废水生物蓄磷—磷回收液制备水培磷肥的研究

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磷资源短缺和土壤资源匮乏是当今社会的两大难题。为解决污水中磷资源高效回收困难以及农业生产可能面临的磷资源短缺问题,需要研究从污水中高效蓄磷、回收磷的方法,并形成适合新型设施农业的复合磷肥。本研究基于碳源调控-磷回收工艺BBNR-CPR(Biological Bio-Nutrient Removal-Carbon regulation and Phosphorus Recovery)系统,利用生物法从模拟生活污水中富集磷并形成富磷回收液,研究了磷回收液应用于蔬菜(小白菜)水培的效果,以便建立生物蓄磷-高效回收磷的新途径。论文研究了不同的碳源对BBNR-CPR系统在不同温度条件下脱氮、蓄磷效果、微生物菌群影响以及相应的磷回收液组成及其肥效的影响。研究重点分析了磷回收液的营养元素组成,研究水培复合磷肥的制备与肥效;并参考市售水培液配方,对磷回收液的营养组成进行优化,形成新型水培磷肥配方(Hydroponic phosphate fertilizer formula,HPFF),并与市售水培液对比分析了HPFF的水培肥效;最后,对水培磷肥配方进行改良,力图研发出适合小白菜低温生长的水培磷肥配方。主要成果:(1)间歇实验表明进水Cu2+浓度低于2mg/L时,上清液内并不会出现Cu2+,且对生物膜脱氮除磷几乎无抑制作用。调整回收碳源组成,形成新型碳源(1)(丙酸钾、90%丙酸钾+10%甘氨酸)、(2)富含丙酸钾型磷回收液(Potassium propionate phosphorus recovery solution,PP-PRS)、以及(3)含甘氨酸型磷回收液(Gly-PRS)。结果表明,BBNR-CPR反应器磷回收过程使用的补充碳源从丙酸钠调整为丙酸钾时,BBNR-CPR反应器磷回收液的平均浓度达到了44.79mg/L,与使用碳源丙酸钠相比,磷回收效率提高了26.5%。此时,BBNR-CPR反应器生物膜的GAOs的相对丰度减少了10%,聚磷菌Acinetobacter spp.增加到了3.24%。norank_f_norank_o_Run_SP154 spp.、norank_f_PHOS_HE36 spp.、norank_f_A4b spp.、Flavobacterium spp.等与脱氮相关的菌群均有所增加。调整BBNR-CPR反应器磷回收过程使用的补充碳源为90%丙酸钾+10%甘氨酸时,磷回收液的浓度达到了54.29mg/L,回收效率达到了41.04%。然而使用该补充碳源回收磷后,会降低蓄磷阶段的同时硝化反硝化效果与脱氮效率(下降31.08%)。此外,BBNR-CPR反应器生物膜内的反硝化聚糖菌Candidatus_Competibacter spp.丰度出现21.09%的大幅减少;由于脱氮受抑制,在与脱氮相关的菌群(norank_f__norank_o__Candidatus_Moranbacteria spp.、unclassified_f__Comamonadaceae spp.、Candidatus_Nitrotoga spp.、)的相对丰度降低的同时,与生物蓄磷相关的菌群(Dechloromonas spp.、Pseudomonas spp.、Acinetobacter spp.)的相对丰度增加了。(2)针对施用后小白菜的生长效果,调整BBNR-CPR反应器磷回收过程的补充碳源类型,在优化反应器运行效果同时,优化从BBNR-CPR反应器回收的磷回收液组成。调整磷回收液的营养组成后,优化形成水培复合磷肥(HPFF)配方:稀释磷回收液(PP-PRS)4倍,每L PP-PRS内需分别加入550-600 mg的四水硝酸钙;150-200 mg七水硫酸镁;15-25 mg的硫酸铵。HPFF培养的小白菜达到了霍格兰配方相似的效果,且小白菜施用HPFF后对于营养液中离子(Ca2+、Mg2+、K+)的吸收率增加,其中,对Ca2+的吸收增加显著(吸收率提升1.59%),高于市售组的86.26%。采用HPFF与霍格兰配方做交叉实验,发现培养出的小白菜叶片的叶绿素和类胡萝卜素在生长周期30天内相差不大,且收获时两者的各项生长指标在统计学上并无差异。(3)水培第3阶段,将磷回收液(Gly-PRS)稀释5.5倍,在调整了钙、硫、氮元素(补充硫酸铵:15-20mg/L、四水硝酸钙:450-500mg/L)后,成功研制出耐低温水培磷肥配方(Low temperature resistance hydroponic phosphate fertilizer formula,LTR-HPFF)。研究表明,采用LTR-HPFF培养的小白菜收获时各项生长指标均为最佳,叶绿素含量和类胡萝卜素均超越对照组。LTR-HPFF对于Mg2+和磷吸收效果促进明显,较对照组分别促进了23.18%和38.22%。低温下,监测到小白菜在生长过程水培液内电导率呈增加趋势,而与对照组相比使用LTR-HPFF作为水培复合营养肥减缓了电导率上升的趋势。
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