藻菌共生体包埋固定化在畜禽养殖废水处理中的参数优化及膜污染研究

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藻菌共生体-膜结合系统处理畜禽养殖废水存在处理效果好、出水水质高、微藻可资源化利用等优点,但是藻菌共生体直接暴露于水中,也存在着抗外界干扰能力差、膜污染严重、微藻采收困难等缺点。包埋固定化是一种将微生物包埋在凝胶网格中的技术,固定化不仅能有效保护微生物,还能截留微生物及其分泌物进入水体,另外,固定化藻菌颗粒沉降迅速,利于微藻采收。基于此,本研究将藻菌共生体固定化与膜系统结合处理畜禽养殖废水,优化固定化参数、研究固定化对藻菌共生体在处理效果、微生物生长量及膜污染方面的影响。以期为固定化藻菌-膜结合工艺的实际应用提供一定的理论依据。以海藻酸钠(SA)-氯化钙(CaCl2)为固定化材料,初步分析了固定化参数对固定化藻菌球性能的影响。通过正交试验,优化出最适合畜禽养殖废水的固定化参数。对比试验中,研究了固定化对处理效果和微生物生长情况的影响;通过超滤试验,结合粒径分析、红外表征等多种手段,分析了固定化对膜污染的影响。得出的主要结论如下:固定化藻菌处理畜禽养殖废水参数优化结果表明:SA浓度是影响固定化藻菌球质量关键因素,SA浓度越高,固定化藻菌球机械强度越高,但传质效果和成球效果越差;SA浓度对微生物生长情况的影响是最大的,由于SA浓度越高固定化基质胶联越紧密,不利于微生物对营养物质的吸收利用,然而过低的SA浓度会使固定化藻菌球因水力冲刷造成微藻的损失;SA浓度越高总氮(TN)去除效果越好,更高的CaCl2浓度对总磷(TP)的去除效果有着积极的促进作用,SA浓度越低、固定化时间越短,COD去除率越高。经过正交试验参数优化及全概率分析,最适合畜禽养殖废水的固定化参数为:SA浓度4%,氯化钙浓度为1%,固定化时间12h。使用最优参数进行固定化藻菌处理实际废水实验,结果表明:与悬浮性藻菌体系相比,固定化明显提高了废水处理时的p H,固定化体系的p H一直维持在8以上,最高达到8.56,比悬浮性体系高出1.3左右,这对氮、磷的去除都有一定的辅助效果;固定化体系中微藻的叶绿素a增长量为23.48 mg/L,要高于悬浮性体系的16.37 mg/L,固定化体系明显拥有更高的生物量;固定化体系的COD、TN、氨氮、TP、磷酸盐的去除率分别为92.63%、53.04%、40.43%、91.58%、93.30%;除COD去除率略低于悬浮性体系外,其他项目较悬浮性体系均有明显优势。超滤杯膜过滤实验结果表明:悬浮性体系混合液膜污染情况要比固定化组更严重,两组混合液都是以标准堵塞和滤饼层堵塞为主,而且固定化组的标准堵塞和滤饼层堵塞模型拟合度都要高于悬浮性组;固定化组的平均粒径d50为150.18μm明显高于悬浮性组的25.05μm,对应的,固定化组的膜污染更轻;两组膜污染的主要成分都为蛋白质,而且固定化组混合液中的蛋白质、多糖、腐殖酸含量都要低于非固定化组,说明固定化能有效截留微生物分泌的有机物,从而减轻膜污染。
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