藻菌共生體處理豬場沼液的參數優化研究

王鋅針，張 哲，羅 娜，孫 晨，熊川懿，王圣智，萬瀚宇，陳建新，李 昆

（鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，南昌大學資源與環境學院，江西南昌 330031）

近年來，隨著我國畜禽養殖業的迅速發展，產生了大量的養殖廢水，經固液分離和厭氧消化處理后沼液中的有機物濃度明顯降低〔1〕，但氮磷等污染物濃度仍然較高〔2〕，且碳氮比嚴重失調，傳統的污水處理工藝難以達標排放〔3〕。以典型的養豬沼液為例，其中殘留的大量碳、氮、磷等污染物可作為藻菌共生體生長所需的營養物質，轉化為具有經濟價值的生物質資源，同時凈化污水〔4〕，具有良好的應用前景〔5〕。

影響藻菌共生體廢水處理效果的因素有很多，對微藻、細菌的活性產生影響或改變兩者間相互作用的因素都將對廢水處理產生影響〔6〕，其中光照強度、曝氣量及藻菌接種比例等影響最為顯著，針對不同的廢水水質特征，需要優化相關參數，以實現最佳的處理效果。光照是藻類生長的基本條件，微藻細胞只有在合適的光照強度范圍內才能夠正常生長。羅龍皂〔7〕研究近具刺鏈帶藻的最適光照強度時發現，其最適光照強度可能在400 μmol/（m2·s）附近，將光強控制在此范圍時有利于微藻生長。曝氣量會影響水中的DO 濃度，DO 是好氧生物處理工藝的關鍵因素，而過高的DO 濃度對微藻有毒害作用。合適的曝氣量可以調控微藻和細菌的生長速率，有助于加強兩者的協同共生，形成穩定的共生體結構。Congcong TANG 等〔8〕用SBR 反應器處理生活廢水時，發現較低曝氣量（0.2 L/min）條件下，藻菌共生系統的協同優勢更明顯，且曝氣產生的高剪切力也不利于藻類對污泥絮體的吸附。藻菌接種比例影響著藻菌間的相互關系，進而影響污染物的去除效率。Li SUN 等〔9-10〕利用活性污泥和小球藻處理生活廢水時發現，藻菌接種比例為1∶5 時，COD、TN 和磷的去除率最高；當藻菌接種比例為1∶1 時，共生系統中微藻均生長良好，氨氮去除率最高。廢水中氨氮和總磷的去除率也最高。

基于上述背景分析，本研究對豬場沼液的深度處理和資源回收展開研究，選取光照強度、曝氣量及藻菌接種比例3 個參數，設計正交實驗，探究不同光照強度、曝氣量、藻菌接種比例對藻菌共生體處理豬場沼液的影響，通過對各指標進行加權分析，選出最優的藻菌共生參數組合，為建立穩定的藻菌共生體系以提高廢水處理效率及資源回收率提供理論依據與技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與水質

1.1.1 實驗用水

實驗廢水為某豬場厭氧消化沼液，廢水經離心過濾處理，去除廢水中懸浮物等雜質后備用。將廢水稀釋10 倍，用葡萄糖適當調節其碳氮比，用0.1 mol/L 的碳酸鈉溶液和0.1 mol/L 的鹽酸將廢水pH 調至中性，調節后的廢水水質特征如表1 所示。

表1 豬場沼液水質特征Table 1 Characteristics of digested swine wastewater

1.1.2 藻菌共生體培養

實驗用微藻為前期實驗從某垃圾填埋場滲濾液中分離得到的耐鹽耐氨氮小球藻藻種（NCU-C1），接種前使用BG11 培養基培養。活性污泥取自南昌某污水處理廠二沉池回流污泥，用濾網將其中雜質去除。采用悶曝方式對污泥進行馴化培養，以適應實驗廢水〔11〕。馴化時間為7 d，控制曝氣量為3～5 L/min，污泥初始質量濃度約3 g/L，污泥停留時間為15 d，保持pH 為7±0.5，DO 為3～5 mg/L，溫度為（25±3） ℃，日常監測pH、DO、SV30等指標。

1.2 實驗方法

1.2.1 反應器構建

實驗所用反應器為管式光生物反應器，反應器結構如圖1 所示，由透明亞克力圓柱管制成，底部為圓錐形，有效容積為2 L，同一批次有9 套同時進行。由磁力泵通過反應器底部微孔板提供空氣，用數顯流量計調節氣體流量。光源由纏繞在反應器外壁的LED 燈帶提供，用照度計測定反應器中心位置光照強度，通過LED 燈帶功率調節光照強度。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2.2 實驗設計

向實驗廢水中接種預設定量的微藻和活性污泥，測定實驗過程中水質、生物量及藻菌形態結構指標的變化。實驗采用三因素三水平正交表設計（表2），共持續10 d，選取光照強度、曝氣量及藻菌接種比例3 個因素，其中光照強度（A）分別為250、400、550 μmol/（m2·s）；曝氣量（B）分別為0.1、0.2、0.5 L/min；藻菌接種比例（C）分別為1∶1、1∶5、1∶10。光暗周期為12 L/12 D，初始接種量為1.0 g/L，根據接種比例調整微藻和活性污泥接種量。培養溫度為25 ℃。利用哈希便攜式水質分析儀在線監測DO、pH 及電導率。

表2 正交實驗設計Table 2 Orthogonal experimental design

1.2.3 水質分析方法

水樣經0.45 μm濾膜過濾后用于各項水質指標測定，COD、總氮、氨氮、硝氮、總磷、磷酸鹽的測定方法參照《水和廢水監測分析方法》（第4版），微藻干重測定方法參照文獻〔12〕，葉綠素a濃度測定采用甲醇提取法〔13〕。

2 結果與討論

2.1 實驗中DO、pH 和電導率變化

通過對DO 和pH 監測可了解微生物活性，考察藻菌共生體穩定性。各組DO、pH、電導率隨時間的變化情況如圖2 所示。

圖2 各組DO、pH、電導率隨時間的變化Fig.2 Variations of DO，pH，electrical conductivity with time in different groups

由圖2（a）可知，前期DO 增速不同，但最終都穩定在7 mg/L 左右。在藻菌共生體系中，微藻利用CO2進行光合作用，釋放的O2可顯著節省曝氣，即使最低曝氣量（0.1 L/min）也能滿足微生物的生長需求。前期DO增速差異主要是曝氣量和藻菌接種比例的影響，曝氣量和藻菌接種比例越大，DO 的增長速度就越快。

由圖2（b）可知，除第6 組外，各組的pH 均呈上升—下降—上升的變化趨勢，但均保持在適合藻菌生長的范圍。研究表明，微藻生長會吸收水中碳酸根離子導致pH 升高〔14〕，而活性污泥中硝化菌的硝化過程會消耗堿度使pH 下降，故藻菌的共生關系對pH 有顯著影響。結合葉綠素a 變化，第6 組實驗前期活性污泥占比過高導致pH 快速降低，引起微藻的快速死亡。

電導率可用于判斷水中離子濃度或含鹽量〔15〕。由圖2（c）可知，各組電導率隨時間的變化均呈先降后升的趨勢，可能是實驗后期營養物質匱乏，藻菌死亡，胞內物質溶出，導致電導率上升。

2.2 藻菌共生體對碳氮磷的去除效果

2.2.1 COD 和TOC 的去除情況

各組COD和TOC去除率隨時間的變化如圖3所示。

圖3 各組COD 和TOC 去除率隨時間的變化Fig.3 Variations of COD and TOC removal rates with time in different groups

由圖3（a）可知，各組COD 去除率隨時間的變化整體呈緩慢上升趨勢，多數組在第8 天達到峰值其后迅速下降，其中第2 組COD 去除率最高為92.5%，COD 為142.2 mg/L。經極差分析可知，以COD 為考察指標時，極差R值大小為B＞C＞A，最優水平為A2B2C1，但三者R值均較小且差距不大，故光照強度、曝氣量和藻菌接種比例對COD 去除率的影響較小。

TOC 能更精確地反映水中的有機物濃度。由圖3（b）可知，各組TOC 去除率隨時間的變化趨勢與COD 相似。第1、3、6 組TOC 去除率最高分別為（85.08±0.37）%、（85.21±0.71）%、（85.40±1.5）%，TOC分別為（102.48±2.60）、（101.60±4.89）、（100.25±10.50） mg/L。經極差分析可知，以TOC 為考察指標時，極差R值大小為B＞C＞A，最優水平為A2B3C1，但三者R值均較小且差距不大，故光照強度、曝氣量和藻菌接種比例對TOC 去除率的影響均較小。

2.2.2 氮的去除情況

各組NH4+-N 和TN 去除率隨時間的變化如圖4所示。NH4+-N 方面，活性污泥主要通過硝化作用和同化吸收作用，而微藻則可利用廢水中的氮實現增殖〔16-17〕。由圖4（a）可知，各組NH4+-N 去除率隨時間變化的差異較大，第8 組在第7 天NH4+-N 去除率達到最高，為80.21%。8 d 后NH4+-N 去除率下降，第4、8 組在第2～8天NH4+-N為（77.95±11.17） mg/L和（70.90±7.37） mg/L，NH4+-N 去除率最高分別為（75.30±3.53）%和（77.54±2.33）%；第7組在第2～8天NH4+-N為（86.64±2.81） mg/L，NH4+-N 去除率為（74.80±1.17）%。第4、7、8 組的藻菌接種比例分別為1∶5、1∶10、1∶1，表明接種比例對NH4+-N去除影響較小。由極差分析可知，以NH4+-N 為考察指標時，極差R大小為B＞A＞C，曝氣強度對NH4+-N 去除影響最大，接種比例影響最小，最優水平為A3B2C1。

圖4 各組NH4+-N 和TN 去除率隨時間的變化Fig.4 Variations of NH4+-N and TN removal rates with time in different groups

由圖4（b）可知，各組TN 去除率變化差異較大，第8 組在第8 天之前TN 去除率高于其他組，TN 為（133.88±11.28） mg/L，TN 去除率（58.93±3.46）%，在第6 天TN 去除率到達最高，為62.27%，TN 為123.00 mg/L。由極差分析可知，以TN 為考察指標時，極差R大小為B＞C＞A，最優水平為A2B1C1。曝氣量對TN去除率影響最大，曝氣量越大，TN 去除率越低，其原因可能是曝氣量增大加速了活性污泥中硝化菌對NH4+-N 的硝化作用，而微藻通常優先利用NH4+-N生長，僅在NH4+-N 濃度低時，部分利用硝氮〔18〕，從而影響了TN 的去除率。此外，高曝氣下的高DO 對微藻生長的抑制作用也是原因之一。藻菌接種比例對TN 去除影響其次，藻菌接種比例分別為1∶1、1∶5 和1∶10 時，TN 去除率分別為（55.52±3.51）%、（52.90±4.7）%和（50.08±4.11）%，微藻比重越小，TN 去除率越低，說明微藻生長對TN 的去除十分關鍵。光照強度對TN 去除率影響最弱，當光照強度為400μmol/（m2·s）時TN 去除率最高。

2.2.3 磷的去除情況

各組PO43--P 和TP 去除率隨時間的變化如圖5所示。

圖5 各組PO43--P 和TP 去除率隨時間的變化Fig.5 Variations of PO43--P and TP removal efficiency with time in different groups

在藻菌共生體系中磷的去除包括生物過程和非生物過程兩種途徑，其中生物過程主要包括微藻同化吸收和微生物聚磷，非生物過程包括吸附和沉降。由圖5（a）可知，各組第1 天PO43--P 去除率均＞94%，PO43--P＜0.55 mg/L。在裝置內設有曝氣裝置增大了水流的剪切力，且微藻在進行光合作用的過程中產生氧氣，強化了活性污泥在好氧條件下的聚磷作用。實驗后期各組葉綠素a 與干重開始下降，微生物死亡釋磷導致PO43--P去除率下降。由圖5（b）可知，第8 組在第1～8 天中TP 去除效果最好，TP 為（0.46±0.20） mg/L，TP 去除率為（95.56±0.25）%。養豬沼液中磷主要以PO43--P 形式存在，故PO43--P 的變化情況與TP 幾近重合。由極差分析可知，以TP 為考察指標時，極差R值大小為B＞A＞C，最優水平為A3B3C2，但三者R值均較小且差距不大，故光照強度、曝氣量和藻菌接種比例對TP 去除率的影響均較小。

2.3 藻菌微生物指標及形態特征變化

各組藻菌共生體的生物質隨時間的變化如圖6所示。

圖6 各組藻菌共生體的生物質隨時間的變化Fig.6 Variation of microalgae-bacteria symbionts biomass with time in different groups

葉綠素a 濃度與微藻的活性和生物量之間存在緊密的相關性，葉綠素a 濃度越高，微藻生長越旺盛，生物量越多。由圖6（a）可知，葉綠素a 濃度均為先上升后下降，說明微藻前期生長較快，在第1～8 天第1、8 組葉綠素a 質量濃度達到（24.33±3.30） mg/L。實驗后期受廢水中營養物濃度限制，出現生長停滯甚至衰亡的狀況，其中第3、9 組葉綠素a 質量濃度降至1.0 mg/L。

干重反映體系中的微生物總量，生物量變化反映體系的穩定程度，生物量變化小的體系更穩定。由圖6（b）可知，各組變化差異較大：第6、8、9 組在第4～5 天達峰值，干重分別為1.45、1.60、1.49 g/L，之后持續下降；而第1、4、7 組，干重較為穩定，第1～10 天分別為（1.57±0.07）、（1.70±0.08）、（1.56±0.10） g/L。分析發現，較高曝氣量和光照強度與干重呈負相關，可能是高曝氣量和光照強度加劇了藻菌對廢水中營養物的消耗，導致實驗中過早出現微生物的衰亡。

微生物絮體粒徑大小及其分布是形態學的重要指標，對絮體穩定性有一定影響。接種前微藻和活性污泥平均粒徑（D50）分別為4.42 μm 和29.5 μm，各組第7 天藻菌絮體粒徑如圖6（c）所示，除第1、6 組，其他組絮體均大于活性污泥，說明形成了較為穩定的藻菌共生絮體結構。而第1、6 組由于藻菌接種比例大，初始平均粒徑較小，其實驗后期絮體粒徑也呈現增長趨勢。通常絮體粒徑隨著藻菌接種比例的增大而減小，大量游離的藻細胞會降低體系D50。此外，第3、5、7 組D50大于同藻菌接種比例的其他組，說明其中藻菌絮體形成情況更好。

2.4 污染物去除率及正交實驗結果分析

實驗中第7 天多數實驗組污染物去除率達到峰值，且組間差異明顯，故選取當天水質指標和微生物指標作為正交實驗對各指標的考察依據（見表3）。根據實際情況和指標的重要程度，采取多指標綜合加權評分法綜合考慮多指標下的最優解，賦予各指標不同的權重比，權重比大的指標為主體，兼顧其他指標需要，能得到較全面指標下的最優水平〔19-20〕。藻菌共生體處理廢水的首要目標為凈化廢水，而產生的微生物質為廢水處理的副產物，不作為主要考察指標；TP 在第1 天去除率達到93%以上，且濃度較其他指標低一個數量級。由此對TP（W1）、TOC（W2）、NH4+-N（W3）和TN（W4）去除率賦予權重分別為0.1、0.3、0.3、0.3，綜合評分（OR）計算式如式（1）所示。

表3 各實驗組第7 天污染物去除率Table 3 Pollutants removal rates of all groups at the 7th day %

正交實驗設計及實驗結果如表4 所示。

表4 正交實驗設計及實驗結果Table 4 Design and results of orthogonal tests

經綜合加權平均法分析發現，因素主次順序為B＞A＞C，對污染物去除影響關系依次為曝氣量＞光照強度＞藻菌接種比例，所得最佳參數組合為A3B2C1，即光照強度為550 μmol/（m2·s）、曝氣量為0.2 L/min、藻菌接種比例為1∶1 時，藻菌共生系統對各污染物指標綜合處理效果最好。

3 結論

本研究設計正交實驗對藻菌共生體處理養殖廢水過程進行參數優化，選取光照強度、曝氣量、藻菌接種比例3 個參數，對比各組的污染物去除效率、藻菌生長情況及絮體形態差異，得到以下結論：

1）曝氣量對NH4+-N、TN 的去除影響最大，曝氣量為0.2 L/min時的NH4+-N去除率最高，而光照強度、曝氣量和藻菌接種比例對COD、TOC、PO43--P和TP的去除率影響均較小。綜合評分最優組的TP、COD、TN、NH4+-N分別為0.48、219.2、125.2、64 mg/L，TP、COD、TN、NH4+-N去除率分別為95.46%、88.58%、61.58%、80.21%。

2）各組干重和葉綠素a 濃度均呈先上升后下降的趨勢，說明實驗初期藻菌共生體生長良好，后期因營養物不足導致其衰亡。高曝氣量和高光照強度加快了微生物對廢水中營養物的利用速度，導致微生物更早出現衰亡。此外，各組藻菌絮體D50均呈顯著增大的趨勢，且隨藻菌接種比例的增大而減小。

3）運用多指標綜合加權評分法評價得出影響藻菌共生體對廢水中污染物去除的因素排序為：曝氣量＞光照強度＞藻菌接種比例。其最優參數組合為A3B2C1，即光照強度為550 μmol/（m2·s），曝氣量為0.2 L/min，藻菌接種比例為1∶1。