不同填料吸附固定化藻菌共生體在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的效果對(duì)比

張 哲，郭遠(yuǎn)濤，卓夢(mèng)瓊，丁梓堯，肖叢亮，孫盛進(jìn)，辛佳期，李 昆

(南昌大學(xué)a.資源與環(huán)境學(xué)院；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)

畜禽養(yǎng)殖廢水因其高氨氮高磷的特點(diǎn)，未經(jīng)妥善處理排放到水體環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，如水體富營(yíng)養(yǎng)化，土壤板結(jié)、鹽堿化，地下水污染等問題[1]。目前，傳統(tǒng)污水處理工藝很難實(shí)現(xiàn)其達(dá)標(biāo)排放，且未充分考慮廢水中氮磷等有價(jià)成分的資源回收。微藻作為一種光合自養(yǎng)生物，具有生長(zhǎng)速率快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、油脂含量高等特點(diǎn)，是具有潛在應(yīng)用價(jià)值的生物質(zhì)資源[2]。利用微藻與活性污泥建立的藻菌共生體系可以有效地提升廢水處理效果，提高生物質(zhì)資源產(chǎn)率和產(chǎn)量[3-4]。

固定化技術(shù)是指將活細(xì)胞通過自然或人工的方式，阻止其從原始位置移動(dòng)到系統(tǒng)中水相的技術(shù)，固定化主要分為包埋固定化和吸附固定化[5]。包埋固定化是目前研究最廣泛的固定化方法，Katam等[6]通過包埋固定化微藻-細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)在廢水處理和生物燃料生產(chǎn)量方面均比懸浮共培養(yǎng)效果更好；傅海燕等[7]采用3種不同載體包埋固定化藻菌，發(fā)現(xiàn)復(fù)合載體的脫氮除磷的效果最佳。但包埋固定化存在制作復(fù)雜、解體產(chǎn)生二次污染、再生性差等問題。吸附固定化具有載體可重復(fù)利用、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。Akhtar等[8]通過在絲瓜海綿填料上固定化培養(yǎng)小球藻來實(shí)現(xiàn)有毒金屬鎳的去除；許偉[9]等發(fā)現(xiàn)彈性立體填料的藻菌生物膜系統(tǒng)在處理當(dāng)?shù)剞r(nóng)家樂生活污水方面更有優(yōu)勢(shì)，且處理效果穩(wěn)定。目前研究主要集中在低污染物濃度的生活污水和微藻培養(yǎng)方面，在高氮磷濃度的污水處理方面研究較少。

本文選用污水處理中常用的聚氨酯海綿填料(polyurethane foam，PF)，高密度聚乙烯K1填料(K1)，辮式纖維填料(braided fiber，BF)，構(gòu)成固定化小球藻(Chlorella vulgaris)—活性污泥藻菌共生體系，以模擬畜禽養(yǎng)殖廢水為處理對(duì)象，通過研究不同填料負(fù)載下藻菌共生體系對(duì)廢水中污染物處理效果及其生物量的生長(zhǎng)情況，優(yōu)選出適合于藻菌共生體吸附固定化的填料品質(zhì)和參數(shù)條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)用水

表1 模擬廢水組成成分Tab.1 Components of simulated wastewater

1.1.2 微藻與活性污泥

實(shí)驗(yàn)用小球藻藻種系前期實(shí)驗(yàn)從某垃圾填埋場(chǎng)垃圾滲濾液中分離純化得到的1株對(duì)高鹽高氨氮水條件耐受性好的藻種，命名為NCU-C1，使用BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)，光照強(qiáng)度4000～8000 Lux，連續(xù)光照約3 d其OD680值即可達(dá)到0.6。

活性污泥取自南昌市朝陽(yáng)污水處理廠污泥，使用模擬廢水馴化所得，曝氣量3～5 L·min-1，初始污泥濃度約3 g·L-1，污泥停留時(shí)間15 d，保持pH為7～8，溶解氧(dissolved oxygen，DO)3～5 mg·L-1，溫度25 ℃±3 ℃，日常監(jiān)測(cè)pH，DO，SV(30)等指標(biāo)，保持污泥活性良好。

1.1.3 吸附固定化填料

PF為邊長(zhǎng)10 mm、30 PPI的多孔立方體，比表面積91000 m2/m3；BF為聚丙烯主繩搭配維微尼龍材質(zhì)，直徑20 mm，比表面積3200 m2/m3；K1為直徑1 cm十字穿孔的高密度聚乙烯，直徑10 mm，比表面積500 m2/m3(見圖4)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 反應(yīng)器搭建運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4組管式曝氣光生物反應(yīng)器(photobioreactor，PBR)(圖1)，反應(yīng)器由圓錐為底的圓柱形有機(jī)玻璃制成，運(yùn)行容積2 L，微孔曝氣頭置于圓臺(tái)底部，由磁力泵提供曝氣，曝氣量通過電子流量計(jì)監(jiān)測(cè)，調(diào)節(jié)分氣閥門固定曝氣流量為0.4 L·min-1，反應(yīng)器外部纏繞同等長(zhǎng)度的LED燈帶，控制其光照強(qiáng)度為4500～5000 lux。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

各組加入2 L模擬廢水，A、B、C組分別加入PF、BF、K1填料，體積填充比約10%，D組作為對(duì)照組不投加填料。每組接種生物干重總量1.8 g·L-1，按藻菌干重比1:5接種，藻0.3 g·L-1，污泥1.5 g·L-1。微藻和活性污泥于4000 r·min-1離心10 min(TDL5A，英泰儀器)后用生理鹽水洗滌，漩渦混勻儀混勻再次離心，重復(fù)3次，以洗去菌膠團(tuán)和藻可能附著的C、N、P等有機(jī)污染物，最后離心接種于模擬廢水中。反應(yīng)器運(yùn)行6 d，控制反應(yīng)器內(nèi)pH為7～7.5。

1.2.2 分析測(cè)試方法

懸浮生物量采用藻菌干重表示，0.45 μm玻璃纖維濾膜置于定量鋁箔盒中，烘箱105 ℃烘至恒重記錄其質(zhì)量M0；取一定體積v的混合樣品抽濾，抽濾完成后濾膜置于鋁箔盒中，105 ℃條件下烘至恒重記錄其質(zhì)量M1。生物量按照以下公式計(jì)算：

TSS=(M1-M0)/v

式中：TSS為每單位體積藻菌混合液干重，g·L-1；M0為玻璃纖維膜及鋁箔盒烘干至恒重的質(zhì)量，g；M1為抽濾后濾膜及鋁箔盒烘干至恒重的質(zhì)量，g；v為取樣的體積，L。

填料上吸附固定化的生物量采用改進(jìn)的超聲和化學(xué)結(jié)合方法[11]，將填料取出置于60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重，冷卻，稱重，計(jì)為M2，0.5 mol·L-1NaOH浸泡，超聲30 min使生物脫落，將填料清洗干凈，在60 ℃條件下再次烘干至恒重，冷卻，稱重，計(jì)為M3；最后，利用差減法可計(jì)算出填料上吸附固定化的生物量。

W=(M2-M3)/M3

式中：W——系統(tǒng)中每g填料負(fù)載的生物質(zhì)量，g·g-1；M2——填料與其固定化生物的總質(zhì)量，g；M3——用于測(cè)定的填料總質(zhì)量，g；

葉綠素a(chlorophyll a，Chla)與小球藻干重成正比[12]，能準(zhǔn)確反映小球藻的重量變化和生長(zhǎng)情況，Chla提取改進(jìn)方法如下[13]，取5.0 mL混合液置于10 mL離心管中，4000 r·min-1離心10 min，棄去上清液后加入5.0 mL無水甲醇，在避光條件下利用旋渦混勻器振蕩提取5 min，提取完畢后4000 r·min-1離心10 min取上清液，以無水甲醇為參比，在653和666 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光度，根據(jù)如下公式(2.3)計(jì)算Chla含量，如下公式

CChla=15.65×OD666-7.34×OD653

式中：CChla——Chla濃度，mg·L-1；ODλ——λ波長(zhǎng)(nm)處的吸光度；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，吸附固定化的微藻葉綠素測(cè)量方法為取10個(gè)A、C填料，2 cm辮式纖維填料于聚乙烯方瓶中，加入50 ml去離子水，超聲振蕩將吸附的生物脫附于去離子水中，取5 ml測(cè)量葉綠素，將藻菌脫附后的填料置于60 ℃烘干稱重記為M4，每g材料吸附的微藻的葉綠素含量公式如下：

C固chla=10CChla/M4

式中：C固chla——每g填料固定化的Chla，mg·g-1；CChla——脫附于去離子水中的Chla質(zhì)量濃度，mg·g-1；M4——材料烘干后的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻菌絮體粒徑分析

藻菌絮體粒徑分布如圖2所示，可以看出，平均粒徑占比分布順序?yàn)锳>B>C>D，投加填料能夠有效地增大絮體粒徑，而藻菌絮體粒徑的增大，說明填料的加入有利于藻菌共生體的附著生長(zhǎng)，更好的生長(zhǎng)狀況形成了更大的共生絮體，同時(shí)也意味著更好的藻菌關(guān)系的建立。此外，絮體粒徑的增大有助于減輕反應(yīng)器中曝氣流量帶來的水流剪切力對(duì)絮體形態(tài)的影響，使污泥絮體更容易保持完整性，改善其沉降性能，便于后續(xù)的生物質(zhì)采收及后續(xù)利用，與文獻(xiàn)中表述顆粒大小對(duì)污泥的沉降性和除磷性能有顯著影響相一致[14]。

粒度分級(jí)/μm圖2 藻菌共生絮體粒徑分布Fig.2 Size distribution of algae-bacteria bioflocs

此外，從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，A、B兩組粒徑分布中，較大粒徑所占比例明顯高于未加填料組，故PF、BF填料均能有效地提高大粒徑，改善藻菌的共生情況；同理，K1填料的加入對(duì)粒徑的影響相對(duì)較小，其和空白組的粒徑分布接近。

2.2 生物量變化

2.2.1 懸浮態(tài)藻菌生長(zhǎng)情況

圖3(a)為各組懸浮態(tài)生物量干重變化，其中空白組D懸浮生物量處于一直增長(zhǎng)的狀態(tài)。PF、BF填料由于比表面積大，藻菌共生體在實(shí)驗(yàn)初期出現(xiàn)大量附著在填料表面和內(nèi)部的現(xiàn)象，故在實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)A、B兩組出現(xiàn)了懸浮生物量下降的情況。其中，A組懸浮態(tài)生物量在24 h時(shí)下降至1.13 g·L-1，B組下降至0.12 g·L-1。從圖3(a)中可以看到，懸浮態(tài)生物量干重減少，說明雖然藻菌在同化吸收水中碳氮磷營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行生長(zhǎng)，但是生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)不及填料吸附固定化藻菌的速度。C組的K1填料較難吸附固定化藻菌絮體，同時(shí)又受到曝氣帶來的水流剪切力作用，其總體趨勢(shì)與空白D組較為接近。

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t/h圖3 懸浮藻菌共生體生長(zhǎng)情況(a) 生物量干重;(b) 葉綠素aFig.3 Suspended algae-bacterial growth(a) biomass dry weight;(b) Chlorophyll-a

在實(shí)驗(yàn)開始的24 h后，A組隨著PF填料的吸附容量逐漸趨于飽和，藻菌絮體在填料上進(jìn)一步吸附生長(zhǎng)的生物量也逐漸減少，而混合液中的懸浮態(tài)生物量上升；而在B組中，BF填料的纖維絲仍能大量吸附藻菌絮體，使得懸浮態(tài)生物量處于波動(dòng)狀態(tài)。受曝氣帶來的水流剪切力的影響，C組K1填料對(duì)藻菌的固定化效果較差，且K1填料表面較為光滑，微生物較難吸附在其表面生長(zhǎng)，混合液中懸浮微生物的總體增長(zhǎng)情況與D組相近。最終A～D組中的懸浮生物量干重分別為2.16，0.58，3.08和2.98 g·L-1，除B組外，其他各組較初始值均有增長(zhǎng)。此外，C、D組的懸浮Chla濃度在96 h后趨于穩(wěn)定，小球藻增殖減弱，C、D組Chla濃度最終分別為23.47和24.90 mg·L-1；A組數(shù)據(jù)持續(xù)增長(zhǎng)，在144 h達(dá)到24.61 mg·L-1；B組數(shù)值持續(xù)波動(dòng)，最終Chla濃度為15.07 mg·L-1。

2.2.2 填料吸附固定生物量

表2為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各組填料吸附固定的生物量，從表2可以看出，B組BF填料對(duì)藻菌的吸附固定化最好，每g填料固定的藻菌生物量干重0.3732 g，固定Chla為0.4024 mg，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察到的各種填料上微生物的負(fù)載情況(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，BF填料能大量吸附懸浮態(tài)藻菌絮體，藻菌在纖維表面形成光滑的生物膜，填料上固定了大量微生物，使得懸浮態(tài)藻菌生物量較低，混合液中可觀察到的藻菌絮體數(shù)量較少。PF填料每g固定生物量0.354 g，固定的Chla為0.1294 mg。

表2 填料吸附固定生物量Tab.2 Biomass immobilized by adsorption of fillers

圖4 固定化前后填料表面變化Fig.4 Changes of packing surface before and after immobilization

從圖4的顯微鏡觀察中可以看到，A組PF填料將藻菌吸附固定于其內(nèi)部的多孔骨架中，其比表面積大的特點(diǎn)不僅有利于藻菌絮體的附著，內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)還能保證細(xì)胞和廢水中可利用污染物的傳質(zhì)效率。K1填料每g固定化生物量干重0.0135 g，固定的Chla為0.0007 mg，固定化效果最差，這與其懸浮生物量的變化情況相對(duì)應(yīng)，其中可能原因是與BF填料的纖維絲狀結(jié)構(gòu)和PF填料的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)相比，K1填料偏小的比表面積和相對(duì)光滑的表面在曝氣條件下較難讓微生物絮體附著生長(zhǎng)。

2.3 對(duì)COD去除率的影響

由圖5可以看出，各組在實(shí)驗(yàn)初期就達(dá)到較高的去除率，其中D組在第8 h達(dá)到了86.06%，其后依次是C組(83.88%)、B組(82.06%)和A組(77.34%)，這是由于實(shí)驗(yàn)初期微生物絮體和填料接觸到廢水中的有機(jī)污染物后，其表面的物理吸附作用可在短時(shí)間內(nèi)將大部分有機(jī)污染物吸附固定在微生物絮體或填料的表面，進(jìn)而出現(xiàn)初期快速去除的效果。其后，由于微生物好氧代謝作用開始同化吸收和降解前期吸附的污染物，同時(shí)釋放部分代謝副產(chǎn)物，如微藻和細(xì)菌分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substance，EPS)等，而導(dǎo)致COD去除率出現(xiàn)小幅下降，待藻菌共生體完全適應(yīng)水質(zhì)條件且形成穩(wěn)定的共生關(guān)系后，COD去除率又恢復(fù)上升趨勢(shì)，并最終實(shí)現(xiàn)更好的去除效果。

t/h圖5 不同填料對(duì)COD去除率的影響Fig.5 Influence of different fillers on COD removal rate

結(jié)合葉綠素的生長(zhǎng)情況(圖3b)，此時(shí)小球藻處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，微藻代謝產(chǎn)生的藻源有機(jī)物(algogenic organic matter，AOM)能夠?yàn)榧?xì)菌提供碳源而促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)[15]，由于微藻生長(zhǎng)較活性污泥快，累積的AOM也是COD去除率波動(dòng)的原因之一。B組去除率在8～72 h期間最高，其原因可能是藻菌絮體大量吸附于BF填料纖維絲結(jié)構(gòu)中相互團(tuán)聚重疊，一定程度影響了微藻的光合作用，部分降低了AOM的分泌量，進(jìn)而表現(xiàn)出更好的COD去除率。A組PF填料對(duì)有機(jī)物有很強(qiáng)的親和力[16]，且填料在反應(yīng)器內(nèi)呈流化狀態(tài)，與污染物的接觸也更為充分。72 h后C、D組懸浮態(tài)微藻生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，A、B組懸浮態(tài)微藻仍處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，其分泌的AOM也A、B組COD去除率出現(xiàn)小幅下降。最終，在144 h時(shí)A、B、C、D組去除率分別為88.85%，90.67%，90.85%和91.94%。

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2.5 對(duì)TN去除率的影響

濃度/mg·L-1圖濃度與固定化生物量的關(guān)系Figure 7 Relationship between concentration and immobilized biomass

2.6 對(duì)TP去除率的影響

從圖6(d)可以看出，前期4組對(duì)磷的去除都非常迅速，在48 h時(shí)ABCD對(duì)磷的去除率分別達(dá)到73.82%，69.4%，74.59%和75.16%，空白組和吸附固定化效果較差的C組比固定化效果好的A、B組高，此期間藻菌共生體系對(duì)磷的去除包括活性污泥的好氧吸磷和藻的生長(zhǎng)同化作用，磷是小球藻生長(zhǎng)繁殖的重要元素，活性污泥通過吸磷作用除磷，隨著活性污泥對(duì)吸磷吸趨于飽和，48 h后污泥出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象，其物理吸附的磷會(huì)重新回到水體中，導(dǎo)致48 h之后的去除率降低，但此后固定化效果好的A、B組能夠維持高的去除率，降低幅度比C、D組小，144 h時(shí)去除率高低順序?yàn)锳組71.7%>B組70.74%>D組62.86%>C組59.21%，PF、BF填料的加入能有效地提升磷的生物同化能力，降低釋磷過程的釋放量。A組去除率相比空白D組提高8.84%，B組去除率比D組提高7.88%，C組相較于D組去除率有所降低。

3 結(jié)論

綜合藻菌共生體生長(zhǎng)情況和碳氮磷污染物去除效果，在處理高氮磷濃度的養(yǎng)殖廢水中，采用PF填料最佳。