載體對(duì)菌藻共生系統(tǒng)凈化農(nóng)田排水效果的影響

趙志毅，秦弋豐，陳明晟，吳仁銘，劉書(shū)暢，羅麗潔，李旭東

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

農(nóng)業(yè)面源污染作為水環(huán)境惡化的重要原因，近年來(lái)己成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。與點(diǎn)源污染相比，農(nóng)業(yè)面源污染具有隨機(jī)性、不確定性、分散性、隱蔽性、時(shí)空異質(zhì)性等特點(diǎn)[2]。農(nóng)田排水作為農(nóng)業(yè)面源污染的主要載體，直接排放易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[3]，因此，對(duì)農(nóng)田排水進(jìn)行處理十分必要。但農(nóng)田排水具有低碳高氮特點(diǎn)，且瞬時(shí)流量大[4]，較難處理。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究構(gòu)建了載體型菌藻共生系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用細(xì)菌和藻之間的生理協(xié)同作用凈化污水。具體機(jī)制為：水體中的藻類(lèi)通過(guò)光合作用釋放O2，細(xì)菌利用O2將水中的有機(jī)物污染物分解為小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)提供了藻類(lèi)生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)藻類(lèi)進(jìn)行光合作用；藻類(lèi)利用空氣中的CO2進(jìn)行光合作用，可部分彌補(bǔ)農(nóng)田排水中碳源不足的缺陷；水體中CO2的減少會(huì)提高pH，促進(jìn)的揮發(fā)和磷的沉淀。載體的引入可以為菌、藻提供更多的附著空間，提高單位體積的生物量和污染物去除的穩(wěn)定性，且更利于藻類(lèi)的收集[8]。相比于其他處理工藝，載體型菌藻共生系統(tǒng)占地更少，運(yùn)行管理更便捷，氮磷去除效果更穩(wěn)定。海藻酸鈣作為載體固定小球藻時(shí)，和TP的凈化效率比懸浮態(tài)藻分別高26.14%和35.91%[9]。細(xì)葉莎草和苦草作為水生植物，不僅可以用作綠化景觀植物，同時(shí)對(duì)氮磷有較好的吸收作用：細(xì)葉莎草對(duì)TN和TP的吸收量可達(dá)59.6 g·kg-1（干質(zhì)量）和8.28 g·kg-1（干質(zhì)量）[10]；苦草、金魚(yú)藻和狐尾藻這三種沉水植物組配種植時(shí)，TN去除率達(dá)到了70%，TP去除率達(dá)到了50%[11]。

本研究采用軟性纖維生物繩、細(xì)葉莎草、苦草作為載體，探究載體型菌藻共生系統(tǒng)處理農(nóng)田排水的可行性，重點(diǎn)考察不同類(lèi)型載體及其密度的菌藻共生系統(tǒng)處理農(nóng)田排水TN、TP、、COD 的效果，為建立可靠、穩(wěn)定的農(nóng)田排水處理工藝提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)工藝流程及裝置如圖1、圖2 和圖3 所示，裝置由調(diào)節(jié)池、蠕動(dòng)泵、菌藻共生反應(yīng)器、載體等組成。分別選用細(xì)葉莎草（Cyperus rotundusL.）、苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）、軟性纖維生物繩（聚烯烴聚酰胺復(fù)合材料，以下簡(jiǎn)稱“纖維繩”）作為載體，并以無(wú)載體的菌藻共生系統(tǒng)作為空白對(duì)照（CK）。其中：細(xì)葉莎草采用在兩端種植的方法，水面覆蓋率控制在30%，超過(guò)30%時(shí)人工修剪；苦草的種植間距為0.1 m，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部大約種植40株，若種植太密，遮光作用明顯，將會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)的光合作用和處理效果[12]；纖維繩作為載體時(shí)設(shè)置10%、20%和30%三個(gè)填充體積密度，密度超過(guò)30%時(shí)纖維繩之間相互纏繞，空間擁擠，影響系統(tǒng)光照條件，不利于藻類(lèi)繁殖。菌藻共生反應(yīng)器尺寸為1.25 m×0.4 m×（0.4 m/0.7 m），由不銹鋼板焊接而成，裝置底部和頂部均設(shè)有鋼質(zhì)框架，纖維繩上下兩端分別固定在框架的格點(diǎn)上。在細(xì)葉莎草和苦草的系統(tǒng)中，菌藻共生反應(yīng)器高度為0.7 m，底部鋪設(shè)0.3 m 泥土以種植植株，反應(yīng)器四角成45°倒角，并在中間設(shè)長(zhǎng)為1.05 m 的隔板，使反應(yīng)器內(nèi)形成環(huán)形廊道，每個(gè)反應(yīng)器有效水深0.36 m，有效容積172.8 L，裝置內(nèi)設(shè)有攪拌槳，控制水流速度為0.45 m·s-1，以利于菌藻的生長(zhǎng)繁殖和老化的生物膜脫落。各套裝置放置于室外陽(yáng)光充足處運(yùn)行。

圖1 纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)工藝流程圖Figure 1 Process flow chart of fiber rope-bacteria and algae symbiosis system

圖2 細(xì)葉莎草-菌藻共生系統(tǒng)工藝流程圖Figure 2 Process flow chart of Cyperus rotundus L.-bacteria and algae symbiosis system

圖3 試驗(yàn)裝置圖Figure 3 Actual drawing of test device

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為人工配制，在自來(lái)水中投加一定比例的尿素、葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀等，模擬農(nóng)田排水低碳高氮、水質(zhì)不穩(wěn)定的特征[4，13]，碳氮磷的比值控制在100∶20∶1左右，試驗(yàn)用水水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)參數(shù)Table 1 Water quality parameters of the test water

1.3 試驗(yàn)運(yùn)行管理

試驗(yàn)裝置運(yùn)行期間平均氣溫為25 ℃，試驗(yàn)開(kāi)始前運(yùn)行裝置5 d，培養(yǎng)藻類(lèi)，進(jìn)行掛膜[14]，人工配水存儲(chǔ)于調(diào)節(jié)池（不銹鋼儲(chǔ)水箱，單個(gè)有效容積為1.0 m3，共2 個(gè)，各組裝置共用）中，用蠕動(dòng)泵抽入菌藻共生系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)處理后排出，水力停留時(shí)間（HRT）為2 d[7]，24 h 連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)攪拌，系統(tǒng)正常運(yùn)行后，每2 d 取進(jìn)出水樣一次，取樣時(shí)間固定為上午10：00，采樣后于當(dāng)天進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)分析。

1.4 測(cè)試指標(biāo)與方法

總氮（TN）采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法、氨氮（）采用納氏試劑分光光度法、硝態(tài)氮（）采用紫外分光光度法、化學(xué)需氧量（COD）采用快速消解分光光度法測(cè)定，葉綠素采用葉綠素測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，pH 采用便攜式pH 測(cè)定儀（TM40）測(cè)定，溶解氧（DO）采用便攜式DO測(cè)定儀（DO-6800）測(cè)定。

藻類(lèi)的含量通過(guò)葉綠素濃度表征[15]，在系統(tǒng)進(jìn)水口、池中、出水口附近各測(cè)定一次，取平均值作為系統(tǒng)內(nèi)的葉綠素濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 載體類(lèi)型對(duì)藻類(lèi)濃度及污染物去除的影響

2.1.1 載體類(lèi)型與葉綠素濃度

藻類(lèi)均含有葉綠素，因此藻類(lèi)濃度可通過(guò)葉綠素濃度來(lái)間接反映。運(yùn)行周期內(nèi)不同載體系統(tǒng)中葉綠素平均濃度如圖4所示。

圖4 不同載體系統(tǒng)中的葉綠素平均濃度Figure 4 The average concentration of chlorophyll in the system under different carriers

由圖4 可知，30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)中的葉綠素濃度明顯高于其他載體系統(tǒng)，平均達(dá)到了500 μg·L-1，其次為苦草-菌藻共生系統(tǒng)，平均濃度為106 μg·L-1，而在細(xì)葉莎草-菌藻共生系統(tǒng)中葉綠素含量最低，平均濃度只有46 μg·L-1，低于空白組菌藻共生系統(tǒng)（68 μg·L-1），這與高云霓等[16]研究得到的高等挺水植物細(xì)葉莎草的遮陰作用和化感作用對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)具有明顯抑制作用的結(jié)果一致?？嗖菀虺劣谒嬉韵?，與細(xì)葉莎草相比，遮陰作用較弱，因此與藻類(lèi)表現(xiàn)出一定的共生性。

2.1.2 載體類(lèi)型與磷的去除

運(yùn)行周期內(nèi)不同載體系統(tǒng)進(jìn)出水中TP濃度如圖5 所示。由圖5 可知，進(jìn)水中TP 質(zhì)量濃度在0.35～1.67 mg·L-1之間，平均值為0.73 mg·L-1，空白組菌藻共生系統(tǒng)、30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)、細(xì)葉莎草-菌藻共生系統(tǒng)和苦草-菌藻共生系統(tǒng)出水TP 平均值分別為0.24、0.14、0.25 和0.25 mg·L-1，4 個(gè)系統(tǒng)的TP 平均去除率分別為67.12%、81.02%、65.75%和65.75%。細(xì)葉莎草和苦草作為載體時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TP 的去除效果與空白組相當(dāng)；而當(dāng)纖維繩作為載體時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果明顯提升。

圖5 不同載體系統(tǒng)TP的去除效果Figure 5 TP removal effect under different carriers

圖6 為30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)24 h 內(nèi)pH 變化情況，夜間pH 值穩(wěn)定在8.0 左右，白天隨著光合作用的增強(qiáng)，pH 值上升，在午后達(dá)到峰值（約9.3），高pH 值會(huì)促進(jìn)磷的化學(xué)沉淀[14]。纖維繩作為載體時(shí)，系統(tǒng)中藻類(lèi)濃度明顯提升，對(duì)磷的同化吸收和化學(xué)沉淀作用更加明顯。

圖6 30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)24 h內(nèi)pH變化圖Figure 6 pH change in 30%fiber rope-bacteria and algae symbiosis system within 24 h

2.1.3 載體類(lèi)型與氮的去除

表2 不同載體系統(tǒng)TN、的平均去除率Table 2 Average removal rates of TN and in different carrier systems

表2 不同載體系統(tǒng)TN、的平均去除率Table 2 Average removal rates of TN and in different carrier systems

2.1.4 載體類(lèi)型與COD的去除

運(yùn)行周期內(nèi)不同載體系統(tǒng)進(jìn)出水中COD 濃度如圖7 所示。由圖7 可知，進(jìn)水中COD 在47.65～115.00 mg·L-1之間，平均值為73.69 mg·L-1，空白組菌藻共生系統(tǒng)、30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)、細(xì)葉莎草-菌藻共生系統(tǒng)和苦草-菌藻共生系統(tǒng)出水COD 平均值分別為25.73、19.17、16.65 mg·L-1和26.52 mg·L-1；4個(gè)系統(tǒng)的COD 平均去除率分別為65.08%、73.99%、77.40%和64.00%。水中的藻類(lèi)本身是有機(jī)質(zhì)，因此隨水流出的藻類(lèi)越少，COD 濃度越低。載體對(duì)藻類(lèi)具有固定作用[19]，因而纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)出水中COD 濃度較低，平均去除率提高。由于高等水生植物對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)有抑制作用[20]，細(xì)葉莎草會(huì)降低出水中的COD 水平。

圖7 不同載體系統(tǒng)COD去除效果Figure 7 COD removal effect under different carriers

2.2 載體密度對(duì)藻類(lèi)濃度及污染物去除的影響

2.2.1 載體密度與葉綠素含量

運(yùn)行周期內(nèi)纖維繩密度與葉綠素平均濃度如圖8所示。由圖8可知，隨著纖維繩密度的增加，系統(tǒng)中葉綠素的平均含量也隨之升高，纖維繩的添加為微生物和藻類(lèi)提供了更多的生長(zhǎng)繁殖空間，使得更多種類(lèi)和數(shù)量的微生物得以生長(zhǎng)，而微生物釋放出的某些物質(zhì)會(huì)促進(jìn)藻類(lèi)的增殖[21]。

圖8 載體密度對(duì)葉綠素平均濃度的影響Figure 8 Effect of carrier density on average concentration of chlorophyll

2.2.2 載體密度與磷的去除

運(yùn)行周期內(nèi)不同載體密度系統(tǒng)對(duì)TP的平均去除率如表3 所示。由表3 可知，空白組TP 的去除率為67.12%，在引入纖維繩（10%）作為載體后，TP 的去除率達(dá)到了76.43%，提升了近10個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)載體密度為20% 和30% 時(shí)，TP 的去除率分別為79.56% 和80.82%，相比于載體密度為10%時(shí)，TP的去除率增長(zhǎng)緩慢，由此可知，在10%～30%填充密度范圍內(nèi)，纖維繩密度的增加對(duì)TP的去除效果影響不明顯。

表3 不同載體密度下TP的平均去除率Table 3 Average TP removal rate under different carrier density

2.2.3 載體密度與氮的去除

運(yùn)行周期內(nèi)不同載體密度系統(tǒng)進(jìn)出水中TN濃度如圖9 所示。由圖9 可知，進(jìn)水TN 的質(zhì)量濃度介于14.25～17.45 mg·L-1之間，平均值為15.45 mg·L-1，空白組菌藻共生系統(tǒng)、10%纖維繩、20%纖維繩和30%纖維繩菌藻共生系統(tǒng)出水TN 平均值分別為4.49、4.26、3.18 mg·L-1和1.76 mg·L-1，4 個(gè)系統(tǒng)的TN 平均去除率分別為70.94%、72.43%、79.42%和88.61%。結(jié)合圖8 可以得出，纖維繩密度的增加會(huì)提高系統(tǒng)內(nèi)藻類(lèi)的濃度，使得藻類(lèi)對(duì)氮素的同化吸收作用增強(qiáng)，因此，TN的去除效果隨著纖維繩密度的增加而提升。

圖9 載體密度對(duì)TN去除效果的影響Figure 9 Effect of carrier density on TN removal

圖10 不同載體密度系統(tǒng)中NO3--N濃度變化Figure 10 Effect of carrier density on NO3--N concentration

圖11 載體密度對(duì)去除效果的影響Figure 11 Effect of carrier density on removal

圖12 葉綠素濃度與出水中濃度的相關(guān)性Figure 12 Correlation between chlorophyll concentration and concentration in effluent

圖13 是30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)內(nèi)24 h 溶解氧變化情況。白天藻類(lèi)光合作用強(qiáng)，系統(tǒng)處于好氧狀態(tài)，有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生；夜間藻類(lèi)、細(xì)菌及其他微生物的呼吸作用強(qiáng)，系統(tǒng)處于缺氧狀態(tài)，有利于反硝化反應(yīng)的發(fā)生，硝化作用與反硝化作用如此晝夜交替，會(huì)促進(jìn)氮素的去除。

圖13 30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)24 h內(nèi)溶解氧變化Figure 13 DO change of 30%fiber rope-bacteria and algae symbiosis system within 24 h

2.2.4 載體密度與COD的去除

運(yùn)行周期內(nèi)不同載體密度系統(tǒng)對(duì)COD 的平均去除率如表4 所示。由表4 可知，空白組菌藻共生系統(tǒng)中COD 的平均去除率為65.08%，在引入纖維繩（10%）作為載體后，COD 的平均去除率達(dá)到了83.48%?？梢?jiàn)，引入載體后，由于懸浮態(tài)藻類(lèi)被部分固定，出水中藻類(lèi)含量下降，使得COD 平均去除率提升，隨著纖維繩密度增加，COD 的去除率出現(xiàn)了下降。這是由于增加載體密度使得系統(tǒng)中懸浮態(tài)藻類(lèi)的含量大幅提高，而藻類(lèi)被固定的增幅卻有限，導(dǎo)致COD的去除率反而有所降低[22]。

表4 不同載體密度下COD的平均去除率Table 4 Average COD removal rate under different carrier density

3 結(jié)論

（1）纖維繩為載體、填充密度為10%～30%時(shí)，藻類(lèi)濃度隨密度的增加而提高，系統(tǒng)對(duì)TN、TP、的去除效果明顯提升，其中，30%纖維繩系統(tǒng)效果最好。細(xì)葉莎草作載體時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD 去除率最高；苦草作為載體時(shí)，系統(tǒng)對(duì)各污染物去除效果均表現(xiàn)一般。

（2）30%纖維繩-菌藻共生系統(tǒng)中葉綠素濃度在500 μg·L-1以上，系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田排水處理效果最好，且具有較好抗沖擊負(fù)荷能力。在水力停留時(shí)間為2 d，進(jìn)水COD、TN、TP、的平均質(zhì)量濃度分別為73.69、15.45、0.73、6.32 mg·L-1條件下，各污染物平均出水濃度分別為19.17、1.76、0.14、1.48 mg·L-1，整體達(dá)到了地表水Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，載體型菌藻共生系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌會(huì)增殖，高密度的填料還會(huì)產(chǎn)生更多的微厭氧區(qū)，有利于反硝化作用的發(fā)生；系統(tǒng)內(nèi)葉綠素濃度與出水中濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過(guò)強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)藻類(lèi)的濃度可有效提高氮的去除效果。