存储，分别测定样品存储第1天和第7天时的活微藻以及活菌种含量，其中微藻和菌种的含量测定采用计数板进行记录，计算微藻和菌种的含量变化率(变化率％＝(第7天含量-第1天含量)/第1天含量
×
100％)，检测结果参见下表三，其中“﹢”表示含量增加，
“‑”
表示含量减少。表三 实施例1-4以及对比例1-2的有效活性结果 微藻含量变化率/％菌种含量变化率/％实施例1+10.6+6.2实施例2+8.9+4.6实施例3+9.3+5.0实施例4+4.7+1.1对比例1-5.5-11.3对比例2+7.6+3.2
37.结合表三，实施例1-4的微藻和菌种含量变化率都是“﹢”，且实施例1中活微藻和活菌种的含量增加最多。相对地，对比例1中因未添加吸附载体而使得活微藻和活菌种含量降低，而对比例2中未静置处理的活微藻和活菌种含量也不及实施例1。可见本技术的吸附载体能保证微藻和菌种的有效活性，由此获得的菌藻共生处理剂较为稳定，能保证处理剂具有良好的处理效果。另外，在制备该菌藻共生处理剂时，采用静置处理有助于微藻和菌种的体系更为稳定，由此获得更高含量的活微藻和活菌种。
38.净水效果试验将实施例1-4以及对比例1-2制得的菌藻共生处理剂作为样品，对养猪废水进行处理，处理方法包括以下步骤：对养猪废水进行曝气处理，设置曝气量为1.0l/min，使养猪废水中的氨氮浓度≤100mg/l，本实施例中养猪废水经曝气处理后的氨氮浓度为96mg/l，经80目筛网过滤后获得处理液；将处理液放置于密闭培养容器中，该往处理液中加入菌藻共生处理剂，菌藻共生处理剂的添加量为所述处理液体积的10％，进行光照培养，培养温度为25℃，光照强度为8000lux，总培养时间为5天收获培养液。
39.取培养液测定其中的cod、总氮和总磷的去除率，测定结果参见下表四。表四 实施例1-4以及对比例1-2的净水效果 cod去除率/％总氮去除率/％总磷去除率/％实施例1100.094.382.5实施例297.790.279.3实施例399.193.081.2实施例498.591.880.5对比例187.272.062.0对比例292.085.575.3
40.结合表四，实施例1-4均具有较高的cod、总氮和总磷的去除率，而对比例1和对比例2的去除率较低，可能是由于对比例中的微藻和菌体未能形成稳定的体系，进而导致其应
用到养殖废水中微藻和/或菌体难以有效繁殖进行废水处理。
41.综上，本技术的菌藻共生处理剂具有良好的组分稳定性，可以直接投入养殖废水中进行废水处理，能有效去除养殖废水中的cod、总氮和总磷，具有良好的使用便利性和净水效果。其中在实施例1-4中，实施例1的组分稳定性和净水效果更为优异，因此本技术将实施例1作为优选实施例。
42.实施例5-8实施例5-8在实施例1的方法基础上，对吸附载体的组分和用量进行调整，具体调整情况参见下表五。表五 实施例1、5-8的吸附载体的配料表(单位为g) 实施例1实施例5实施例6实施例7实施例8甘蔗废渣粉10890115//小麦秸秆粉///108108膨化玉米粉1230512/羧甲基纤维素钠////12
43.性能试验将实施例5-8制得的菌藻共生处理剂作为样品，进行如上稳定性试验、有效活性试验和净水效果试验，试验结果参见下表六。表六 实施例1、5-8的试验结果
44.结合表六，实施例5、7和8的组分均较为稳定，但其微藻和菌种的含量变化率以及cod、总氮和总磷的去除率均不如实施例1，实施例6的性能均不及实施例1。可见本技术的吸附载体由甘蔗废渣粉与膨化玉米粉按重量比为9:1进行配置时，其对养殖废水的净水效果更为优异。这可能是由于若膨化玉米的用量过多，会增加体系的粘性，影响微藻和菌种生长，若在若膨化玉米的用量过少，则难以形成稳定体系。
45.另外，择优选择甘蔗废渣粉与膨化玉米的组合，这可能是本技术的菌藻共生处理剂中，甘蔗废渣粉不但可以为菌种提供支撑以形成菌种团，还可以为微藻和菌种提供更多的养分进行生长繁殖，其中甘蔗废渣粉对菌种生长繁殖的影响较大，膨化玉米粉同样可以为微藻和菌种的生长繁殖提供养分，由此获得的菌藻共生处理剂保持有较高的活性，其投入养殖废水中能快速发挥作用。
46.实施例9-14实施例9-14在实施例1的方法基础上，对微藻的组分和用量进行调整，具体调整情况参见下表七。表七 实施例1、9-14的吸附载体的配料表(单位为g)
47.性能试验将实施例9-14制得的菌藻共生处理剂作为样品，进行如上稳定性试验、有效活性试验和净水效果试验，其中稳定性试验中实施例9-14的菌藻共生处理剂均未出现沉淀，净水效果参见下表八。表八 实施例1、9-14的净水结果
48.结合表八，实施例1的微藻和菌种的含量增长率以及cod、总氮和总磷去除率明显高于实施例9-14，可见本技术中微藻优选为小球藻、葡萄藻和栅藻的混合物，三种微藻相辅按重量比为2:1:2进行配置时，能有效去除养殖废水中的cod、总氮和总磷，具有更为优异的净水效果。
49.应用例本技术的应用例优选实施例1的菌藻共生处理剂，对养猪废水进行处理，其处理方法参照上述净水效果试验。
50.应用例1-4应用例1-4在实施例1的净水效果试验的方法基础上，对菌藻共生处理剂的添加量进行调整。其中，应用例1的添加量为5％；应用例2的添加量为10％(即为实施例1的净水效果试验)；应用例3的添加量为15％；应用例4的添加量为20％。净水效果参见下表九。表九 应用例1-3的净水结果 cod去除率/％总氮去除率/％总磷去除率/％应用例192.588.275.8应用例2100.094.382.5应用例3100.095.784.3应用例4100.095.884.5
51.结合表九，应用例1因添加量较少，其对养殖废水中的cod、总氮和总磷去除率相对较低，随着添加量的增加，菌藻共生处理剂的cod、总氮和总磷去除率呈先上升后趋于平稳的趋势，为了降低使用成本，本技术优选5-15％的添加量，进一步优选10％的添加量(应用
例3)。
52.应用例5本应用例在应用例3的基础上，将密闭环境培养调整为开放环境培养。其收获的培养液中，cod去除率为99.5％，总氮去除率为93.6％，总磷去除率为81.7％。可见本应用例的净水效果略低于应用例3，可见密闭环境有助于微藻和菌体在养殖废水中快速形成菌藻共生体系进行废水处理。此外，应用例3的密封环境还能阻止菌藻培养过程产生的二氧化碳等气体排出，提高资源的利用率。
53.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。