甘薯淀粉废水厌氧处理制备液态有机肥及其对蔬菜的促生作用

摘要

高浓度淀粉废水的处理是食品行业和农产品加工业可持续发展所面临的重要问题。我国是世界上最大的甘薯种植国。2011年我国甘薯产量超过1亿吨，约占全球甘薯总产量的90％。在我国南部每年用于淀粉生产的甘薯量约为150万吨。在生产甘薯淀粉过程中，每吨甘薯产生12m3高浓度淀粉废水。大量的高浓度淀粉废水对周边的生态和环境造成了极大的破坏。淀粉废水含有高浓度的有机质，其COD约为10，000mg/L，BOD约为6，000mg/L，总氮浓度为400-600mg/L，总磷浓度为70-120mg/L。目前国内淀粉废水的处理方法主要为厌氧与好氧相结合的活性污泥法。厌氧处理能够有效的降解80％的COD和BOD，处理成本较低，并且产生以甲烷为主要成分的生物气，可以回收利用。但是其对N和P的去除率很低。通常厌氧处理的出水需经过好氧处理后才能有效的降低N和P含量。然而好氧处理需要大量的设备和能源投入，增加了污水处理的总成本。厌氧处理的出水含有未被降解的大量N和P，这些N和P经过微生物的腐熟，更容易被植物吸收，若将其作为肥料替代化肥，可以实现废水的资源化利用，而且节约了农业投入，降低了化肥带来的环境和生态风险。
　　针对我国南方甘薯淀粉加工企业产生的大量高浓度淀粉废水，好氧处理成本高，及无机化肥存在的成本问题和环境问题，本论文进行了室温条件下厌氧折流板(ABR)工艺处理甘薯淀粉废水的中试试验，考察了ABR工艺在处理甘薯淀粉废水过程中处理效果的影响因素。另外，通过考察ABR出水作为液体肥料进行大棚盆栽种植上海青的最适体积，对上海青产量、质量、土壤理化性质、及温室气体N2O排放通量等的影响，研究了经ABR处理的废水作为液体肥料替代化肥的可行性。最后研究了ABR出水，化肥，淀粉原水及ABR出水与化肥混施作为肥料种植空心菜，进一步考察和验证了ABR出水作为液体肥料的可行性，并利用分子生物学定量PCR的手段，研究了ABR出水灌溉土壤后，土壤微生物群落的数量和结构的变化通过本文的研究，得到如下结论:
　　ABR在常温条件下启动是可行的，本实验的启动期为24天。反应器共运行172天，经历夏、秋、冬三个季节，平均COD去除率为69.45％，温度变化范围为32.7℃到6.2℃，平均OLR为3.28kgCOD/m3/d。研究表明，温度对ABR的运行效果有显著的影响。随着温度的降低，ABR的去除率不断下降，当温度降至25℃以下，ABR的去除率有较大幅度的下降。尽管可通过降低进水COD和增大水力停留时间来缓解反应器恶化，但实验表明当温度下降到6℃左右，ABR的COD去除率由80.36％下降到53.52％，反应器酸化。中试试验表明温度是影响ABR在实际运行中效率下降的主要因素。在夏季和秋季温度范围20.5-32.7℃内，ABR适合用于高浓度淀粉废水的处理，然而在冬季较低温度条件下，需要采取加热保温措施才能保证ABR的正常运行。
　　ABR出水作为液体肥料种植上海青是可行的。实验处理如下:空白（每次每盆300mL蒸馏水），尿素（每次每盆0.1g尿素+300mL蒸馏水），淀粉原水低、中、高共三个浓度梯度（每次每盆分别100、200、300mL原水）、ABR出水1、2、3、4、5、6共六个浓度梯度（每次每盆分别50、100、150、200、250、300mL出水）。每次每盆施入的液体总体积为300mL，不足的体积用蒸馏水补充。研究表明ABR出水能够显著的增加上海青的产量、改善其质量。施入200mL出水处理的上海青产量最高为14.52g，其比尿素处理高41.5％，而原水处理的产量比尿素要低。出水处理的蔬菜硝态氮含量比尿素处理的低2.40-42.83倍。出水处理的土壤硝态氮含量比尿素处理的低4.6-15.3倍，从而降低了NO3-的淋失风险。出水300mL处理的pH(5.0)比空白的pH(3.9)提高了1左右，这有利于改善红壤的品质。出水200mL处理的氧化亚氮排放通量为尿素处理的41.6％，而在同一氮水平上原水的氧化亚氮排放通量最高。综合以上实验结果，淀粉原水不适合作为肥料进行上海青种植，而出水200mL的处理效果最好，因此在控制合适施入量的前提下，ABR出水是一种代替化肥的理想有机肥料。
　　ABR出水作为液体肥料种植空心菜是可行的。未经处理的淀粉废水不能促进空心菜产量提高，反而增加了N2O的排放通量。然而ABR出水是一种理想的取代化肥的绿色液体肥料，其不仅能够提高蔬菜的产量、质量，并且ABR出水处理的土壤也具有较低的氮淋失风险，较低的N2O排放通量。整理来看ABR出水替代部分化肥的效果最好。同时不同的处理对土壤微生物群落有不同的影响。各处理对AOB功能基因的影响较小，然而对反硝化相关的功能基因的影响较大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 我国淀粉废水现状

1．2 淀粉废水的处理方法

1．2．1 物理化学法

1．2．2 生物法

1．2．3 资源回收利用法

1．3 我国化肥使用及影响现状

1．4 我国污水灌溉的现状

1．5 立题依据和研究内容

参考文献

2 室温条件下厌氧折流板法(ABR)处理淀粉废水

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要试剂

2．2．2 主要仪器

2．2．3 淀粉废水和接种污泥的表征

2．2．4 反应器的运行及操作条件

2．3 结果与讨论

2．3．1 反应器的启动

2．3．2 有机负荷和温度对反应器COD去除率的影响

2．3．3 ABR反应器不同格式pH和COD去除率的波动变化

2．4 本章小结

参考文献

3 ABR出水作为液体肥料对上海青种植的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂

3．2．2 主要仪器

3．2．3 土壤和废水样品的采集和表征

3．2．4 盆栽实验设计

3．2．5 氧化亚氮的测定

3．2．6 蔬菜质量和硝态氮、亚硝态氮含量测定

3．2．7 土壤理化性质的测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 蔬菜产量

3．3．2 蔬菜中硝态氮和亚硝态氮含量

3．3．3 土壤pH、EC、NH4+、NO3-、TDN和DOC

3．3．4 不同处理的氧化亚氮排放通量

3．4 本章小结

参考文献

4 ABR出水作为液体肥料对空心菜种植及土壤微生物群落的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要试剂

4．2．2 主要仪器

4．2．3 土壤和废水样品的采集和表征

4．2．4 盆栽实验设计

4．2．5 氧化亚氮的测定

4．2．6 蔬菜质量和硝态氮、亚硝态氮含量测定

4．2．7 土壤理化性质的测定

4．2．8 土壤样品DNA的提取

4．2．9 定量PCR

4．3 结果与讨论

4．3．1 蔬菜产量、质量和土壤理化性质

4．3．2 氧化亚氮排放通量

4．3．3 土壤微生物氮循环功能基因的定量PCR

4．4 本章小结

参考文献

5 结束语

5．1 研究结论

5．2 需进一步研究的内容

硕士期间发表论文

致谢