響應面法優化藻菌污水處理系統曝氣條件研究

母銳敏，于格江，祁峰，馬桂霞，賈延天

（山東建筑大學市政與環境工程學院，山東 濟南 250101）

0 引言

隨著我國污染物排放標準的不斷提高，對污水處理能力提出了更高的要求，提高污水營養物去除效率已成必然趨勢。然而，傳統污水處理方法存在對N、P 去除率較差、建造費用昂貴、抗沖擊負荷能力差、污泥難回收利用等缺點，因此亟需一種新型、高效、深度的污水處理方法。研究發現利用微藻與活性污泥中的好氧細菌構建藻菌共生系統進行污水處理，能夠更高效地去除水中N、P 等物質，達到污水的超低排放［1］。藻菌共生系統利用了微藻與細菌之間的相互作用，能夠高效處理污水。微藻能夠利用細菌呼吸產生的CO2、N、P 等營養物質，經光合作用產生O2；細菌呼吸O2，并將有機物分解生成CO2，為微藻提供碳源，因此在處理污水的同時可以減少溫室氣體的排放以及節約能源［2］。藻菌共生系統處理污水常應用于光生物反應器中。LUO等［3］在研究中發現藻菌共生系統在光生物反應器中的最佳水力停留時間為2 d。然而，藻菌共生系統工藝處理污水受到許多因素影響，其中溶解氧是影響藻菌共生系統的一個重要因素，能夠改變藻菌共生體的群落結構，進而影響藻菌共生系統處理污水的效能［4］。在藻菌共生系統處理污水工藝中，通常利用曝氣量控制溶解氧，通過調節曝氣強度的方式能夠增強優化藻菌共生系統并縮短水力停留時間。梁珺宇等［5］發現對藻菌共生系統進行曝氣，明顯提高了藻菌共生系統處理污水的性能，但是隨著曝氣強度的增加，會使CO2從系統中逸出，減少了微藻生長所必要的無機碳。為了補充CO2，有研究在曝氣的同時提高了CO2體積分數，發現能有效地促進微藻的生長［6］。為藻菌共生系統提供額外的O2和CO2曝氣已成為提高藻菌污水處理效率的主流。然而，相關研究大都是單一因素，未將曝氣量以及CO2體積分數結合探究其對系統的影響，同時未研究曝氣量以及CO2體積分數對營養物去除率的顯著影響，具有一定的局限性。

響應面法是一種數學與統計相結合的方法，用于求解多變量問題，以較少的實驗次數優化工藝參數，并分析參數間的相互作用，已廣泛應用于生物、醫學和環境等領域［7］。響應面法通過實驗得到一些具有代表意義的數據，采用多元二次回歸方程來擬合因素與結果間的函數，并取得各因素最優水平值。

文章選用混合微藻與活性污泥構建藻菌共生系統，進行深度污水處理，并利用響應面法優化曝氣條件中的曝氣量以及CO2體積分數等工藝參數。以此獲得在2 d的水力停留時間下的最優曝氣量及CO2體積分數，并研究分析了曝氣條件中顯著影響污水營養物去除率的因素。實驗得到的優化工藝參數將為未來進一步高效深度處理污水提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 實驗藻菌及培養條件

混合微藻取自山東建筑大學映雪湖，在與活性污泥構建藻菌共生系統時表現出了良好的去除效果［8］?；旌衔⒃迨褂肂G11 培養基并在500 mL 錐形瓶中擴大培養，培養溫度為25 ℃；光照由LED燈管提供，光照強度為5 000 lx，待微藻生長至活性較高的對數生長期后用于實驗。

實驗所用活性污泥為山東建筑大學中水站曝氣池好氧活性污泥，使用人工合成污水馴化活性污泥，周期為曝氣22 h、靜置2 h，曝氣量控制為1 L／min，馴化培養后的混合液懸浮固體質量濃度為3 000 mg／L。人工合成污水成分見表1。

表1 人工合成污水成分表單位：g·L-1

實驗所用二級污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的方式去除水中的大顆粒固體，并在5 000 r／min 下離心10 min，以去除中水中的懸浮物和溶解固體。取上清液后，通過孔徑為0.45 μm的注射器濾膜過濾。實驗所用二級出水水質指標要求總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）分別達到28、3.2、18、148 mg／L，pH值為6.8。

在課題組前期研究中發現，藻菌共生系統中群落發展到頂級微生物群落時，體現出了最高的污染物去除效率［8］。藻菌共生群落按照微藻與活性污泥（藻泥比）5 ∶1的混合比例、生物質質量濃度為0.5 g／L在反應器中進行培養，待生物質達到1 g／L時認為達到頂級微生物群落［8］，作為反應培養物。

1.2 實驗裝置

實驗所用反應器為工作體積3 L、高度300 mm、內徑100 mm、壁厚5 mm 的柱狀光生物反應器，材料為透明有機玻璃。反應器上方設有出氣口，管壁上設置了4個取樣口進行取樣，同時反應器下方設置1個進氣口連接曝氣頭，利用曝氣裝置在進氣口進行曝氣以及CO2的輸入。光照強度由反應器上方的發光二極管控制。

1.3 分析方法

實驗每隔12 h 取樣一次，所取樣品經過5 000 r／min的速度離心10 min，使用0.45 μm 濾膜過濾上清液，用于檢測COD、TP、TN、NH3-N。

采用中國國家標準監測方法［9］測定NH3-N、TN、TP 和COD，見表2。生物質質量濃度通過干重測量估算。

表2 水質測定方法表

污染物的去除率由式（1）表示為

式中R為污染物的去除率；C0、C1分別為起始、反應2 d時系統營養物質的質量濃度，mg／L。

1.4 響應面優化曝氣條件實驗設計

研究曝氣量及CO2體積分數對藻菌共生系統的影響，以2 d內TN、NH3-N、TP、COD的去除率以及第2天的pH值為響應量，考慮曝氣之間的相互關系以及對各個指標的相互作用。使用響應面實驗設計軟件Design Expert10.0.7版本進行分析，采用混雜設計，3個編碼水平分別為低水平（-1）、中水平（0）、高水平（1），具體見表3。響應變量Y以二次多項式方程的形式擬合到二階模型中，由式（2）表示為

表3 Miscellaneous實驗因素及水平表

式中β為方程的系數；i和j為代表實驗個數的自然數；Xi和Xj為自變量的編碼值。

采用方差對模型統計分析，采用F檢驗分析模型方程和變量顯著性（P＜0.05）。

實驗將達到1.0 g／L的藻菌反應培養物濃縮接種至柱狀光生物反應器中，加入二級出水，在溫度為25 ℃，光照強度為5 000 lx 持續光照下開展實驗。通過響應面程序設計的實驗，使用流量計改變曝氣量以及CO2曝氣量比例，進行13 組實驗并計算2 d內各個污染物的去除率。

2 結果與分析

2.1 回歸分析

通過Miscellaneous實驗設計，各組實驗的TN、TP、NH3-N、COD 在2 d 內實際去除率以及第2 天的pH值見表4?；谒@得的數據，通過軟件所得的R2、P值、F值以及編碼二次回歸擬合方程見表5，其中A、B代表編碼值，取值范圍為-1 ～1。其中，TN、TP、NH3-N、COD在2 d 內去除率以及pH 值的P值分別為0.000 1、0.000 4、0.000 4、0.001 9、0.000 1，均為極顯著。TN、TP、NH3-N、COD 2 d 去除率以及pH 值模型的R2值分別為0.985 3、0.937 5、0.938 0、0.903 7、0.972 9。

表4 響應面設計與實驗結果表

表5 響應面方差分析表

2.2 曝氣量及CO2體積分數對藻菌共生系統的影響

2.2.1 對TN去除率的影響

基于混合微藻與活性污泥共生系統的TN 去除率響應面等高線如圖1所示。等高線越密集，對應的曲面越陡峭，表示該因素對響應面的影響越大，且位于等高線上的各個點數值都相同［10］，因此曝氣量相比于CO2體積分數對TN去除率的影響更大。當曝氣量為0.200 ～0.626 L／min 時，曝氣量與系統中TN 去除率成正比，當曝氣量為0.626 L／min 時，TN去除率達到最大。當曝氣量為0.626～1.000 L／min 時，曝氣量與系統中TN 去除率成反比。出現這種情況可能是因為一定量的曝氣可以提供部分攪拌效果，在曝氣量過低時微藻與活性污泥不能有效混合，造成微藻懸浮在污水中，而活性污泥沉淀，從而造成了TN去除率的降低。而在曝氣量過高時會形成水剪切力，對藻菌共生系統產生不利影響，造成TN 去除率的降低。

圖1 TN去除率響應面三維圖

CO2體積分數對TN 去除率影響相對較小，在CO2體積分數為3.930%時可以發現TN去除率達到最大，說明加入CO2曝氣對藻菌共生系統的TN 去除具有幫助，能夠提高TN 的去除率。利用響應面優化可得，當曝氣量為0.613 L／min，CO2體積分數為5.543%時，TN去除率最大值為70.350%。

2.2.2 對TP 去除率的影響

由等高線的陡峭趨勢（如圖2所示）可知，CO2體積分數對TP 去除率的影響更為顯著，曝氣量對TP去除率的影響較小，在曝氣量約為0.645 L／min 時，TP 去除率達到最大值。曝氣量較低時，系統中O2不足，會出現細菌與微藻對P 的競爭，導致微藻不能有效地去除TP［3］。當CO2體積分數在1.000%～4.800%時，TP 去除率與CO2體積分數成正比。當CO2體積分數為4.800%時，TP 去除率達到最大值。

圖2 TP 去除率響應面三維圖

當CO2體積分數在4.800%～20.000%時，TP 去除率與CO2體積分數成反比。對藻菌共生系統進行CO2曝氣能夠為藻菌共生系統提供微藻所需的無機碳源，促進微藻的生長及藻菌共生系統對P 的同化［11］。利用響應面優化可得，當曝氣量為0.645 L／min、CO2體積分數為4.715%時，TP 去除率最大值為73.067%。

2.2.3 對NH3-N去除率的影響

由等高線陡峭程度（如圖3 所示）可知，曝氣量對NH3-N去除率的影響要比CO2體積分數的影響更為顯著。在曝氣量為0.200～0.828 L／min 時，NH3-N去除率與曝氣量成正比。曝氣量過低時，藻菌共生體中微藻以及曝氣所提供的溶解氧不能維持硝化細菌的呼吸作用，不能夠將NH3-N氧化成為亞硝酸鹽或者硝酸鹽，導致在低曝氣量下NH3-N 去除率較低。在曝氣量為0.600 ～1.000 L／min 時，NH3-N 去除率保持在一個較高的水平。高曝氣量下能夠大量去除NH3-N，主要是因為污水中的NH3-N被吹脫到空氣中［10］。由等高線可知，NH3-N去除率隨著CO2體積分數的增加呈先增加后減小的趨勢，在CO2體積分數達到4.535%時，NH3-N去除率最高。同時，如果系統中的CO2體積分數過大將帶來系統pH值的降低［12］，這可能是導致NH3-N去除率降低的原因。利用響應面優化可得，當曝氣量為0.828 L／min，CO2體積分數為6.440%時，NH3-N去除率最大值為100%。

圖3 NH3-N去除率響應面三維圖

2.2.4 對COD去除率的影響

由等高線陡峭程度（如圖4 所示）可知，CO2體積分數對COD去除率的影響比曝氣量的影響更顯著。曝氣量為0.200 ～0.720 L／min 時，COD 去除率與曝氣量成正比；在曝氣量為0.720 L／min 時，COD去除率達到最大值；曝氣量為0.720 ～1.000 L／min時，COD 去除率與曝氣量成反比，但能保持對COD的高效去除。原因是曝氣量和微藻提供的溶解氧能夠基本滿足好氧細菌的需求，好氧細菌能夠分解有機物，因此曝氣量對藻菌共生系統去除COD的影響不顯著。當CO2體積分數為1.000%～1.272%時，COD去除率隨著CO2體積分數的增加而逐漸升高；在CO2體積分數達到1.272%時，系統達到最高的COD去除率；當CO2體積分數為1.272%～20.000%時，COD去除率隨著體積分數的增加而逐漸降低，在較高CO2體積分數下，COD去除率降到較低的水平。利用響應面優化可得，當曝氣量為0.720 L／min，CO2體積分數為1.272%時，COD 去除率最大值為84.592%。

圖4 COD去除率響應面三維圖

2.2.5 對系統pH值的影響

藻菌共生系統運行2 d后，pH值的響應面三維圖如圖5 所示。CO2體積分數對藻菌共生系統的pH值有更顯著的影響，隨著CO2體積分數的增加，大量的CO2通入藻菌共生系統中，導致pH 值的大幅下降，因此在CO2體積分數過大時，藻菌共生系統表現為酸性。曝氣量對pH 值的影響較小，隨著曝氣量的增加，pH值呈現出先下降后上升的趨勢。

圖5 第2天時pH值的響應面三維圖

2.3 響應面最優條件預測

利用響應面進行預測，對回歸方程進行最優解分析，發現當曝氣量為0.639 L／min、CO2體積分數為3.849%時，藻菌共生系統對二級出水中的各個營養物質在2 d 內去除率達到最高，預測在此條件下TN、TP、NH3-N、COD 的去除率分別為70.040%、72.925%、100. 000%、83. 612%。相比SOROOSH等［13］利用藻菌共生系統處理城市污水，在2 d 內對TN、NH3-N的去除率分別為63.6%、96.0%；JI 等［14］利用藻菌共生系統處理廢水，2 d內TN、TP、COD去除率分別為30%、49%、41%：利用響應面優化后的藻菌共生系統對各污染物的去除率具有明顯提升。

2.4 曝氣條件對營養物去除顯著影響分析

通過響應面優化可知曝氣條件中的曝氣量對TN、NH3-N的影響更為顯著，當系統以NH3-N為營養物質時，藻菌系統中對NH3-N的去除主要是因為硝化反應以及微藻的同化。研究發現，微藻與活性污泥系統中硝化細菌的作用更加顯著，微藻的同化只占一小部分［15］。溶解氧是影響硝化反應的重要因素，因此曝氣量對NH3-N 的去除率影響更顯著。同時，曝氣對NH3-N具有吹脫作用，部分NH3-N被吹脫到空氣中，不能夠被微藻同化利用［16］，這也是NH3-N去除的一個途徑。

曝氣量是影響系統中溶解氧變化的重要因素，而TN的去除是因為系統中存在反硝化反應，其會直接受到溶解氧的影響。實驗前期藻菌共生系統中的O2不足，硝化細菌不能及時將NH3-N 轉化為硝態氮，系統只能通過反硝化去除系統中的硝態氮。隨著曝氣量和系統溶解氧的增加，NH3-N逐漸轉化為硝態氮。由于反硝化作用主要發生在缺氧條件下，曝氣量的增加使水中溶解氧也逐漸升高，溶解氧達到一定值后可能會抑制硝酸鹽還原酶［17］，導致TN去除率逐漸降低；同時，曝氣量帶來的水剪切力也會影響藻菌共生系統對營養物質的去除，因此曝氣量能夠直接影響系統中硝化反應的進行，從而影響系統對TN的去除。因此，曝氣量對TN的去除影響更顯著。

通過響應面優化可知曝氣條件中的CO2體積分數對TP、COD 去除率影響更為顯著。藻菌共生系統去除P 的主要機制是通過微藻生長對磷酸鹽的同化作用。然而，在藻菌共生系統中，微藻的生長速率受限于污水中的碳含量，因此污水中CO2體積分數能夠直接影響微藻的生長。隨著反應的進行，微藻吸收系統中的CO2，系統的pH 值會逐漸升高，P會以沉淀的形式析出并去除，同時微藻最適的pH值為弱堿性。但水中CO2體積分數過大時，會導致pH值的大幅降低，導致污水中TP 去除率的降低，因此CO2體積分數對TP 的影響更加顯著。

CO2體積分數對COD 去除顯著是因為微藻生長利用吸收系統中的碳源，同時微藻具有促進細菌分解有機物的作用。微藻會利用藻菌系統中的CO2，促使系統中的好氧細菌分解有機物，并釋放微藻所需的CO2［18］，因此少量的CO2能夠促進微藻的生長，同時促進好氧細菌分解有機物。然而當系統中CO2體積分數過高時，pH 值會降低，導致系統呈現酸性，使一些細菌和微藻死亡，抑制好氧細菌的呼吸作用，使其不能有效地分解有機物，導致COD 去除率降低。因此，CO2體積分數較低時能夠促進COD去除，但隨著CO2的增加，COD 去除率降低，CO2體積分數對COD的去除更具有顯著影響。

3 結論

通過上述研究，得到以下結論：

（1）通過響應面法優化藻菌共生系統污水深度處理時的曝氣條件，發現曝氣量對TN、NH3-N去除率的影響更為顯著，CO2體積分數對TP、COD 去除率的影響更為顯著。

（2）在曝氣量為0.639 L／min、CO2體積分數為3.849%時，污水中的營養物去除率達到了最高，TN、TP、NH3-N、COD 在2d 內去除率分別為70.040%、72.925%、100.000%、83.612%。預測的工藝參數在2 d 內對營養物的去除率優于一般的藻菌共生系統。