一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法

1.本发明属于生物技术领域，具体涉及一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法。


背景技术：

2.当今社会，随着工业化加速发展和生活水平的提高，人均肉类、蛋奶消费量不断增长，这促进了食品结构发生逐步以动物为主的转变。养猪业在我国农业发展中占比较大，畜禽养殖业已成为农村经济发展的支柱性产业，但其产生的环境危害也十分严峻。据2020年《第二次全国污染源普查公报》数据显示，集约化畜禽养殖场水污染物排放量为化学需氧量(cod)604.83万吨，总氮(tn)37.00万吨，总磷(tp)8.04万吨，分别占畜禽养殖业总排放量的60.5％、62.0％和67.2％。这些污染物若不经处理直接排放，会对周围环境和人类造成不可逆的危害。因此，畜禽废水的资源化利用、无害化处理对推进黄河流域生态保护与环境治理，并进一步落实碳达峰、碳中和的目标要求有重大意义。
3.利用微藻处理养猪沼液废水是无害化、稳定化及资源化的一种处理方式，然而该方法在实际运用中还存在一些问题，主要包括以下几个方面：废水水质复杂，沼液中通常含有部分抗生素，这些抗生素被广泛用于生猪的饲养过程，但是吸收率却极低并无法被厌氧发酵有效降解；沼液废水中含有较高浓度的nh
4+-n，当nh
4+-n的浓度过高时会影响微藻的渗透压进而对微藻产生毒害作用；沼液废水的c/n较低，可生化性较差，失衡的c/n不利于微生物对废水中营养成分的吸收转化；传统的微藻处理体系主要是悬浮式处理体系，该体系中的微藻细胞悬浮于水中，生物密度较低从而导致对污染物质耐受阈值较低，其收获难且成本较高。
4.微藻生物膜处理是一种具有收获简便、生物密度高、耐受污染物阈值高、物质传质速率高等优点的微藻处理技术，除此之外、该技术还能利用废水积累一定生物质能源、为资源化利用养猪沼液提供一种新思路。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法，分别利用添加有机碳源和盐度(取自含盐废水)来提高微藻生物膜对高浓度氨氮和抗生素的处理效率，解决上述存在的c/n过低、抗生素难降解及微藻生物密度低对污染物质耐受阈值低、微藻收获难的问题，在处理沼液废水的同时获得微藻生物质能源。
6.为实现上述发明目的，本发明包括以下技术方案：
7.一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法，具体包括以下步骤：
8.(1)将普通小球藻在光照培养箱中利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为
种子液；
9.(2)第一周期处理：将100ml种子液和800ml调节好碳氮比和盐度后的沼液混合后使其在生物膜载体上流动，流动过程中形成的微藻生物膜对实际沼液进行处理；
10.(3)第二周期处理：将第一周期处理后的沼液收集，同时刮除第一周期已进入衰退期的藻膜，并再次接种相同浓度的种子液，继续对废水进行第二周期的循环处理，处理完成。
11.进一步地，步骤(1)中所述的种子液中生物量为0.8-1.0g/l；优选为1.0g/l。
12.进一步地，步骤(1)中所述的培育条件为25
±
1℃，5000lux。
13.进一步地，步骤(2)中所述的碳源选自葡萄糖、乙酸钠、淀粉和蔗糖中的至少一种；优选为乙酸钠。
14.进一步地，步骤(2)中所述的碳氮比c/n＝18-22；优选为20。
15.进一步地，步骤(2)中所述的盐度为130-150mm；优选为140mm；所述调节盐度使用的为含盐废水。
16.进一步地，步骤(2)中所述的沼液为养猪沼液。
17.进一步地，步骤(2)中所述的处理条件为光照强度4000-6000lux，连续光照下进行培养，种子液、沼液二者混合液的流动速度为20-30ml/min。
18.进一步地，步骤(2)中所述的处理的时间至少6天；优选为处理时间至少8天。
19.进一步地，步骤(3)中所述的种子液中生物量为0.8-1.0g/l；优选为1.0g/l。
20.进一步地，步骤(3)中所述的处理条件为光照强度4000-6000lux，连续光照下进行培养，种子液、沼液二者混合液的流动速度为20-30ml/min。
21.进一步地，步骤(3)中所述的处理的时间至少6天；优选为处理时间至少8天。
22.进一步地，每个阶段培养周期内每48h取样50ml，经0.45μm滤膜过滤后取滤液检测水质中tn、tp、nh
4+-n和cod的浓度；经0.22μm滤膜过滤后取滤液检测水质中sm2的浓度。
23.进一步地，每个阶段培养周期末称取一定量烘干的藻粉，分别测定两个阶段内微藻积累的油脂、总糖和蛋白质的含量。
24.进一步地，经过两阶段处理方法后沼液废水可达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)。
25.与现有技术相比，本发明具有如下效果：
26.本发明提供了一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法，分别利用添加有机碳源和盐度(取自含盐废水)来提高微藻生物膜对高浓度氨氮和抗生素的处理效率，解决了养猪沼液中存在了c/n过低、抗生素难降解及微藻生物密度低对污染物质耐受阈值低、微藻收获难的问题，在处理沼液废水的同时可以获得微藻生物质能源。养猪沼液经本发明所述的方法循环处理后，不但可以使养猪沼液中的污染物质达到排放标准，同时可以使微藻积累的油脂含量超过34％、多糖含量超过18％、蛋白质含量超过31％。
附图说明
27.图1.实施例4中经过微藻生物膜两周期循环处理后实际养猪沼液废水中tn、nh
4+-n、tp、cod和sm2变化趋势；
28.图2.对比例1中经过微藻生物膜两周期循环处理后实际养猪沼液废水中tn、nh
4+-n、tp、cod和sm2变化趋势。
具体实施方式
29.下面将以实施例的方式对本技术作进一步的详细描述，以使本领域技术人员能够实践本技术。应当理解，可以采用其他实施方式，并且可以做出适当的改变而不偏离本技术的精神或范围。为了避免对于使本领域技术人员能够实践本技术来说不必要的细节，说明书可能省略了对于本领域技术人员来说已知的某些信息。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，且本发明的范围仅由所附权利要求界定。以下的实施例便于更好地理解本技术，但并不用来限制本技术的范围。
30.本发明实施例中所用的普通小球藻(chlorella vulgaris fachb-32)，购买自中国科学院淡水藻种库，实际养猪沼液废水取自山东省某猪场厌氧消化池出水。
31.以下实施例1-3分别筛选了不同有机碳源条件、不同碳氮比条件、不同盐度条件下废水处理前后模拟养猪沼液中污染物含量检测结果。
32.实施例1
33.(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液。
34.(2)以模拟养猪沼液废水作为研究底物，分别取800ml废水和100ml种子液混合并通入微藻生物膜体系中，种子液的生物量为1.0g/l左右，分别添加葡萄糖、蔗糖、淀粉、乙酸钠作为模拟废水的有机碳源，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
35.(3)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析模拟沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况。
36.实验前后废水中各项污染物含量数据如表1所示，有机碳源为乙酸钠组对废水中的氨氮、总氮和sm2的处理效果最好，分别为57.07％、54.51％和60.52％。
37.表1.不同有机碳源条件下废水处理前后污染物含量对比
[0038][0039]
实施例2
[0040]
(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液。
[0041]
(2)以模拟养猪沼液废水作为研究底物，分别取800ml废水和100ml种子液混合并通入微藻生物膜体系中，种子液的生物量为1.0g/l左右，添加乙酸钠调节碳氮比为2.2(原始废水)、5、10、15、20、30，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0042]
(3)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析模拟沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况。
[0043]
实验前后废水中各项污染物含量数据如表2所示，碳氮比为20组对废水中的氨氮、总氮的处理效果最好，分别为89.13％和90.12％，不同碳氮比下对sm2的去除效率差别不大。
[0044]
表2.不同碳氮比条件下废水处理前后污染物含量对比
[0045][0046]
实验例3
[0047]
(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液。
[0048]
(2)以模拟养猪沼液废水作为研究底物，分别取800ml废水和100ml种子液混合并通入微藻生物膜体系中，种子液的生物量为1.0g/l左右，保持废水碳氮比为20，然后投入氯化钠(取自含盐废水)调节盐度为0、50、80、11、140、170mm，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0049]
(3)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析模拟沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况。
[0050]
实验前后废水中各项污染物含量数据如表3所示，盐度为140mm组对废水中的氨氮、总氮和sm2的处理效果最好，分别为94.82％、93.85％和82.50％。
[0051]
表3.不同盐度条件下废水处理前后污染物含量检测结果
[0052][0053]
实施例4
[0054]
(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液，所述微藻种子液的生物量为1.0g/l。
[0055]
(2)第一周期处理：加入乙酸钠和氯化钠调节实际废水的碳氮比和盐度分别为20和140mm，将100ml种子液和800ml实际沼液废水混合通入微藻生物膜中，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0056]
(3)第二周期循环处理：8天后将微藻生物膜上的藻膜刮除，收集剩余的废水作为第二周期的培养液，重新接种生物量为1.0g/l的种子液100ml，继续对废水进行第二周期的循环处理；处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0057]
(4)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况；在两阶段结束后称取一定藻粉测定微藻积累的油脂、总糖及蛋白质含量。
[0058]
表4所示结果表明，在两个循环周期处理结束后，最佳环境条下的微藻生物膜体系对废水中tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的去除率分别为96.28％、90.67％、98.40％、96.39％、90.76％，最终能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)；生物量产率为4.54g/m2/d，且产生了35.66％、18.44％和32.56％的油脂、多糖和蛋白质生物质能源。
[0059]
表4.废水处理前后各污染物含量检测结果
[0060]
[0061][0062]
实施例5
[0063]
(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液，种微藻种子液的生物量为0.8g/l。
[0064]
(2)第一周期处理：接加入乙酸钠和氯化钠调节实际废水的碳氮比和盐度分别为22和150mm，将100ml种子液和800ml实际废水混合通入微藻生物膜中，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0065]
(3)第二周期循环处理：8天后将微藻生物膜上的藻膜刮除，收集剩余的废水作为第二周期的培养液，重新接种生物量为0.8g/l的种子液100ml，继续对废水进行第二周期的循环处理；处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0066]
(4)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况；在两阶段结束后称取一定藻粉测定微藻积累的油脂、总糖及蛋白质含量。
[0067]
表4所示结果表明，在两个循环周期处理结束后，最佳环境条下的微藻生物膜体系对废水中tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的去除率分别为95.14％、84.29％、96.30％、96.16％、85.30％，最终能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)；且产生了35.74％、18.03％和32.03％的油脂、多糖和蛋白质生物质能源。
[0068]
表5.废水处理前后各污染物含量检测结果
[0069][0070]
实施例6
[0071]
(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液。
[0072]
(2)第一周期处理：接种微藻种子液的生物量为1.0g/l、加入乙酸钠和氯化钠调节实际废水的碳氮比和盐度分别为18和130mm，将100ml种子液和800ml实际废水混合通入微藻生物膜中，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0073]
(3)第二周期循环处理：8天后将微藻生物膜上的藻膜刮除，收集剩余的废水作为第二周期的培养液，重新接种生物量为1.0g/l的种子液，继续对废水进行第二周期的循环处理；处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0074]
(4)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析沼液废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况；在两阶段结束后称取一定藻粉测定微藻积累的油脂、总糖及蛋白质含量。
[0075]
表4所示结果表明，在两个循环周期处理结束后，最佳环境条下的微藻生物膜体系对废水中tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的去除率分别为95.56％、85.31％、97.18％、96.23％、87.53％，最终能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)；且产生了34.92％、18.79％和31.36％的油脂、多糖和蛋白质生物质能源。
[0076]
表6.废水处理前后各污染物含量检测结果
[0077][0078]
对比例1
[0079]
(1)将普通小球藻在光照培养箱中(25
±
1℃，5000lux)利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液。
[0080]
(2)第一周期处理：接种种子液的生物量为1.0g/l、将800ml不加乙酸钠、氯化钠的实际废水和100ml种子液混合通入微藻生物膜中，处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0081]
(3)第二周期循环处理：8天后将微藻生物膜上的藻膜刮除，收集剩余的废水作为第二周期的培养液，重新接种生物量为1.0g/l的种子液，继续对废水进行第二周期的循环处理；处理条件为5000lux、连续光照，处理周期为8天。
[0082]
(4)每隔48h取水样测定藻液生物量、废水tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的浓度，分析沼液
废水中污染物的处理情况以及微生物生长情况；在两阶段结束后称取一定藻粉测定微藻积累的油脂、总糖及蛋白质含量。
[0083]
表5所示结果表明，在两阶段处理结束后，不调节碳氮比和盐度的微藻生物膜体系对废水中tn、tp、nh
4+-n、cod、sm2的去除率分别为72.78％、77.50％、75.03％、74.83％、68.84％，氨氮和cod都不能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)；生物量积累了4.44g//m2/d，且产生了26.51％、34.34％和22.67％的油脂、多糖和蛋白质生物质能源。
[0084]
表7.废水处理前后各污染物含量检测结果
[0085][0086]
结果分析：
[0087]
本发明经过实验验证利用微藻生物膜处理养猪沼液最佳的环境条件为利用乙酸钠调节碳氮比为18-20，同时调节盐度为130-150mm。当废水碳氮比为20时，微藻生物膜对nh
4+-n、tn、cod、tp和sm2的去除率最高，分别为80.19％、80.40％、80.65％、89.13％和59.16％，相较于不加碳源时微藻生物膜对废水污染物的去除有明显提高；进而在最佳碳氮比下调节盐度为140mm时，微藻生物膜对nh
4+-n、tn、cod、tp和sm2的去除率最高，分别为94.82％、93.85％、95.80％、95.11％和82.54％，相比于不调节盐度时，微藻对sm2的降解能力大大提升。
[0088]
沼液废水在经过最佳环境条件下的微藻生物膜两周期循环处理后，其中的污染指标均达畜禽养殖业废水排放标准，另外，其中的sm2也得到了高效去除。在16天的循环处理结束后，废水中剩余的nh
4+-n、tn、cod、tp和sm2的最低含量分别仅为9.31mg/l、22.64mg/l、367.04mg/l、4.10mg/l、0.93mg/l。由此可见，利用微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液可以使其中污染指标达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)，同时还能高效降解其中的sm2并积累一定生物质能源。

技术特征：
1.一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)将普通小球藻在光照培养箱中利用bg11培养液培养至对数期后离心浓缩作为种子液；(2)第一周期处理：将步骤(1)所述种子液和调节好碳氮比和盐度后的沼液混合，使混合液在生物膜载体上流动，流动过程中形成的微藻生物膜对沼液进行处理；(3)第二周期处理：将第一周期处理后的沼液收集，同时刮除第一周期已进入衰退期的藻膜，并再次接种步骤(1)所述的种子液，继续对废水进行第二周期的循环处理，处理完成。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述种子液的生物量为0.8-1.0g/l。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碳源选自葡萄糖、乙酸钠、淀粉和蔗糖中的至少一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碳氮比c/n＝18-22。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的盐度为130-150mm。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的种子液和调节好碳氮比和盐度后的沼液的体积比为1:8；所述沼液为养猪沼液。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的处理条件为光照强度4000-6000lux，连续光照下进行培养，种子液、沼液二者混合液的流动速度为20-30ml/min；处理的时间至少6天；优选为处理时间至少8天。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的处理条件为光照强度4000-6000lux，连续光照下进行培养，种子液、沼液二者混合液的流动速度为20-30ml/min；处理的时间至少6天；优选为处理时间至少8天。

技术总结
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种微藻生物膜两周期循环处理养猪沼液中高氨氮和难降解抗生素的方法。本发明利用普通小球藻构建微藻生物膜，并向实际沼液中加入有机碳源、氯化钠（来自含盐废水）调节其碳氮比和盐度，在得到的最佳碳源、碳氮比和盐度条件下利用微藻生物膜两周期循环处理法（即经过第一阶段处理并收获微藻后，接种相同浓度的微藻，进入第二阶段循环处理剩余废水）对实际沼液进行净化处理。本发明中添加有机碳源和盐度对高浓度氨氮和难降解抗生素的去除有积极影响，在此基础上得到最佳碳源、碳氮比和盐度，研究在最佳环境条件下的微藻生物膜对实际沼液的净化特征，使得处理后的沼液废水能达标排放，为微藻生物膜处理实际沼液废水提供理论支持。处理实际沼液废水提供理论支持。处理实际沼液废水提供理论支持。


技术研发人员：宋明明 牟乙文 卢天翔 贾聪 陈凤毅 于泽
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/11