響應面法優(yōu)化藻菌共生系統(tǒng)氮磷去除能力研究

母銳敏賈延天祁峰劉樂然郭清楊

(1.山東建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，山東 濟南250101；2.同圓設計集團，山東 濟南250101)

0 引言

活性污泥法是市政和工業(yè)廢水中使用最廣泛的處理方法，具有降解多種有機和無機污染物的能力。但是活性污泥法的效率取決于有氧代謝，而有氧代謝通常需要進行密集的機械曝氣，能耗可能占運營成本的45%～75%[1]。在此過程中，CO2和氮氧化物的排放也會對環(huán)境產生影響；活性污泥的干燥、脫水處理會阻止或減慢環(huán)境中養(yǎng)分的循環(huán)。因此，需要開發(fā)一種經濟、高效并解決上述問題的一步式緊湊技術。此外，活性污泥法去除氮和磷的能力不足，通常需要進行3次處理才能滿足嚴格的養(yǎng)分排放要求?？赡艿慕鉀Q方案是開發(fā)能夠克服常規(guī)系統(tǒng)局限性的藻類和活性污泥共生工藝[2]。近年來，通過微藻和活性污泥共生的方法同時去除碳和養(yǎng)分引起了人們的極大興趣。通常微藻通過光合自養(yǎng)的方式，利用光和CO2(或無機碳)作為能源和碳，光合作用產生的氧氣可以滿足活性污泥的好氧環(huán)境；而活性污泥在去除有機物時，會將微藻難以吸收的有機物轉化為無機碳或小顆粒有機碳，這些物質可以被微藻利用。因此，藻菌共生系統(tǒng)比活性污泥減少了更多的曝氣能耗。此外，微藻對氮磷的主動吸收，擺脫了活性污泥法頻繁的厭氧、好氧條件的轉換。另外，微藻能夠將CO2捕集到生物質中，而產生的生物質可以作為原料收獲以產生能量和高價值物質，如生物柴油、顏料和肥料?；谖⒃寮毦募夹g被視為環(huán)境可持續(xù)廢水處理的替代方法[3]。

微藻與活性污泥共生關系的建立，與很多因素息息相關[4]，如工藝條件、營養(yǎng)物質含量、水質酸堿度等，因此對共生體系的工藝優(yōu)化是十分有必要的。很多學者對藻菌共生的工藝優(yōu)化做了大量研究，LUO等[5]在光生物反應器中確定的最優(yōu)水力停留時間為48 h。ZHANG等[6]確定了外加碳源的投入量對藻菌共生系統(tǒng)對氮磷等營養(yǎng)物質的去除效果的影響。ASSEMANY等[7]發(fā)現(xiàn)高效藻類塘無遮光處理的藻菌共生系統(tǒng)在營養(yǎng)物質去除和生物質產出能力上都要明顯高于遮光70%的對照組。

文章將培養(yǎng)的小球藻與活性污泥作為研究對象，采用響應面法[4，8]優(yōu)化藻菌共生系統(tǒng)處理二級出水的工藝參數(shù)，探究曝氣量、光照、曝氣量中的CO2體積分數(shù)對共生系統(tǒng)處理二級出水的氨氮(Ammonia Nitrogen，NH3-N)、總磷(Total Phosphorus，TP)的影響，為建立藻菌共生系統(tǒng)工藝提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 小球藻

小球藻篩選自山東建筑大學映雪湖。將取樣后的小球藻在滅菌后的BG11培養(yǎng)液中培養(yǎng)，pH值調節(jié)至7.1。培養(yǎng)液置于1 L的錐形瓶中擴大培養(yǎng)小球藻。錐形瓶放置在恒溫23℃，光照為5 000 lx的人工氣候培養(yǎng)室。BG11組分詳見表1。

表1 BG11培養(yǎng)基質量濃度表

1.1.2 活性污泥

活性污泥取自山東建筑大學中水處理廠第三曝氣池?；钚晕勰嘟涍^篩網去除大顆粒物質后，靜止12 h后去除上清液，并洗滌3次，再次去除上清液。污泥在22 h曝氣、2 h靜置的周期馴化。培養(yǎng)基為經實驗室改良的合成污水，成分見表2。

表2 合成污水成分表

1.1.3 藻菌共生體

根據(jù)小球藻與活性污泥的生物質質量濃度(干重，下同)，按照5∶1將小球藻與活性污泥進行共培養(yǎng)，離心后接種在培養(yǎng)基中培養(yǎng)，混合后的藻菌共生體的生物質質量濃度為0.5 mg/L?；旌现暗男∏蛟迮c活性污泥經離心，純水沖洗3次。

1.1.4 二級出水

二級出水取自山東建筑大學污水處理廠中水出水井。實驗前，通過重力沉降去除大固體顆粒。為去除懸浮和溶解固體，將其在4 000 r/min條件下離心10 min，取上清液，然后通過孔徑為0.45μm的注射器濾膜過濾。實驗所用二級出水的NH3-N、TP質量濃度分別為17.32、3.65 mg/L。

1.2 實驗設計

1.2.1 反應器

將藻菌共生體(Algal-Bacteria Symbiont，ABS)接種到柱狀光生物反應器中。反應器的體積為3 L(高為350 mm、內徑為105 mm)、壁厚為5 mm。反應器底部設置曝氣接頭，壁身自上而下設置4個取樣口，在頂部分別有出氣口和備用進料口，反應器平面圖如圖1所示。將其放置在人工氣候室中培養(yǎng)2 d，保持恒溫23℃，每組設置3個平行實驗。

圖1 柱狀光生物反應器平面圖

1.2.2 單因素實驗設計

(1)光照強度對藻菌共生系統(tǒng)的影響 設置5組光照強度分別為1 000、3 000、5 000、7 000、9 000 lx。藻菌共生體的生物質質量濃度為0.5 mg/L，投加至柱狀光生物反應器，培養(yǎng)條件的溫度為23℃，曝氣為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為5%，每組實驗重復3次。

(2)曝氣量對藻菌共生系統(tǒng)的影響 鼓風機曝氣量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 L/min。藻菌共生體的生物質質量濃度為0.5 mg/L，投加至柱狀光生物反應器，培養(yǎng)條件的溫度為23℃，光照強度為5 000 lx，CO2體積分數(shù)為5%，每組實驗重復3次。

(3)曝氣量中CO2對藻菌共生系統(tǒng)的影響 曝氣量中的CO2體積分數(shù)分別為1%、5%、10%、15%、20%。藻菌共生體的生物質質量濃度為0.5 mg/L，投加至柱狀光生物反應器，培養(yǎng)條件的溫度為23℃，光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，每組實驗重復3次。

1.2.3 響應面實驗設計

采用響應面法的中心組合設計響應面實驗，研究光照強度、曝氣量、CO2體積分數(shù)3個因素對NH3-N、TP的去除效率的影響，建立了3因素3水平的實驗，詳見表3。藻菌共生體的生物質質量濃度為0.5 g/L，溫度為23℃。因素水平的設置方法為:氣體體積流量計調節(jié)空氣以及CO2曝氣量，通過調節(jié)可變日光燈的亮度調節(jié)光照強度。

表3 中心組合設計響應面實驗設計因素與水平表

2 結果與討論

2.1 藻菌共生系統(tǒng)去除營養(yǎng)物質的影響因素分析

2.1.1 不同光照強度對藻菌共生系統(tǒng)的影響

不同光照強度對藻菌共生系統(tǒng)處理TP、NH3-N效率的影響如圖2所示。經過48 h的處理，光照強度為5 000 lx的藻菌共生系統(tǒng)的處理效果明顯高于其他組分。這是因為持續(xù)曝氣的環(huán)境，微藻幾乎吸收去除了氮磷等元素。而微藻吸收氮磷的速率與其生長情況有關，需要一個合適的光照環(huán)境[9]，即較高的光照會對微藻的光合作用產生抑制作用，而較低的光照則會直接抑制微藻的生長[10]。

圖2 不同光照強度下藻菌共生系統(tǒng)對氮磷的去除效果圖

藻菌共生系統(tǒng)在不同光照強度的影響下，對TP的去除效果差異明顯。光照強度為5 000 lx的藻菌共生系統(tǒng)，對TP的去除明顯優(yōu)于其他的組分，在第36 h時，該組分水環(huán)境內的TP率先達到出水的標準。而1 000 lx光照強度下的藻菌共生體對TP的去除收效甚微，在第48 h時對TP的去除率僅有46.02%，遠小于5 000 lx組分的91.7%。

藻菌共生系統(tǒng)在不同光照強度的影響下，對NH3-N的去除效果變化不大。這是由于微藻對氮的優(yōu)先吸收原則，使得在藻菌共生系統(tǒng)接種到污水的早期就有非常明顯的去除效果。5 000 lx的光照下，對NH3-N的去除效果高于另外4個組分。

藻菌共生系統(tǒng)在不同光照強度的影響下，對NH3-N去除效果比TP的更加明顯。在第24 h水力停留時間過半時，NH3-N的去除率要遠高于TP的，這是因為微藻相較于TP會優(yōu)先吸收NH3-N，這樣的結論不鮮見，WANG等[11]發(fā)現(xiàn)，在污水處理廠中污水經藻類塘的藻菌共生系統(tǒng)處理后，NH3-N的去除效率是其他物質的6倍以上；ARIAS等[12]發(fā)現(xiàn)，藻類與藍細菌共生作用下，NH3-N去除(去除率＞95%)時污水中還有尚未被去除的TP。

2.1.2 不同曝氣量對藻菌共生系統(tǒng)的影響

不同曝氣量對藻菌共生系統(tǒng)處理TP、NH3-N效率的影響如圖3所示。經過48 h的處理，曝氣量為0.6 L/min的藻菌共生系統(tǒng)的處理效果明顯高于其他組分，這是因為曝氣增強了藻菌共生系統(tǒng)的活性[13]。在低溶解氧(厭氧)環(huán)境下，大量的厭氧菌、兼性厭氧菌群落將會繁殖，藻菌共生系統(tǒng)的優(yōu)勢共生關系會轉向微藻與細菌對氮磷的爭奪上[5]。而高溶解氧下，微藻細胞會因為高含量的氧限制，從而降低了光合反應，小球藻的生長受限，降低了對氮磷的吸收能力[14]。

圖3 不同曝氣量下藻菌共生系統(tǒng)對氮磷的去除效果圖

藻菌共生系統(tǒng)在不同的曝氣量的影響下，對TP的去除效果比較明顯。各個組分在第12 h時，去除率接近50%。而在12～36 h內去除變化不明顯。第48 h時，0.6 L/min的曝氣量下的藻菌共生系統(tǒng)，對TP的去除達到了一級A出水標準，而其他4個組分均未達到。

藻菌共生系統(tǒng)在不同的曝氣量的影響下，對NH3-N的去除效果差異不大。各曝氣量下NH3-N下降曲線趨于一致。這主要是因為NH3-N作為微藻和活性污泥合成蛋白質的主要原料在持續(xù)吸收轉化[15]。

2.1.3 不同CO2體積分數(shù)對藻菌共生系統(tǒng)的影響

不同CO2體積分數(shù)對藻菌共生系統(tǒng)處理TP、NH3-N效率的影響如圖4所示。10%的CO2相較于其他體積分數(shù)的CO2有更高的去除效果。這是因為CO2作為無機碳是小球藻進行光合作用的基礎原料，相比碳酸鹽、碳酸氫鹽，CO2的優(yōu)勢是不會使水溶液的pH值發(fā)生快速變化。但是作為酸性氣體，過量的CO2會使水溶液pH值降低，而小球藻被證明更容易在偏堿性的水環(huán)境中生長增殖。

圖4 不同CO2體積分數(shù)時藻菌共生系統(tǒng)對氮磷的去除效果圖

藻菌共生系統(tǒng)在不同CO2體積分數(shù)的影響下，TP的去除差異明顯。在第24 h，各個組分的差異最為顯著，外加碳源提升了TP的去除效果。并非個例，CHOIX等[16]發(fā)現(xiàn)外加的CO2提升了小球藻與巴西擬螺旋體細菌的共生作用，促進小球藻在污水中吸收磷轉化為生物質的能力。

藻菌共生系統(tǒng)在不同CO2體積分數(shù)的影響下，對NH3-N的去除效果趨勢一致。值得討論的是，在高CO2體積分數(shù)的藻菌共生系統(tǒng)中，NH3-N的去除效果最差，這是因為較高的C/N影響藻菌共生的去除效果[17]。除此以外，也有可能是高CO2降低了pH值，盡管這對細菌來說可以提高活性，但不足以彌補對小球藻活性的抑制[18]。

2.2 小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)氮磷去除效果的優(yōu)化實驗

以單因素的實驗結論為基礎，設定小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)的光照強度、曝氣量、CO2比例為優(yōu)化的參數(shù)。中心組合設計響應面實驗的設計與結果見表4。利用實驗設計軟件Design Expert 10對數(shù)據(jù)進行二次回歸方程的分析與方差分析，得出的回歸方程、顯著性檢驗見表5。實驗數(shù)據(jù)顯著性檢驗的結果顯示，NH3-N、TP的去除率的模型P值均＜0.05，顯著。

表4 中心組合設計響應面實驗的設計與結果表

表5 響應面模型方差分析表

2.2.1 變量對小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)NH3-N去除率影響的響應面分析

利用Design Expert 10進行數(shù)據(jù)分析與響應面分析?；谥行慕M合的小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)NH3-N去除率的響應面分析如圖5所示。圖5(b)的曲線代表的是響應面的等高線，等高線越密集說明影響越大，反之則越小。由表5方差分析結果可知，NH3-N去除率的響應面模型與擬合的二次方程有顯著關系，證明光照強度、曝氣量、CO2體積分數(shù)會影響到小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)的NH3-N去除率。圖5(a)表明光照強度自1 000 lx開始，NH3-N的去除效率逐漸升高，在5 000 lx時達到峰值，5 000～9 000 lx開始逐漸下降；曝氣量在0.2～0.6 L/min時，NH3-N的去除效率隨著曝氣量的升高而逐漸升高；在0.6～0.9 L/min時，NH3-N的去除效率隨著曝氣量的升高而逐漸降低。NH3-N的去除效率最高為97.3%，此時光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為10.5%。單因素分析中，NH3-N去除效果最優(yōu)條件:光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為10%，兩次實驗結果基本一致。

圖5 小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)對氮去除率的響應面圖

2.2.2 變量對小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)TP去除率影響的響應面分析

基于中心組合的小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)TP去除率的響應面分析如圖6所示。對小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)的TP去除率影響更大的是光照強度，而不是曝氣量和CO2體積分數(shù)，這樣的趨勢在圖2～4中也不難發(fā)現(xiàn)。由表5方差分析結果可知，TP去除率的響應面模型與擬合的二次方程有顯著關系，證明光照強度、曝氣量、CO2的體積分數(shù)會影響到小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)的TP去除率。圖6(a)表明光照強度自1 000 lx開始，TP的去除效率逐漸升高，在5 000 lx時達到峰值，5 000～9 000 lx開始逐漸下降。曝氣量為0.2～0.6 L/min，TP的去除效率隨著曝氣量的升高而逐漸升高，在0.6～1.0 L/min時，TP的去除效率隨著曝氣量的升高而逐漸降低。TP的去除效率最高為96.4%，此時光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為10.5%。單因素分析中，TP去除效果最優(yōu)條件:光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為10%。

圖6 小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)對磷去除率的響應面圖

3 結論

文章選用小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)，針對光照強度、曝氣量、CO2體積分數(shù)進行了單因素實驗和響應面實驗，得到以下結論:

(1)單因素分析實驗中，小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)處理二級出水中氮磷的去除效果可以通過光照強度、曝氣量、CO2體積分數(shù)進行調控。當光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為10%時，小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)較其他4個組分具有更好的氮磷去除效果。

(2)響應面優(yōu)化實驗中，小球藻與活性污泥共生系統(tǒng)處理二級出水中氮磷的效果可以通過優(yōu)化光照強度、曝氣量、CO2體積分數(shù)進行調控，經優(yōu)化后共生系統(tǒng)的最優(yōu)條件為光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數(shù)為10.5%，與單因素分析實驗的結論基本一致。

(3)研究驗證了光照強度、曝氣量、CO2體積分數(shù)等工藝條件對藻菌共生系統(tǒng)的影響，NH3-N的去除率最高可以達到97.3%，TP的去除率最高可以達到96.4%，而且持續(xù)的曝氣避免了硝化作用和反硝化作用，對活性污泥法的復雜工藝起到了簡化作用。