盛化軍

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

目前，我國(guó)城市污水處理廠大多采用消耗大量能源的活性污泥法，其中機(jī)械曝氣能耗占整個(gè)污水處理過(guò)程能耗的45%～75%。近年來(lái)，菌藻共生系統(tǒng)得到大量研究，藻類與活性污泥可進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)污水凈化、資源化與生物質(zhì)回收同步。20世紀(jì)50年代，已有研究將活性污泥和藻耦合應(yīng)用于污水治理。近年來(lái)，學(xué)者將菌藻共生污泥體系應(yīng)用于高鹽工業(yè)廢水處理、焦化高氨廢水處理及養(yǎng)殖廢水處理中。李竺芯等研究發(fā)現(xiàn)，間接交替光照可增強(qiáng)菌藻共生污泥的脫氮能力。曝氣可使菌藻共生污泥系統(tǒng)中二氧化碳與溶解氧增加，對(duì)污染物降解有促進(jìn)作用。

光照、溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及其他環(huán)境因子對(duì)藻類的生長(zhǎng)具有很大影響。藻類與細(xì)菌之間的關(guān)系十分復(fù)雜，包括代謝產(chǎn)物相互利用的關(guān)系，也包含對(duì)營(yíng)養(yǎng)物相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，而且隨著外界環(huán)境的改變，它們的關(guān)系也發(fā)生改變。將菌藻互利共生最大化是提高出水水質(zhì)的重要途徑。本研究考慮四種不同操作條件下菌藻共生系統(tǒng)的特性，即靜置、攪拌、曝氣、攪拌+曝氣，探究菌藻共生系統(tǒng)最適宜的操作條件，為后續(xù)菌藻共生顆粒在不同條件下的模擬演化提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 藻與活性污泥

小球藻購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所藻種庫(kù)，在BG11 培養(yǎng)基下，將其置于光照培養(yǎng)箱中，光照強(qiáng)度設(shè)置為9 000 Lux，光周期為12 h 光/12 h 黑，溫度為25 ℃，進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。接種的絮體污泥取自合肥市某污水處理廠，活化后再接種至菌藻共生系統(tǒng)中。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)與操作條件

采用人工配水，進(jìn)水水質(zhì)方面，化學(xué)需氧量（COD）為300 mg/L，氨氮（NH-N）為45 mg/L，正磷酸鹽（PO-P）為8 mg/L，微量元素液為1 mL/L。設(shè)置4 組燒杯置于光照培養(yǎng)箱（常州普天，GHP-160）中，有效容積均為2 L，分別對(duì)應(yīng)靜置組、曝氣組、攪拌組和曝氣+攪拌組。光照培養(yǎng)箱放置在磁力攪拌器上，其條件設(shè)置為3 000 Lux、25 ℃，曝氣強(qiáng)度為 1 L/min，攪拌強(qiáng)度為500 r/min，周期內(nèi)保持12 h 光照、12 h 黑暗。

1.3 測(cè)試方法

水樣經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后，按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、NH-N、PO-P 濃度。本次試驗(yàn)采用丙酮分光光度法進(jìn)行葉綠素測(cè)量。測(cè)試方法與計(jì)算公式參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD 去除效果

由圖1 可知，活性污泥和藻混合，在3 d 后，菌藻共生污泥體系達(dá)到穩(wěn)定。

圖1 不同條件下COD 去除效果

其中，曝氣+攪拌組COD 降解率最高，因?yàn)槠貧鈼l件下活性污泥代謝速度快，而且攪拌條件可以使物料均勻，增加反應(yīng)器中O及CO濃度，同時(shí)可有效避免溶液中總懸浮物濃度過(guò)高對(duì)藻造成的光衰減，影響藻類生長(zhǎng)，故其COD 的去除效率最高。

2.2 N、P 的去除效果

不同操作條件下的NH-N 和PO-P 去除效果如圖2 所示。經(jīng)過(guò)3 d 時(shí)間，NH-N 和PO-P 的去除效果達(dá)到穩(wěn)定，與靜置組和曝氣組相比，攪拌組及曝氣+攪拌組N、P 的去除率更高。這是因?yàn)楣馐怯绊懳⒃迳L(zhǎng)的重要因素，絕大多數(shù)光能被藻細(xì)胞吸收利用，光合效率較高。

圖2 不同條件下的NH4+-N 和PO43--P 去除效果

2.3 不同條件對(duì)葉綠素的影響

不同條件下葉綠素a 的變化情況如圖3 所示。本試驗(yàn)以葉綠素a 變化表示藻類生物量的變化，初始接種活性污泥和藻類生物量比例為1 ∶1 的情況下，靜置組葉綠素a 含量最高。賈璇等研究發(fā)現(xiàn)，在遮光下向小球藻培養(yǎng)基中投加有機(jī)物，小球藻可進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)，這可以間接解釋光照不均勻條件下靜置組藻類生物量反而最高的現(xiàn)象。

圖3 不同條件下葉綠素a 的變化情況

菌藻共生系統(tǒng)中，藻類和活性污泥之間的關(guān)系很復(fù)雜，協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)共存。靜置組中微藻生物量最高，污染物降解率反而最低，由此推斷，在藻類與活性污泥的關(guān)系中，拮抗作用占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)藻類會(huì)產(chǎn)生抗生素，抑制細(xì)菌的活性，導(dǎo)致藻類占據(jù)優(yōu)勢(shì)。整個(gè)試驗(yàn)期間，曝氣組葉綠素a 增量最小，這可能是因?yàn)槠貧鈼l件下過(guò)高的溶解氧會(huì)抑制藻的活性，這與ZHANG 等的發(fā)現(xiàn)相同；在光生物反應(yīng)器裝置上，肉眼可見(jiàn)細(xì)菌附著在燒杯內(nèi)壁，形成菌膠團(tuán)，阻礙光照，影響藻類進(jìn)行光合作用。

2.4 不同條件對(duì)菌藻共生沉降性能的影響

由圖4 可知，曝氣組及曝氣+攪拌組的平均污泥指數(shù)（）為51 mL/g。曝氣組及曝氣+攪拌組的沉降性能好，這是因?yàn)槠貧饪蓮浹a(bǔ)藻類產(chǎn)氧不足，調(diào)節(jié)污泥活性。此外，菌藻共生污泥體系與單獨(dú)活性污泥系統(tǒng)相比，可降低44%。這說(shuō)明活性污泥與微藻耦合可解決微藻沉降性能差導(dǎo)致出水不穩(wěn)定的 問(wèn)題。

圖4 不同條件下沉降性能的變化情況

3 結(jié)論

活性污泥可與小球藻形成穩(wěn)定的菌藻共生污泥體系，且對(duì)有機(jī)物、氨氮有很高的去除率，曝氣+攪拌組性能最優(yōu)。菌藻共生污泥體系中，當(dāng)初始接種微藻和活性污泥比例為1 ∶1 時(shí)，小球藻可產(chǎn)生部分氧氣，從而減少曝氣強(qiáng)度；在氨氮的降解中，小球藻的同化吸收發(fā)揮主導(dǎo)作用。