肖叢亮，張 哲，郭遠(yuǎn)濤，辛佳期，孫盛進，李 昆

(南昌大學(xué)a.資源與環(huán)境學(xué)院；b.鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，南昌 330047)

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展以及人們生活水平的提高，人們對于肉禽蛋奶等高品質(zhì)畜禽產(chǎn)品的需求日益增長，這也直接促進了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的空前發(fā)展，與此同時必然產(chǎn)生規(guī)模巨大的畜禽養(yǎng)殖廢水[1]。畜禽養(yǎng)殖廢水含有高濃度的碳氮磷等污染物，未經(jīng)合理處理排入外界水體中極易會造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，產(chǎn)生惡臭，對周邊環(huán)境及人類產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。畜禽養(yǎng)殖廢水常用的處理模式有還田模式、自然處理模式(穩(wěn)定塘、人工濕地等)、工業(yè)處理模式(SBR、A/O、UASB等工藝)，由于畜禽養(yǎng)殖廢水復(fù)雜的水質(zhì)特點，這些模式在處理效果、資源化利用上難以達到理想的狀態(tài)。研究表明藻菌共生體對廢水中的碳氮磷等污染物有較好的去除效果，藻類通過光合作用利用水中營養(yǎng)物質(zhì)，合成自身細(xì)胞物質(zhì)并釋放出O2，好氧菌則利用水中O2對有機污染物進行分解、轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生CO2和上述營養(yǎng)物質(zhì)，以維持藻類的生長繁殖，實現(xiàn)污水的生物凈化作用[3]；同時體系收獲的微藻又能作為養(yǎng)殖飼料、制油，甚至是保健品的原材料，具有很高的資源利用價值[4]。藻菌共生體直接處理廢水時，存在著抗水利沖擊和水質(zhì)波動能力差、微藻采收的困難、微生物生長受限等問題[5]，而包埋固定化能很好的解決以上問題。然而，畜禽養(yǎng)殖廢水水質(zhì)復(fù)雜，最適合畜禽養(yǎng)殖廢水的固定化參數(shù)有待優(yōu)化，固定化對藻菌共生體的影響鮮有報道。

因此本文選擇海藻酸鈉-氯化鈣作為藻菌包埋固定化試劑，以小球藻和活性污泥為原材料，通過正交試驗分析海藻酸鈉、氯化鈣濃度和固定化時間對固定化小球強度、微生物生長情況、碳氮磷去除效果等固定化藻菌共生體基本性能的影響；采用多指標(biāo)全概率法，優(yōu)化出一組最適合畜禽養(yǎng)殖廢水的固定化參數(shù)；通過對比實驗，探究固定化對藻菌共生體處理廢水的影響。

1 材料與方法

1.1 畜禽養(yǎng)殖廢水水質(zhì)特點

試驗所用廢水取自南昌市某豬場養(yǎng)豬廢水厭氧消化處理后出水，實驗前進行預(yù)處理，過1 μm濾袋去除水中大部分懸浮性顆粒物，避免對試驗過程和結(jié)果的干擾，兩次水樣預(yù)處理后水質(zhì)指標(biāo)測定結(jié)果如表1。

1.2 微藻和活性污泥

微藻：為小球藻(Chlorellavulgaris，編號為NCU-C1)，為課題組前期從垃圾滲濾液中篩選、分離、純化得到的對高氨氮高鹽體系具有良好耐受性的藻種。在滅菌后的BG-11培養(yǎng)基中培養(yǎng)小球藻，曝氣(空氣)流量為1 L·min-1，連續(xù)光照(4000 Lux)，濃度達到1 g·L-1左右即可離心濃縮采收用于廢水處理。

表1 養(yǎng)豬廢水消化出水水質(zhì)特點Tab.1 Water quality characteristics of Swine wastewater digestion effluent

活性污泥：取自南昌市某城市污水處理廠二沉池回流污泥，污泥性質(zhì)如表2。

表2 活性污泥性質(zhì)Tab.2 Properties of activated sludge

1.3 實驗裝置及條件

實驗裝置及條件：100 mL海藻酸鈉混合溶液中含有0.5 g活性污泥和0.2 g小球藻(依據(jù)前期藻菌比例優(yōu)化實驗選擇的藻菌比例)，制成直徑為3～4 mm的固定化小球(100 mL的2%，3%，4%濃度制備的小球數(shù)量分別約為2980±20，2570±20，2360±20顆)，接種入裝有1L實際廢水的石英玻璃管中(有效工作容積為1L，內(nèi)徑6 cm，高50 cm)。24 h光照(4 500 Lux)，連續(xù)運行5 d，控制室溫25 ℃左右。為使小球懸浮分散在水體中充分接受光照，使用電磁泵曝氣(空氣)，流量為0.35 L·min-1。對比實驗時，分別設(shè)置固定化組和非固定化組，其他條件一致(同上)。每次取樣50 mL，前48 h每12 h取樣1次，后72 h每24 h取樣1次，用于樣品的測定。實驗裝置及固定化小球如圖1所示。

1.4 正交試驗設(shè)計

實驗設(shè)計：以海藻酸鈉濃度(A)、氯化鈣濃度(B)、固定化時間(C)為實驗因素，結(jié)合文獻調(diào)研以及先前實驗的研究，選擇恰當(dāng)?shù)乃椒秶?，進行3因素3水平L9(33)正交實驗。正交實驗各因素水平選擇以及實驗組安排見表3。

(a)裝置示意圖；(b)實際裝置照片；(c)固定化藻菌共生體機理圖；(d)實際所制小球照片。

表3 正交試驗表Tab.3 Orthogonal test table

1.5 實驗與分析方法

藻菌固定化小球制備方法：將培養(yǎng)好的小球藻和活性污泥離心收獲，用超純水洗3次，以排除殘留成分對實驗的干擾；之后重新懸浮超純水中，與海藻酸鈉(分子量為32 000～250 000)溶液均勻混合，制成含藻泥的海藻酸鈉混合溶液；最后通過蠕動泵在離氯化鈣溶液液面高20 cm處將混合溶液逐滴滴入氯化鈣溶液中，在溶液中固化一定時間后收獲[6]。

固定化小球強度的測定：選取剛剛固化結(jié)束后的4顆大小接近且均勻小球，使用游標(biāo)卡尺測量其直徑a，將四顆小球以4×4 cm正方形夾在兩塊相同的輕質(zhì)平板玻璃正中間，放置在水平臺面上，將200g砝碼放置在壓著小球的平板玻璃正中間壓2 min，之后測量小球扁處直徑b，壓縮形變=(a-b)·a-1×100%，4顆小球結(jié)果取平均值，形變量越小代表小球強度越高[7]。

微藻生長情況的測定：每24 h取5顆小球溶解于5 mL碳酸氫鈉溶液(4%)中至完全溶解[10]，使用甲醇提取法[8]，每天測定葉綠素a含量。由于第5天大部分實驗組葉綠素a較前一天略有下降，因此以第4天葉綠素a含量Ch4與原始葉綠素a含量Ch0計算，葉綠素a增長率=(Ch4-Ch0)·(4-0)-1，以葉綠素a增長率代表微生物生長情況。

碳氮磷去除效果測定：選擇COD、TN、TP去除率代表固定化小球?qū)U水中營養(yǎng)元素的去除效果，測定廢水中每日COD、TN、TP濃度，以第5天去除率代表去除效果。參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測TN，采用過硫酸鉀消解鉬酸鹽分光光度法測TP，采用哈希試劑測定COD。

其他項目的測定：采用納氏試劑分光光度法測氨氮，DO、pH使用多功能哈希探頭(HQ40d)測定。

分析方法：使用SPSS軟件對各指標(biāo)的水平均值和極差進行分析。由于各個指標(biāo)對實驗同等重要，需要科學(xué)、客觀地兼顧各個指標(biāo)綜合效應(yīng)，因此使用多指標(biāo)全概率分析法對各個指標(biāo)進行賦權(quán)并計算全概率值。固定化小球強度權(quán)重為-1，小球藻生長情況權(quán)重為1，去除效果權(quán)重為1(其中COD、TN、TP去除率權(quán)重皆為1/3)。多指標(biāo)全概率分析法如下[9]:

(1)

(2)

式中；Pi為第i號實驗的全概率值，mi各指標(biāo)的權(quán)重比，Aij為第j個指標(biāo)第i號實驗值(i=1,2，…，n，j=1,2，…，k)，Sj為第j個指標(biāo)下各次(n次)實驗結(jié)果之和。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)優(yōu)化實驗結(jié)果

L9(33)正交試驗表及正交試驗結(jié)果和全概率值如表4，各指標(biāo)及全概率值極差分析結(jié)果如表5。從表5中對全概率值的因素水平均值極差來看，RA>RB>RC，海藻酸鈉濃度對全概率值的影響是最大的。而從全概率值各因素水平均值來看，海藻酸鈉濃度的水平均值k3>k2>k1，氯化鈣濃度水平均值k2>k1>k3，固定化時間水平均值k3>k1>k2，因此當(dāng)海藻酸鈉濃度為4%，氯化鈣濃度為1%，固定化時間為12 h時為最佳組合結(jié)果。該參數(shù)綜合考慮了固定化小球強度、微生物生長情況、碳氮磷去除效果3個性能指標(biāo)，是最適合畜禽養(yǎng)殖廢水的固定化參數(shù)。

表4 正交試驗結(jié)果及全概率值Tab.4 Orthogonal test results and full probability values

表5 各指標(biāo)及全概率值極差分析Tab.5 Range analysis of each index and full probability value

2.1.1 碳氮磷去除效果

圖2中a圖為不同實驗組COD濃度隨時間變化圖。所有實驗組的COD濃度隨時間變化的走勢基本保持一致，在第1天內(nèi)急速下降，在第1天達到最低濃度，之后COD濃度略有起伏，整體上COD濃度在第2和第3天經(jīng)歷小幅上升后出現(xiàn)回落。海藻酸鈣凝膠球具有三維網(wǎng)絡(luò)狀的空間結(jié)構(gòu)，部分可溶性物質(zhì)是順濃度梯度擴散進入小球內(nèi)部的[10]，而在最開始擴散作用可能占據(jù)著主要地位，另外隨著藻-菌共生體系的趨于穩(wěn)定，加速了體系對可溶性碳源的利用。COD濃度的回升，可能是由于隨著微生物生長的同時也會分泌一些胞外有機物[11]，一部分被截留在小球內(nèi)部[10]，另一部分胞外有機物被釋放到廢水中而導(dǎo)致COD上升。隨著藻菌共生體系的繼續(xù)生長，廢水中的碳源逐漸被消耗，COD濃度開始下降。另外從表5中對COD去除率的因素水平均值及極差分析可以看到，影響COD去除率的最大兩個因素是固定化時間和海藻酸鈉濃度，較小的海藻酸鈉濃度和較短的固定化時間對COD去除率是有著更積極的影響。

圖2中b圖為不同實驗組TN濃度隨時間變化圖。所有組的TN濃度下降趨勢基本保持一致：先下降的較快，之后趨于平緩，而且去除率都不超過50%，去除效果并不理想。一些研究表明[5,7]，固定化藻菌共生體對廢水處理效果達到90%以上，但這些研究所使用的廢水TN濃度大多為100 mg·L-1左右甚至更低，藻菌體系生長在較為理想的環(huán)境中。而本實驗所用實際廢水C、N、P濃度都較高，TN濃度高達(723.71±8.58) mg·L-1，而且TN中絕大部分又以氨氮的形式存在于廢水中，盡管微生物被包埋在藻酸鈣基質(zhì)中，但是高濃度氨氮依舊對微生物存在一定的毒害作用[12]。有研究指出，海藻酸鈣基質(zhì)中微生物密度的逐漸增加，會導(dǎo)致海藻酸鈣小球顏色加深而產(chǎn)生遮光效應(yīng)，小球內(nèi)部微藻難以獲得光照進行光合作用，削弱了微藻對氨氮的吸收利用[13]，以上因素皆可能是TN去除效果不理想的原因。另外從表5中對TN去除率的因素水平均值及其極差分析可以看到，海藻酸鈉濃度對TN去除率的影響最大，并且海藻酸鈉濃度的均值k3>k2>k1，這表明海藻酸鈉濃度越高TN去除率越好，這可能是由于海藻酸鈣基質(zhì)中的羧基和銨根離子存在一定的相互作用[14]。

t/d(a) COD濃度變化趨勢

圖2中c圖為不同實驗組TP濃度隨時間變化圖。TP濃度在和TN濃度表現(xiàn)出相似的變化趨勢，前期其濃度下降速度較快后期放緩，其原因與COD、TN濃度前期下降速度快而后期受限于C/N/P比例有直接關(guān)系。所有組第5天TP去除率都超過73%，最高的組達到85.48%，去除效果較為理想。從表5中對TP的因素水平均值及極差分析可以看到氯化鈣濃度對TP去除率影響最大，4%濃度氯化鈣濃度時TP去除率的均值最大，另外實驗結(jié)束后模型觀察到反應(yīng)器中懸浮著大量白色細(xì)微顆粒物，這可能是由于磷酸根離子能與海藻酸鈣基質(zhì)中的鈣離子反應(yīng)生產(chǎn)微溶于水的磷酸鈣沉淀[15]。

2.1.2 固定化小球強度

從表5中對固定化小球因素水平均值極差分析可以看出：海藻酸鈉濃度對固定化小球強度影響遠(yuǎn)大于其他兩個因素，起著決定性影響。從分子角度來看，將海藻酸鈉滴入到鈣離子溶液中后，海藻酸鈉會與鈣離子發(fā)生離子交換形成海藻酸鈣；鈣離子可以依附在兩條聚合鏈中，即發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，類似于在直鏈上加入更多的支鏈，使溶液的黏稠度進一步增加；并且海藻酸鈣的溶解度相對于海藻酸鈉更低，最終形成具有網(wǎng)絡(luò)空間且不溶于水的凝膠小球[10]。這表明在鈣離子濃度一定時，海藻酸鈉濃度越高，相當(dāng)于形成的支鏈越多溶液的粘稠度越高，即體現(xiàn)在固定化小球強度越高。另有研究表明，海藻酸鈣凝膠在形成過程中會發(fā)生體積收縮效應(yīng)，這會導(dǎo)致水的流失和海藻酸鈣聚合物濃度的增加，這相當(dāng)于海藻酸鈣鹽膠聯(lián)越緊密帶來的體積穩(wěn)定性越高[16]，這也從另一個角度說明海藻酸鈉濃度越高，固定化小球強度越大。這種現(xiàn)象在實驗過程中也得到了體現(xiàn)：固定化時間結(jié)束后的小球明顯比剛滴入氯化鈣溶液中小很多。

2.1.3 微生物生長情況

圖3為以葉綠素a的增長率代表微生物生長情況。各組的葉綠素a含量每日增長趨勢基本一致：在第1天，葉綠素a增長較為緩慢，第2天葉綠素a增長得最快，之后葉綠素a的增長逐漸放緩，基本都是在第4天達到最大值，最后第5天時葉綠素a含量略有下降。其中第4天葉綠素a濃度最高的兩組分別為第7和第4組分別為12.36和12.35 μg·L-1，最低的為第9組9.68 μg·L-1。這是由于早期藻菌共生體系還未完全形成處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，另外微生物處于廢水環(huán)境中有一段時間的適應(yīng)期，其增長較為緩慢。適應(yīng)期后微藻進入快速增長期，之后由于營養(yǎng)元素的減少，微藻生長速率逐漸放緩。從表5中對微藻生長情況的因素均值極差分析可以看到：RA=0.312>RB=0.280>RC=0.142，這說明海藻酸鈉濃度對微藻生長情況影響程度最大，氯化鈣濃度次之。另外從均值分析來看，最適合微藻生長的參數(shù)是海藻酸鈉濃度3%，氯化鈣濃度0.5%。在一定的氯化鈣濃度下，海藻酸鈉濃度越高意味著更高的固定化小球強度，但是所形成的海藻酸鈣凝膠小球膠聯(lián)越緊密，小球內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)空間及表面孔徑減小，這無疑增加了營養(yǎng)物質(zhì)向小球內(nèi)部擴散的阻力[10]，減緩了活性污泥對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，進而影響微藻的生長。但是從另一方面來講，由于微生物細(xì)胞均勻的分布在海藻酸鈣基質(zhì)中，更低的海藻酸鈉濃度意味著機械強度更低的海藻酸鈣凝膠小球，在面對曝氣所帶來的水力沖擊時有明顯的劣勢[17]。這可能是微生物更適合適中濃度的海藻酸鈉和低濃度氯化鈣的原因。

t/d圖3 各組葉綠素a增長曲線Fig.3 Chlorophyll a growth curve for each group

2.2 固定化藻菌在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的效果對比研究

使用最優(yōu)參數(shù)制作固定化藻菌進行廢水處理實驗，并與懸浮性藻菌共生體進行對比，探究固定化對藻菌共生體處理廢水的影響，分析其中原因。

2.2.1 DO、pH對比

圖4中d、e分別為兩個體系中DO和pH隨時間變化曲線。第0天屬于原始水樣，是在未曝氣的條件下測定的，起始DO很低，之后由于曝氣以及藻菌的加入，體系中的DO維持在較高的水平。從圖中可以看到，第1天之后兩個體系的DO都存在一定程度的波動，其中固定化藻菌體系中的DO略低于懸浮性藻菌體系，可能的原因是，藻菌固定在海藻酸鈣基質(zhì)中，活性污泥對微藻產(chǎn)出的O2利用程度更高導(dǎo)致的。固定化藻菌體系的pH隨時間先升高后略有下降，第3天達到最大值為8.56，在第五天時其pH為8.39；而懸浮性藻菌體系的pH從第3天開始逐漸下降，在第5天時其pH為7.06，與固定化藻菌體系相比，懸浮性藻菌體系的pH下降幅度更大。有研究指出，細(xì)菌在降解有機碳時會產(chǎn)生一些有機酸，微藻在利用NH4+時也會釋放H+，但固定化藻菌體系中藻菌包埋在海藻酸鈣基質(zhì)中對有機酸存在一定截留作用[18-19]。在本實驗中固定化藻菌體系pH下降幅度較小，較為穩(wěn)定，這表明固定化對維持體系pH的穩(wěn)定存在一定的積極作用。

t/d(d)DO

2.2.2 碳氮磷去除效果對比

圖5中f圖為兩個體系中COD的去除效果。在第0.5天時，兩體系去除率分別達到92.12%，92.34%，而第5天時去除率分別達到92.63%，93.76%。有研究表明，藻菌共生體系對廢水處理效果優(yōu)于純藻或純活性污泥，這是由于微藻提供的O2強化了活性污泥對有機碳的利用[20-21]。DO濃度是限制活性污泥內(nèi)好氧細(xì)菌呼吸作用和對COD降解的因素之一，而固定化藻菌體系的DO在第2天后小于懸浮性藻菌體系，這可能是固定化藻菌體系的COD去除率略低于懸浮性體系的原因。從圖中可以看到，兩個體系的COD濃度都存在一定的波動，即在第2或第3天有一定程度的回升再下降的過程，這與正交試驗情況相似。

圖5中g(shù)圖為兩個體系中對TN的去除效果，廢水中的氮主要以氨氮形式存在，其中TN、氨氮濃度分別為763.91，680.77 mg·L-1。，第5天，固定化藻菌體系、懸浮性藻菌體系的TN去除率分別為53.04，40.43%，和正交試驗類似，兩個體系的TN去除效果都并不理想，但是固定化藻菌體系對TN的去除效果略優(yōu)于懸浮性體系。固定化對微生物的保護作用仍然是顯著的。值得注意的是，固定化藻菌體系的pH一直高于懸浮性藻菌體系，而且在第4、5天時，兩者之間的pH差值達到1.3左右，同時兩個體系都處于曝氣狀態(tài)。眾所周知，外部曝氣以及高的pH能促進NH4+向NH3的轉(zhuǎn)化[22]，因此這也可能是固定化藻菌體系的TN去除效果更佳的原因。

t/d(f)COD濃度變化趨勢

圖5中h圖為兩個體系中TP的去除效果。廢水中的磷元素主要以磷酸鹽的形式存在于廢水中，其中TP和磷酸鹽濃度分別為38.80，37.73mg·L-1。固定化藻菌體系、懸浮性藻菌體系中TP的去除率分別為91.58%，66.33%，固定化藻菌體系對磷的去除效果上的優(yōu)勢非常明顯。磷酸鈣的在25 ℃下溶度積常數(shù)(Ksp)為2.0×10-29，屬于難溶于水的白色物體。研究指出，廢水中磷酸根離子在一定濃度以及適宜的pH(≥8)條件下，極易與鈣結(jié)合形成難溶于水的沉淀[23]。而本實驗中固定化基質(zhì)是海藻酸鈣凝膠，廢水中的磷酸鹽含量37.73 mg·L-1，并且在實驗結(jié)束時，實驗裝置中發(fā)現(xiàn)白色粉末沉淀。結(jié)合對氮的去除效果，固定化藻菌體系對磷去除率更高，一是由于固定化能有效保護藻菌，擁有更高的N、P去除效果；二是廢水中的磷酸鹽與海藻酸鈣基質(zhì)中的鈣生成磷酸鈣沉淀導(dǎo)致的。此外，值得注意的是，懸浮性藻菌體系中磷元素的濃度在第3天之后出現(xiàn)回升，而Li[18]等的實驗中也出現(xiàn)過類似現(xiàn)象，這可能與部分細(xì)菌內(nèi)源呼吸釋放磷酸鹽有關(guān)。

2.2.3 微藻生長情況對比

圖6為兩個體系中葉綠素a濃度變化情況。葉綠素a的濃度可以直觀的代表微藻的含量，在第1天內(nèi)，固定化藻菌體系和懸浮性藻菌體系中的微藻生長速率及生長量非常接近，都處于高速生長期。第1天后，兩個體系中微藻生長速率都有所放緩，但是固定化藻菌體系中微藻增長速率明顯高于懸浮性體系。但是固定化藻菌體系微藻含量在第5天略有下降，而懸浮性藻菌體系微藻一直保持著微弱的增長，沒有下降，這是由于固定化基質(zhì)中空間有限，最終會限制微生物的增長[23]。藻菌固定化體系、藻菌懸浮性體系起始和第5天的葉綠素a濃度分別為4.79，5.68和28.27，22.05 mg·L-1，增長量分別為23.48，16.37 mg·L-1。固定化體系明顯擁有更高的生物量，顯然，這對微藻的資源化利用是有利的。

t/d圖6 兩個體系中葉綠素a濃度的變化Fig.6 Variation of Chlorophyll a Concentration in Two Systems

3 結(jié)論

本文以海藻酸鈉-氯化鈣作為固定化載體，通過正交試驗考察海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度、固定化時間3個因素對固定化小球強度、微生物生長情況、碳氮磷去除效果的影響。主要結(jié)論如下：(1)海藻酸鈉濃度是影響固定化小球強度和微生物生長情況的主要因素，海藻酸鈉濃度越高固定化小球強度越強，而適中濃度的海藻酸鈉濃度更適合微生物生長；(2)各個參數(shù)對碳氮磷去除效果影響程度各不相同，海藻酸鈉濃度越高TN去除效果越好，氯化鈣濃度越高TP的去除效果越好，在海藻酸鈉濃度越低及固定化時間越短時COD的去除率越高；(3)經(jīng)優(yōu)化，海藻酸鈉濃度為4%，氯化鈣濃度為1%，固定化時間為12 h時的固定化參數(shù)最適合畜禽養(yǎng)殖廢水。(4)固定化能有效提高微生物生長量，而且固定化對TN、TP有著一定的促進作用。