基于正交實(shí)驗(yàn)和矩陣分析法的固定化菌藻共生系統(tǒng)優(yōu)化

田宇，徐晨，王柳鵬，杜少燁，詹健

(南昌大學(xué)a.資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330031;b.鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031；c.工程建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330031)

近年來(lái)城鎮(zhèn)污水排放量劇增，部分污水未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入受納水體，過(guò)量的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)引起藻類和浮游生物的大量繁殖，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡，加劇水體污染。而傳統(tǒng)的污水處理方法如活性污泥系統(tǒng)和厭氧消化工藝，存在對(duì)污染物的去除效率低、過(guò)程條件控制復(fù)雜以及能耗過(guò)大等問(wèn)題[1]。菌藻共生(algae and bacteria symbiotic,ABS)系統(tǒng)作為一種協(xié)同細(xì)菌和微藻進(jìn)行污水處理的新技術(shù)[2]，具有高效脫氮除磷、節(jié)約能耗、生物質(zhì)資源可回收等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[3-5]。但在利用ABS系統(tǒng)處理生活污水過(guò)程中，由于藻類細(xì)胞通常只有3～8 μm，重力沉降性能表現(xiàn)較差，而微藻細(xì)胞分泌的胞外多糖較少，不易于成團(tuán)[6-7]，導(dǎo)致藻類流失引起二次污染。菌藻固定化技術(shù)是通過(guò)物理和化學(xué)方法將懸浮狀態(tài)的菌藻固定在一定的空間內(nèi)，菌藻在固定空間內(nèi)仍具有活性，可以有效提高藻類生物量積累，加快反應(yīng)速度，加強(qiáng)藻類抗毒害作用，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠一定程度上緩解藻類細(xì)胞流失[8]。

然而微藻細(xì)胞對(duì)光的散射，色素對(duì)光的吸收，污泥絮體的遮擋，都會(huì)引起光衰減現(xiàn)象，使得反應(yīng)器內(nèi)部微藻所接收到的光強(qiáng)低于光補(bǔ)償點(diǎn)，導(dǎo)致微藻的生長(zhǎng)速率和細(xì)胞活性受到限制[9-10]，從而影響ABS系統(tǒng)的脫氮除磷效果[11-12]。所以對(duì)如何緩解反應(yīng)器光衰減現(xiàn)象和光照條件對(duì)ABS系統(tǒng)運(yùn)行效能的影響進(jìn)行研究是十分有必要的。大多數(shù)學(xué)者[13-14]對(duì)ABS系統(tǒng)關(guān)于照度和光照周期的研究都是通過(guò)單因素分析，而多因素對(duì)ABS系統(tǒng)運(yùn)行的綜合影響卻少有報(bào)道。

本研究選取黃綠發(fā)光填料固定化以小球藻和活性污泥構(gòu)建的ABS系統(tǒng)，選取發(fā)光材料配比、光照時(shí)間、照度3個(gè)因素設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)黃綠發(fā)光填料固定化菌藻共生系統(tǒng)(immobilized algae and bacteria symbiotic system with yellow-green luminescent filler,IABSS-YLF)對(duì)污水中TN、TP和COD等污染物的去除效果進(jìn)行深入研究，并利用矩陣分析法對(duì)各個(gè)因素關(guān)于IABSS-YLF的污染物去除效果影響進(jìn)行分析，選出IABSS-YLF的最優(yōu)光照條件。本研究為探究IABSS-YLF系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮高效污染物去除能力的最佳運(yùn)行條件，并為實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

Su等[15]在研究微藻的沉降性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)席藻、小球藻和柵藻的沉降性能較好，小球藻的脫氮除磷能力最佳。同時(shí)小球藻為科研研究和實(shí)際工程中廣泛使用的菌類之一，選擇小球藻作為研究藻種，使研究結(jié)論更具有代表性和參考性。小球藻通過(guò)活化、馴化和培養(yǎng)后作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象和種子液的制備。本實(shí)驗(yàn)所用污泥來(lái)自某市污水處理廠的二沉池回流污泥?；钚晕勰嗖捎萌斯ず铣晌鬯M(jìn)行馴化培養(yǎng)，使得活性污泥保持較好的活性，待15 d后與富集培養(yǎng)的小球藻混合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

發(fā)光填料的制備是將黃綠發(fā)光材料與UV滴膠按一定比例進(jìn)行混合，使用攪拌棒將其攪拌至無(wú)氣泡狀液體，然后使用羊毛刷均勻涂覆在普通填料表面，通過(guò)利用9 W紫外燈將其固化在普通填料表面制得發(fā)光填料。普通填料為聚丙烯空心球填料，直徑25 mm，比表面積為500 m2·m-3。UV滴膠是透明狀液體，主要功能是將發(fā)光材料固化在填料表面。黃綠發(fā)光材料呈粉末狀，主要的物質(zhì)組成為SrAl2O4：Eu2+，Dy3+，發(fā)光波長(zhǎng)為520 nm。

實(shí)驗(yàn)裝置由聚氯乙烯材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)為截面直徑15 cm，高60 cm的無(wú)蓋柱體，有效容積為8 L。柱體中間設(shè)置有一個(gè)直徑約1 cm的出水孔，連接適宜長(zhǎng)度的塑料軟管以方便收集出水樣品。所有實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)接種污泥質(zhì)量濃度為1 600 mg·L-1，藻類質(zhì)量濃度為400 mg·L-1，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的填料填充率約為裝置有效容積的20%。進(jìn)水選用人工合成污水，人工合成污水配方見表1。人工合成污水的COD、TN和TP質(zhì)量濃度在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際測(cè)定值分別為(400±50 )mg·L-1，(40±5 ) mg·L-1和(5±0.8) mg·L-1。

表1 人工合成污水配方

實(shí)驗(yàn)裝置采用SBR運(yùn)行模式，每天運(yùn)行2個(gè)周期，1個(gè)周期為12 h，共運(yùn)行40 d。在每個(gè)周期內(nèi)進(jìn)水30 min，曝氣8 h，靜置3 h，出水30 min。所有反應(yīng)器使用LED光帶纏繞在反應(yīng)器外壁上作為人工光照。曝氣量設(shè)置為0.4 L·min-1，進(jìn)出水體積為4 L，占系統(tǒng)體積50%，使反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間為24 h。每天對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)排泥，每個(gè)反應(yīng)器排泥100 mL左右，污泥齡為20 d。

1.2 樣品收集與測(cè)定

通過(guò)使用聚氯乙烯桶分別將所有實(shí)驗(yàn)裝置在每個(gè)運(yùn)行周期的出水水樣進(jìn)行收集，用攪拌棒混勻移入樣品瓶?jī)?nèi)，將多余的水樣棄置。樣品瓶?jī)?chǔ)存于4 ℃冷藏箱內(nèi)，在24 h內(nèi)對(duì)水樣中的COD、TN和TP質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定并記錄。重鉻酸鹽法[16]用于測(cè)定樣品中的COD質(zhì)量濃度，堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[17]用于測(cè)定水樣中的TN質(zhì)量濃度，鉬酸銨分光光度法[18]用于測(cè)定水樣中的TP質(zhì)量濃度。

本研究通過(guò)計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)裝置在40 d運(yùn)行周期的平均COD、TN和TP去除率評(píng)價(jià)IABSS-YLF在不同運(yùn)行條件下的污染物去除能力。本研究中平均污染物去除率η可通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

式中：η為平均污染物去除率，%；n為實(shí)驗(yàn)周期數(shù)；Ci為第i運(yùn)行周期水樣中某污染物濃度，mg·L-1;C0為進(jìn)水中某污染物濃度，mg·L-1。

1.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以COD去除率η1、TN去除率η2、TP去除率η3為指標(biāo)，選取照度E、發(fā)光材料配比r、光照時(shí)間t為影響因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，可選標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(33)，即構(gòu)建9個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，利用軟件分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表見表1。各因素水平數(shù)值的選取主要參考其他研究者相關(guān)的單因素研究結(jié)論和前期研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[19-20]。

1.4 矩陣分析法

矩陣分析法是通過(guò)建立一個(gè)三層遞階層次結(jié)構(gòu)模型，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)中的單指標(biāo)直觀分析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣計(jì)算后得出各因素水平的權(quán)重大小，從而得出IABSS-YLF的最佳光照條件[21-22]。矩陣法建立指標(biāo)層矩陣、因素層矩陣、水平層矩陣，三層矩陣相乘得出一個(gè)權(quán)矩陣，權(quán)矩陣代表正交實(shí)驗(yàn)中各因素水平的權(quán)重大小。

指標(biāo)層矩陣M：設(shè)正交實(shí)驗(yàn)有m個(gè)因素n個(gè)水平；取第i個(gè)因素在第j個(gè)水平上指標(biāo)和的平均值為Kij，若對(duì)該指標(biāo)的期望是越大越好，則直接取Kij，若對(duì)該指標(biāo)的期望是越小越好，則取平均值的倒數(shù)1/Kij。指標(biāo)層矩陣M如式(2)所示。本實(shí)驗(yàn)中COD去除率、TN去除率、TP去除率均期望越大越好，因此取平均值Kij。

(2)

(3)

(4)

影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)值的權(quán)矩陣w如式(5)所示。

w=MTR

(5)

2 結(jié)果與討論

正交實(shí)驗(yàn)L9(33)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

利用軟件對(duì)COD去除率、TN去除率和TP去除率3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立極差分析，為建立多指標(biāo)矩陣分析提供數(shù)據(jù)。

COD去除率η1、TN去除率η2和TP去除率η3的極差分析結(jié)果見表4。

表4 極差分析結(jié)果

以COD去除率為指標(biāo)，通過(guò)表3可知：光照時(shí)間t(C)因素對(duì)COD去除率影響最大，Ri為20.60；照度E(A)因素對(duì)COD去除率影響次之，Ri為12.33；發(fā)光材料配比r(B)因素對(duì)COD去除率影響最弱，Ri為6.30。從而可以排出各因素影響順序?yàn)镃>A>B，這說(shuō)明外部光照相對(duì)內(nèi)部光照更能影響IABSS-YLF對(duì)污水的COD去除能力。可知，隨著A的增長(zhǎng)，COD去除率先急劇降低再急劇升高；隨著B的增長(zhǎng)，COD去除率緩慢上升；隨著C的增長(zhǎng)，COD去除率先急劇上升再緩慢下降。分析可見，因素A取水平3，因素B取水平3，因素C取水平2。因此對(duì)于COD去除率指標(biāo)來(lái)分析，參數(shù)最優(yōu)選擇是A3B3C2，即照度為8 000 lx，發(fā)光材料配比為0.500，光照時(shí)間為9 h的條件下，COD去除率最高為91.5%。相對(duì)微藻，細(xì)菌降解系統(tǒng)內(nèi)大分子有機(jī)物的能力更強(qiáng)，被降解的物質(zhì)可供微藻同化吸收促進(jìn)繁殖，藻類在進(jìn)行代謝活動(dòng)時(shí)分泌出的代謝物又可供細(xì)菌利用從而完成自我增殖[23]。這說(shuō)明IABSS-YLF在強(qiáng)烈且充足的光照條件下提高了裝置內(nèi)藻類的光合作用能力，進(jìn)一步加強(qiáng)菌藻之間的協(xié)同作用，能更好發(fā)揮對(duì)污水穩(wěn)定且高效COD去除效果。

表3 正交實(shí)驗(yàn)L9(33)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以TN去除率為指標(biāo)，通過(guò)表3可知：照度(A)因素對(duì)TN去除率影響最大，Ri為21.23；發(fā)光材料配比(B)因素對(duì)TN去除率影響次之，Ri為11.50；光照時(shí)間(C)因素對(duì)TN去除率影響最弱，Ri為11.27。從而可以排出各因素影響順序?yàn)锳>B>C，照度的變化能顯著影響IABSS-YLF對(duì)污水中氮的去除效果?？芍S著A的增長(zhǎng)，TN去除率先急劇降低再迅速升高，升高后的數(shù)值比開始時(shí)的數(shù)值要低；隨著B的增長(zhǎng)，TN去除率先上升再降低；隨著C的增長(zhǎng)，TN去除率先呈現(xiàn)急劇下降再緩慢下降趨勢(shì)。由以上圖表分析可見，因素A取水平1，因素B取水平2，因素C取水平1。因此對(duì)于TN去除率指標(biāo)來(lái)分析，參數(shù)最優(yōu)選擇是A1B2C1，即照度為4 000 lx，發(fā)光材料配比為0.375，光照時(shí)間為6 h的條件下，TN去除率最高。系統(tǒng)內(nèi)TN的去除途徑主要是通過(guò)微生物同化作用、硝化作用及反硝化作用[24]，而較長(zhǎng)的光照時(shí)間導(dǎo)致藻類過(guò)量產(chǎn)生的溶解氧會(huì)一定程度上影響系統(tǒng)整體的反硝化過(guò)程，同時(shí)使活性污泥迅速老化，從而降低IABSS-YLF對(duì)污水中氮的去除效率，這與李竺芯等[13]的研究結(jié)論相一致。

以TP去除率為指標(biāo)，通過(guò)表3可知：照度(A)因素對(duì)TP去除率影響最大，Ri為8.63；發(fā)光材料配比(B)因素對(duì)TP去除率影響次之，Ri為4.10；光照時(shí)間(C)因素對(duì)TP去除率影響最弱，Ri為3.73。從而可以排出各因素影響順序?yàn)锳>B>C，這與各因素對(duì)TN去除率的影響情況相似。隨著A的增長(zhǎng)，TP去除率先急劇下降再升高,升高后的數(shù)值比開始時(shí)的數(shù)值要低；隨著B的增長(zhǎng)，TP去除率先上升再下降；隨著C的增長(zhǎng)，TP去除率先緩慢下降再急劇升高。由以上圖表分析可見，因素A取水平1，因素B取水平2，因素C取水平3。因此對(duì)于TP去除率指標(biāo)來(lái)分析，參數(shù)最優(yōu)選擇是A1B2C3，即照度為4 000 lx，發(fā)光材料配比為0.375，光照時(shí)間為12 h的條件下，TP去除率最高。微藻對(duì)磷的同化作用，具備和聚磷菌一樣可以逆濃度梯度過(guò)量吸磷合成多磷酸鹽顆粒儲(chǔ)存在體內(nèi)的特性[25]，能表現(xiàn)出更強(qiáng)的磷去除效率[26-27]。所以這也說(shuō)明了在充足的光照時(shí)間條件下，微藻光合作用能力和合成代謝活性提高，過(guò)量的溶解氧同時(shí)促進(jìn)微藻和聚磷菌吸磷能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中磷的去除。趙思源[28]的研究結(jié)論顯示聚磷菌在連續(xù)充氧條件下對(duì)反應(yīng)器內(nèi)磷的去除率高達(dá)97.7%，也證明了這一點(diǎn)。

將表3的極差分析結(jié)果代入式(2)～式(5)中，得到COD、TN和TP去除率的權(quán)矩陣計(jì)算結(jié)果如下：

(6)

計(jì)算3個(gè)指標(biāo)的平均值：

(7)

由式(7)可以得出A1，B2，C2所占的權(quán)重最大，因此正交實(shí)驗(yàn)得出的IABSS-YLF最優(yōu)參數(shù)為A1B2C2，即照度為4 000 lx，發(fā)光材料配比為0.375，光照時(shí)間為9 h。在這個(gè)最優(yōu)光照條件下，IABSS-YLF對(duì)污水中COD、TN和TP的去除率分別為89.8%，78.7%和82.1%。

3 結(jié)論

本文以黃綠填料固定化菌藻共生系統(tǒng)為研究對(duì)象，照度、發(fā)光材料比和光照時(shí)間為實(shí)驗(yàn)變量因素，COD、TN和TP去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了L9(33)正交實(shí)驗(yàn)，研究IABSS-YLF穩(wěn)定發(fā)揮高效污染物去除能力的最佳光照條件，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)單指標(biāo)極差分析，照度(A)、光照周期(B)、黃綠發(fā)光材料配比(C) 3種因素對(duì)IABSS-YLF處理污水效率的影響，分別得出對(duì)COD去除率、TN去除率以及TP去除率最大的影響因素以及最優(yōu)水平。對(duì)COD去除率指標(biāo)影響因素最大的是因素C，因素B影響最弱，因素的最優(yōu)水平為A3B3C2。對(duì)TN去除率指標(biāo)影響因素最大的是因素A，因素C影響最弱，因素的最優(yōu)水平為A1B2C1。對(duì)TP去除率指標(biāo)影響因素最大的是因素A，因素C影響最弱，因素的最優(yōu)水平為A1B2C3。

(2)通過(guò)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)極差分析，為多指標(biāo)矩陣法提供數(shù)據(jù)。對(duì)多指標(biāo)正交實(shí)驗(yàn)使用矩陣法進(jìn)行計(jì)算分析，綜合評(píng)價(jià)后按權(quán)重大小得出因素水平的最佳方案組合，即A1B2C2。綜上，確定IABSS-YLF穩(wěn)定高效去除污水中COD、TN和TP等污染物的最優(yōu)光照條件如下：照度為4 000 lx，光照時(shí)間9 h，發(fā)光材料配比0.375。在最優(yōu)光照條件下，IABSS-YLF對(duì)污水中COD、TN和TP的去除率分別為89.8%，78.7%和82.1%。

(3)后期應(yīng)深入研究IABSS-YLF對(duì)污水中氮磷及有機(jī)物的去除機(jī)制和系統(tǒng)內(nèi)菌藻活性的影響。同時(shí)菌藻共生系統(tǒng)的外部光源和發(fā)光填料是否存在相互聯(lián)系，不同光質(zhì)發(fā)光填料的綜合影響也應(yīng)進(jìn)一步考慮。