響應面法優化藻菌共生系統氮磷去除能力研究

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境產生影響；活性污泥的干燥、脫水處理會阻止或減慢環境中養分的循環。因此，需要開發一種經濟、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分排放要求。可能的解決方案是開發能夠克服常規系統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分引起了人們的極大興趣。通常微藻通過光合自養的方式，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。基于微藻細菌的技術被視為環境可持續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、營養物質含量、水質酸堿度等，因此對共生體系的工藝優化是十分有必要的。很多學者對藻菌共生的工藝優化做了大量研究，LUO等[5]在光生物反應器中確定的最優水力停留時間為48 h。ZHANG等[6]確定了外加碳源的投入量對藻菌共生系統對氮磷等營養物質的去除效果的影響。ASSEMANY等[7]發現高效藻類塘無遮光處理的藻菌共生系統在營養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。

文章將培養的小球藻與活性污泥作為研究對象，采用響應面法[4，8]優化藻菌共生系統處理二級出水的工藝參數，探究曝氣量、光照、曝氣量中的CO2體積分數對共生系統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培養液中培養，pH值調節至7.1。培養液置于1 L的錐形瓶中擴大培養小球藻。錐形瓶放置在恒溫23℃，光照為5 000 lx的人工氣候培養室。BG11組分詳見表1。

表1 BG11培養基質量濃度表

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。活性污泥經過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，離心后接種在培養基中培養，混合后的藻菌共生體的生物質質量濃度為0.5 mg/L。混合之前的小球藻與活性污泥經離心，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，培養條件的溫度為23℃，曝氣為0.6 L/min，CO2體積分數為5%，每組實驗重復3次。

(2)曝氣量對藻菌共生系統的影響 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，培養條件的溫度為23℃，光照強度為5 000 lx，CO2體積分數為5%，每組實驗重復3次。

(3)曝氣量中CO2對藻菌共生系統的影響 曝氣量中的CO2體積分數分別為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空氣以及CO2曝氣量，通過調節可變日光燈的亮度調節光照強度。

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 藻菌共生系統去除營養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的影響

不同光照強度對藻菌共生系統處理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的藻菌共生系統的處理效果明顯高于其他組分。這是因為持續曝氣的環境，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對氮磷的去除效果圖

藻菌共生系統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，對TP的去除明顯優于其他的組分，在第36 h時，該組分水環境內的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先吸收原則，使得在藻菌共生系統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會優先吸收NH3-N，這樣的結論不鮮見，WANG等[11]發現，在污水處理廠中污水經藻類塘的藻菌共生系統處理后，NH3-N的去除效率是其他物質的6倍以上；ARIAS等[12]發現，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的影響

不同曝氣量對藻菌共生系統處理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的活性[13]。在低溶解氧(厭氧)環境下，大量的厭氧菌、兼性厭氧菌群落將會繁殖，藻菌共生系統的優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對氮磷的去除效果圖

藻菌共生系統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，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吸收轉化[15]。

2.1.3 不同CO2體積分數對藻菌共生系統的影響

不同CO2體積分數對藻菌共生系統處理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的優勢是不會使水溶液的pH值發生快速變化。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境中生長增殖。

圖4 不同CO2體積分數時藻菌共生系統對氮磷的去除效果圖

藻菌共生系統在不同CO2體積分數的影響下，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]發現外加的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。

藻菌共生系統在不同CO2體積分數的影響下，對NH3-N的去除效果趨勢一致。值得討論的是，在高CO2體積分數的藻菌共生系統中，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氮磷去除效果的優化實驗

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的光照強度、曝氣量、CO2比例為優化的參數。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對數據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。實驗數據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NH3-N去除率影響的響應面分析

利用Design Expert 10進行數據分析與響應面分析。基于中心組合的小球藻與活性污泥共生系統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體積分數會影響到小球藻與活性污泥共生系統的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體積分數為10.5%。單因素分析中，NH3-N去除效果最優條件:光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數為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，這樣的趨勢在圖2～4中也不難發現。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的體積分數會影響到小球藻與活性污泥共生系統的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體積分數為10.5%。單因素分析中，TP去除效果最優條件:光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數為10%。

圖6 小球藻與活性污泥共生系統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，針對光照強度、曝氣量、CO2體積分數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體積分數為10%時，小球藻與活性污泥共生系統較其他4個組分具有更好的氮磷去除效果。

(2)響應面優化實驗中，小球藻與活性污泥共生系統處理二級出水中氮磷的效果可以通過優化光照強度、曝氣量、CO2體積分數進行調控，經優化后共生系統的最優條件為光照強度為5 000 lx，曝氣量為0.6 L/min，CO2體積分數為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體積分數等工藝條件對藻菌共生系統的影響，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。