混合及曝氣方式對菌藻共生系統處理氨氮廢水的影響研究

盛化軍

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230000）

目前，我國城市污水處理廠大多采用消耗大量能源的活性污泥法，其中機械曝氣能耗占整個污水處理過程能耗的45%～75%。近年來，菌藻共生系統得到大量研究，藻類與活性污泥可進行耦合，實現污水凈化、資源化與生物質回收同步。20世紀50年代，已有研究將活性污泥和藻耦合應用于污水治理。近年來，學者將菌藻共生污泥體系應用于高鹽工業廢水處理、焦化高氨廢水處理及養殖廢水處理中。李竺芯等研究發現，間接交替光照可增強菌藻共生污泥的脫氮能力。曝氣可使菌藻共生污泥系統中二氧化碳與溶解氧增加，對污染物降解有促進作用。

光照、溫度、pH、營養物質以及其他環境因子對藻類的生長具有很大影響。藻類與細菌之間的關系十分復雜，包括代謝產物相互利用的關系，也包含對營養物相互競爭的關系，而且隨著外界環境的改變，它們的關系也發生改變。將菌藻互利共生最大化是提高出水水質的重要途徑。本研究考慮四種不同操作條件下菌藻共生系統的特性，即靜置、攪拌、曝氣、攪拌+曝氣，探究菌藻共生系統最適宜的操作條件，為后續菌藻共生顆粒在不同條件下的模擬演化提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 藻與活性污泥

小球藻購自中國科學院武漢水生生物研究所藻種庫，在BG11 培養基下，將其置于光照培養箱中，光照強度設置為9 000 Lux，光周期為12 h 光/12 h 黑，溫度為25 ℃，進行擴大培養。接種的絮體污泥取自合肥市某污水處理廠，活化后再接種至菌藻共生系統中。

1.2 進水水質與操作條件

采用人工配水，進水水質方面，化學需氧量（COD）為300 mg/L，氨氮（NH-N）為45 mg/L，正磷酸鹽（PO-P）為8 mg/L，微量元素液為1 mL/L。設置4 組燒杯置于光照培養箱（常州普天，GHP-160）中，有效容積均為2 L，分別對應靜置組、曝氣組、攪拌組和曝氣+攪拌組。光照培養箱放置在磁力攪拌器上，其條件設置為3 000 Lux、25 ℃，曝氣強度為 1 L/min，攪拌強度為500 r/min，周期內保持12 h 光照、12 h 黑暗。

1.3 測試方法

水樣經0.45 μm 濾膜過濾后，按照標準方法測定COD、NH-N、PO-P 濃度。本次試驗采用丙酮分光光度法進行葉綠素測量。測試方法與計算公式參考相關文獻。

2 結果與討論

2.1 COD 去除效果

由圖1 可知，活性污泥和藻混合，在3 d 后，菌藻共生污泥體系達到穩定。

圖1 不同條件下COD 去除效果

其中，曝氣+攪拌組COD 降解率最高，因為曝氣條件下活性污泥代謝速度快，而且攪拌條件可以使物料均勻，增加反應器中O及CO濃度，同時可有效避免溶液中總懸浮物濃度過高對藻造成的光衰減，影響藻類生長，故其COD 的去除效率最高。

2.2 N、P 的去除效果

不同操作條件下的NH-N 和PO-P 去除效果如圖2 所示。經過3 d 時間，NH-N 和PO-P 的去除效果達到穩定，與靜置組和曝氣組相比，攪拌組及曝氣+攪拌組N、P 的去除率更高。這是因為光是影響微藻生長的重要因素，絕大多數光能被藻細胞吸收利用，光合效率較高。

圖2 不同條件下的NH4+-N 和PO43--P 去除效果

2.3 不同條件對葉綠素的影響

不同條件下葉綠素a 的變化情況如圖3 所示。本試驗以葉綠素a 變化表示藻類生物量的變化，初始接種活性污泥和藻類生物量比例為1 ∶1 的情況下，靜置組葉綠素a 含量最高。賈璇等研究發現，在遮光下向小球藻培養基中投加有機物，小球藻可進行異養生長，這可以間接解釋光照不均勻條件下靜置組藻類生物量反而最高的現象。

圖3 不同條件下葉綠素a 的變化情況

菌藻共生系統中，藻類和活性污泥之間的關系很復雜，協同與競爭共存。靜置組中微藻生物量最高，污染物降解率反而最低，由此推斷，在藻類與活性污泥的關系中，拮抗作用占據主導地位，此時藻類會產生抗生素，抑制細菌的活性，導致藻類占據優勢。整個試驗期間，曝氣組葉綠素a 增量最小，這可能是因為曝氣條件下過高的溶解氧會抑制藻的活性，這與ZHANG 等的發現相同；在光生物反應器裝置上，肉眼可見細菌附著在燒杯內壁，形成菌膠團，阻礙光照，影響藻類進行光合作用。

2.4 不同條件對菌藻共生沉降性能的影響

由圖4 可知，曝氣組及曝氣+攪拌組的平均污泥指數（）為51 mL/g。曝氣組及曝氣+攪拌組的沉降性能好，這是因為曝氣可彌補藻類產氧不足，調節污泥活性。此外，菌藻共生污泥體系與單獨活性污泥系統相比，可降低44%。這說明活性污泥與微藻耦合可解決微藻沉降性能差導致出水不穩定的 問題。

圖4 不同條件下沉降性能的變化情況

3 結論

活性污泥可與小球藻形成穩定的菌藻共生污泥體系，且對有機物、氨氮有很高的去除率，曝氣+攪拌組性能最優。菌藻共生污泥體系中，當初始接種微藻和活性污泥比例為1 ∶1 時，小球藻可產生部分氧氣，從而減少曝氣強度；在氨氮的降解中，小球藻的同化吸收發揮主導作用。