田宇，徐晨，王柳鵬，杜少燁，詹健

(南昌大學(xué)a.資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330031;b.鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031；c.工程建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330031)

近年來城鎮(zhèn)污水排放量劇增，部分污水未達到排放標(biāo)準(zhǔn)進入受納水體，過量的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)引起藻類和浮游生物的大量繁殖，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡，加劇水體污染。而傳統(tǒng)的污水處理方法如活性污泥系統(tǒng)和厭氧消化工藝，存在對污染物的去除效率低、過程條件控制復(fù)雜以及能耗過大等問題[1]。菌藻共生(algae and bacteria symbiotic,ABS)系統(tǒng)作為一種協(xié)同細(xì)菌和微藻進行污水處理的新技術(shù)[2]，具有高效脫氮除磷、節(jié)約能耗、生物質(zhì)資源可回收等優(yōu)點，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[3-5]。但在利用ABS系統(tǒng)處理生活污水過程中，由于藻類細(xì)胞通常只有3～8 μm，重力沉降性能表現(xiàn)較差，而微藻細(xì)胞分泌的胞外多糖較少，不易于成團[6-7]，導(dǎo)致藻類流失引起二次污染。菌藻固定化技術(shù)是通過物理和化學(xué)方法將懸浮狀態(tài)的菌藻固定在一定的空間內(nèi)，菌藻在固定空間內(nèi)仍具有活性，可以有效提高藻類生物量積累，加快反應(yīng)速度，加強藻類抗毒害作用，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠一定程度上緩解藻類細(xì)胞流失[8]。

然而微藻細(xì)胞對光的散射，色素對光的吸收，污泥絮體的遮擋，都會引起光衰減現(xiàn)象，使得反應(yīng)器內(nèi)部微藻所接收到的光強低于光補償點，導(dǎo)致微藻的生長速率和細(xì)胞活性受到限制[9-10]，從而影響ABS系統(tǒng)的脫氮除磷效果[11-12]。所以對如何緩解反應(yīng)器光衰減現(xiàn)象和光照條件對ABS系統(tǒng)運行效能的影響進行研究是十分有必要的。大多數(shù)學(xué)者[13-14]對ABS系統(tǒng)關(guān)于照度和光照周期的研究都是通過單因素分析，而多因素對ABS系統(tǒng)運行的綜合影響卻少有報道。

本研究選取黃綠發(fā)光填料固定化以小球藻和活性污泥構(gòu)建的ABS系統(tǒng)，選取發(fā)光材料配比、光照時間、照度3個因素設(shè)計正交實驗對黃綠發(fā)光填料固定化菌藻共生系統(tǒng)(immobilized algae and bacteria symbiotic system with yellow-green luminescent filler,IABSS-YLF)對污水中TN、TP和COD等污染物的去除效果進行深入研究，并利用矩陣分析法對各個因素關(guān)于IABSS-YLF的污染物去除效果影響進行分析，選出IABSS-YLF的最優(yōu)光照條件。本研究為探究IABSS-YLF系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮高效污染物去除能力的最佳運行條件，并為實際工程中廣泛應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 實驗裝置

Su等[15]在研究微藻的沉降性能時，發(fā)現(xiàn)席藻、小球藻和柵藻的沉降性能較好，小球藻的脫氮除磷能力最佳。同時小球藻為科研研究和實際工程中廣泛使用的菌類之一，選擇小球藻作為研究藻種，使研究結(jié)論更具有代表性和參考性。小球藻通過活化、馴化和培養(yǎng)后作為實驗對象和種子液的制備。本實驗所用污泥來自某市污水處理廠的二沉池回流污泥?；钚晕勰嗖捎萌斯ず铣晌鬯M行馴化培養(yǎng)，使得活性污泥保持較好的活性，待15 d后與富集培養(yǎng)的小球藻混合進行實驗。

發(fā)光填料的制備是將黃綠發(fā)光材料與UV滴膠按一定比例進行混合，使用攪拌棒將其攪拌至無氣泡狀液體，然后使用羊毛刷均勻涂覆在普通填料表面，通過利用9 W紫外燈將其固化在普通填料表面制得發(fā)光填料。普通填料為聚丙烯空心球填料，直徑25 mm，比表面積為500 m2·m-3。UV滴膠是透明狀液體，主要功能是將發(fā)光材料固化在填料表面。黃綠發(fā)光材料呈粉末狀，主要的物質(zhì)組成為SrAl2O4：Eu2+，Dy3+，發(fā)光波長為520 nm。

實驗裝置由聚氯乙烯材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)為截面直徑15 cm，高60 cm的無蓋柱體，有效容積為8 L。柱體中間設(shè)置有一個直徑約1 cm的出水孔，連接適宜長度的塑料軟管以方便收集出水樣品。所有實驗裝置內(nèi)接種污泥質(zhì)量濃度為1 600 mg·L-1，藻類質(zhì)量濃度為400 mg·L-1，實驗裝置內(nèi)的填料填充率約為裝置有效容積的20%。進水選用人工合成污水，人工合成污水配方見表1。人工合成污水的COD、TN和TP質(zhì)量濃度在實驗過程中的實際測定值分別為(400±50 )mg·L-1，(40±5 ) mg·L-1和(5±0.8) mg·L-1。

表1 人工合成污水配方

實驗裝置采用SBR運行模式，每天運行2個周期，1個周期為12 h，共運行40 d。在每個周期內(nèi)進水30 min，曝氣8 h，靜置3 h，出水30 min。所有反應(yīng)器使用LED光帶纏繞在反應(yīng)器外壁上作為人工光照。曝氣量設(shè)置為0.4 L·min-1，進出水體積為4 L，占系統(tǒng)體積50%，使反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時間為24 h。每天對每個系統(tǒng)進行手動排泥，每個反應(yīng)器排泥100 mL左右，污泥齡為20 d。

1.2 樣品收集與測定

通過使用聚氯乙烯桶分別將所有實驗裝置在每個運行周期的出水水樣進行收集，用攪拌棒混勻移入樣品瓶內(nèi)，將多余的水樣棄置。樣品瓶儲存于4 ℃冷藏箱內(nèi)，在24 h內(nèi)對水樣中的COD、TN和TP質(zhì)量濃度進行測定并記錄。重鉻酸鹽法[16]用于測定樣品中的COD質(zhì)量濃度，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[17]用于測定水樣中的TN質(zhì)量濃度，鉬酸銨分光光度法[18]用于測定水樣中的TP質(zhì)量濃度。

本研究通過計算不同實驗裝置在40 d運行周期的平均COD、TN和TP去除率評價IABSS-YLF在不同運行條件下的污染物去除能力。本研究中平均污染物去除率η可通過式(1)計算。

(1)

式中：η為平均污染物去除率，%；n為實驗周期數(shù)；Ci為第i運行周期水樣中某污染物濃度，mg·L-1;C0為進水中某污染物濃度，mg·L-1。

1.3 正交實驗設(shè)計

以COD去除率η1、TN去除率η2、TP去除率η3為指標(biāo)，選取照度E、發(fā)光材料配比r、光照時間t為影響因素，每個因素選取3個水平，可選標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(33)，即構(gòu)建9個實驗裝置，利用軟件分析正交實驗結(jié)果。正交實驗因素水平表見表1。各因素水平數(shù)值的選取主要參考其他研究者相關(guān)的單因素研究結(jié)論和前期研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[19-20]。

1.4 矩陣分析法

矩陣分析法是通過建立一個三層遞階層次結(jié)構(gòu)模型，對正交實驗中的單指標(biāo)直觀分析出的數(shù)據(jù)進行矩陣計算后得出各因素水平的權(quán)重大小，從而得出IABSS-YLF的最佳光照條件[21-22]。矩陣法建立指標(biāo)層矩陣、因素層矩陣、水平層矩陣，三層矩陣相乘得出一個權(quán)矩陣，權(quán)矩陣代表正交實驗中各因素水平的權(quán)重大小。

指標(biāo)層矩陣M：設(shè)正交實驗有m個因素n個水平；取第i個因素在第j個水平上指標(biāo)和的平均值為Kij，若對該指標(biāo)的期望是越大越好，則直接取Kij，若對該指標(biāo)的期望是越小越好，則取平均值的倒數(shù)1/Kij。指標(biāo)層矩陣M如式(2)所示。本實驗中COD去除率、TN去除率、TP去除率均期望越大越好，因此取平均值Kij。

(2)

(3)

(4)

影響實驗指標(biāo)值的權(quán)矩陣w如式(5)所示。

w=MTR

(5)

2 結(jié)果與討論

正交實驗L9(33)實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交實驗因素水平表

利用軟件對COD去除率、TN去除率和TP去除率3個指標(biāo)進行獨立極差分析，為建立多指標(biāo)矩陣分析提供數(shù)據(jù)。

COD去除率η1、TN去除率η2和TP去除率η3的極差分析結(jié)果見表4。

表4 極差分析結(jié)果

以COD去除率為指標(biāo)，通過表3可知：光照時間t(C)因素對COD去除率影響最大，Ri為20.60；照度E(A)因素對COD去除率影響次之，Ri為12.33；發(fā)光材料配比r(B)因素對COD去除率影響最弱，Ri為6.30。從而可以排出各因素影響順序為C>A>B，這說明外部光照相對內(nèi)部光照更能影響IABSS-YLF對污水的COD去除能力。可知，隨著A的增長，COD去除率先急劇降低再急劇升高；隨著B的增長，COD去除率緩慢上升；隨著C的增長，COD去除率先急劇上升再緩慢下降。分析可見，因素A取水平3，因素B取水平3，因素C取水平2。因此對于COD去除率指標(biāo)來分析，參數(shù)最優(yōu)選擇是A3B3C2，即照度為8 000 lx，發(fā)光材料配比為0.500，光照時間為9 h的條件下，COD去除率最高為91.5%。相對微藻，細(xì)菌降解系統(tǒng)內(nèi)大分子有機物的能力更強，被降解的物質(zhì)可供微藻同化吸收促進繁殖，藻類在進行代謝活動時分泌出的代謝物又可供細(xì)菌利用從而完成自我增殖[23]。這說明IABSS-YLF在強烈且充足的光照條件下提高了裝置內(nèi)藻類的光合作用能力，進一步加強菌藻之間的協(xié)同作用，能更好發(fā)揮對污水穩(wěn)定且高效COD去除效果。

表3 正交實驗L9(33)實驗結(jié)果

以TN去除率為指標(biāo)，通過表3可知：照度(A)因素對TN去除率影響最大，Ri為21.23；發(fā)光材料配比(B)因素對TN去除率影響次之，Ri為11.50；光照時間(C)因素對TN去除率影響最弱，Ri為11.27。從而可以排出各因素影響順序為A>B>C，照度的變化能顯著影響IABSS-YLF對污水中氮的去除效果。可知，隨著A的增長，TN去除率先急劇降低再迅速升高，升高后的數(shù)值比開始時的數(shù)值要低；隨著B的增長，TN去除率先上升再降低；隨著C的增長，TN去除率先呈現(xiàn)急劇下降再緩慢下降趨勢。由以上圖表分析可見，因素A取水平1，因素B取水平2，因素C取水平1。因此對于TN去除率指標(biāo)來分析，參數(shù)最優(yōu)選擇是A1B2C1，即照度為4 000 lx，發(fā)光材料配比為0.375，光照時間為6 h的條件下，TN去除率最高。系統(tǒng)內(nèi)TN的去除途徑主要是通過微生物同化作用、硝化作用及反硝化作用[24]，而較長的光照時間導(dǎo)致藻類過量產(chǎn)生的溶解氧會一定程度上影響系統(tǒng)整體的反硝化過程，同時使活性污泥迅速老化，從而降低IABSS-YLF對污水中氮的去除效率，這與李竺芯等[13]的研究結(jié)論相一致。

以TP去除率為指標(biāo)，通過表3可知：照度(A)因素對TP去除率影響最大，Ri為8.63；發(fā)光材料配比(B)因素對TP去除率影響次之，Ri為4.10；光照時間(C)因素對TP去除率影響最弱，Ri為3.73。從而可以排出各因素影響順序為A>B>C，這與各因素對TN去除率的影響情況相似。隨著A的增長，TP去除率先急劇下降再升高,升高后的數(shù)值比開始時的數(shù)值要低；隨著B的增長，TP去除率先上升再下降；隨著C的增長，TP去除率先緩慢下降再急劇升高。由以上圖表分析可見，因素A取水平1，因素B取水平2，因素C取水平3。因此對于TP去除率指標(biāo)來分析，參數(shù)最優(yōu)選擇是A1B2C3，即照度為4 000 lx，發(fā)光材料配比為0.375，光照時間為12 h的條件下，TP去除率最高。微藻對磷的同化作用，具備和聚磷菌一樣可以逆濃度梯度過量吸磷合成多磷酸鹽顆粒儲存在體內(nèi)的特性[25]，能表現(xiàn)出更強的磷去除效率[26-27]。所以這也說明了在充足的光照時間條件下，微藻光合作用能力和合成代謝活性提高，過量的溶解氧同時促進微藻和聚磷菌吸磷能力，從而實現(xiàn)對污水中磷的去除。趙思源[28]的研究結(jié)論顯示聚磷菌在連續(xù)充氧條件下對反應(yīng)器內(nèi)磷的去除率高達97.7%，也證明了這一點。

將表3的極差分析結(jié)果代入式(2)～式(5)中，得到COD、TN和TP去除率的權(quán)矩陣計算結(jié)果如下：

(6)

計算3個指標(biāo)的平均值：

(7)

由式(7)可以得出A1，B2，C2所占的權(quán)重最大，因此正交實驗得出的IABSS-YLF最優(yōu)參數(shù)為A1B2C2，即照度為4 000 lx，發(fā)光材料配比為0.375，光照時間為9 h。在這個最優(yōu)光照條件下，IABSS-YLF對污水中COD、TN和TP的去除率分別為89.8%，78.7%和82.1%。

3 結(jié)論

本文以黃綠填料固定化菌藻共生系統(tǒng)為研究對象，照度、發(fā)光材料比和光照時間為實驗變量因素，COD、TN和TP去除率為評價指標(biāo)，設(shè)計了L9(33)正交實驗，研究IABSS-YLF穩(wěn)定發(fā)揮高效污染物去除能力的最佳光照條件，得出以下結(jié)論：

(1)通過單指標(biāo)極差分析，照度(A)、光照周期(B)、黃綠發(fā)光材料配比(C) 3種因素對IABSS-YLF處理污水效率的影響，分別得出對COD去除率、TN去除率以及TP去除率最大的影響因素以及最優(yōu)水平。對COD去除率指標(biāo)影響因素最大的是因素C，因素B影響最弱，因素的最優(yōu)水平為A3B3C2。對TN去除率指標(biāo)影響因素最大的是因素A，因素C影響最弱，因素的最優(yōu)水平為A1B2C1。對TP去除率指標(biāo)影響因素最大的是因素A，因素C影響最弱，因素的最優(yōu)水平為A1B2C3。

(2)通過對各指標(biāo)進行單獨極差分析，為多指標(biāo)矩陣法提供數(shù)據(jù)。對多指標(biāo)正交實驗使用矩陣法進行計算分析，綜合評價后按權(quán)重大小得出因素水平的最佳方案組合，即A1B2C2。綜上，確定IABSS-YLF穩(wěn)定高效去除污水中COD、TN和TP等污染物的最優(yōu)光照條件如下：照度為4 000 lx，光照時間9 h，發(fā)光材料配比0.375。在最優(yōu)光照條件下，IABSS-YLF對污水中COD、TN和TP的去除率分別為89.8%，78.7%和82.1%。

(3)后期應(yīng)深入研究IABSS-YLF對污水中氮磷及有機物的去除機制和系統(tǒng)內(nèi)菌藻活性的影響。同時菌藻共生系統(tǒng)的外部光源和發(fā)光填料是否存在相互聯(lián)系，不同光質(zhì)發(fā)光填料的綜合影響也應(yīng)進一步考慮。