王殿惠

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，大量垃圾的產(chǎn)生造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染，其處理方式仍然以填埋為主，從而導(dǎo)致垃圾滲濾液的產(chǎn)生。菌藻共生系統(tǒng)在污水處理研究的應(yīng)用日益廣泛。20世紀(jì)60年代，William Oswald等[1]首次提出菌藻共生系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的穩(wěn)定塘與微藻光合作用相結(jié)合，形成高效藻類塘工藝。微藻可同化吸收重金屬和造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的物質(zhì)，細(xì)菌等微生物可對(duì)大分子有機(jī)物進(jìn)行氧化降解。然而，細(xì)菌可能會(huì)與藻類競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如N和P，特別是在磷含量有限的垃圾滲濾液中。因此將垃圾滲濾液與生活污水合并處理，既起到了對(duì)滲濾液緩沖稀釋的作用，又補(bǔ)充了滲濾液缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素(如P)，節(jié)約了處理成本。細(xì)菌和藻類的生物量多少可能影響兩者之間的合作，從而影響微生物群落結(jié)構(gòu)和污水處理效能。樊杰等[2]在黑暗異養(yǎng)條件下培養(yǎng)菌藻共生體，發(fā)現(xiàn)污泥/微藻比值為1∶2時(shí)對(duì)污染物的去除效果好，沉降性更好。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，初始微藻和細(xì)菌的質(zhì)量比保持在3∶1，氨氮從垃圾滲濾液中完全去除，硝酸鹽、化學(xué)需氧量和苯酚的去除率均在90%以上，粗甘油含量為34.54%～42.36%[3]。Roudsari等[4]認(rèn)為即使少量污泥的投加也能對(duì)微藻去除COD起促進(jìn)作用。Tang等[5]應(yīng)用3 000 mg/L濃度的污泥與藻類混合，藻類均生長(zhǎng)較好。Mujtaba等[6]發(fā)現(xiàn)用于城市污水處理的最佳配比為2∶1。然而Zhu等[7]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)接種比為1∶1時(shí)，COD、TN、TP的去除率較高，分別為82.7%，75.5%和100%。可以看出，微藻與污泥的最佳比例因污水組成的不同而變化，細(xì)菌生物量的多少也影響著藻類對(duì)光照的利用情況。

筆者以小球藻和活性污泥為原料，建立了處理垃圾滲濾液的復(fù)合菌藻群。通過調(diào)節(jié)藻菌比優(yōu)化共生系統(tǒng)性能，從生物量、光合色素、DO、pH等方面研究了微藻-細(xì)菌的相互作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 菌藻來源

實(shí)驗(yàn)所用藻類-普通小球藻(FACHB-08)是一種球形單細(xì)胞淡水藻類，直徑在3～8 μm。在光照強(qiáng)度為3 000 lux、27℃下進(jìn)行培養(yǎng)?；钚晕勰嗳∽阅澄鬯幚韽S曝氣池。接種小球藻濃度為3.7×107個(gè)/mL，污泥濃度為8 631 mg/ L。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

以垃圾滲濾液原水和模擬的生活污水作為實(shí)驗(yàn)進(jìn)水。垃圾滲濾液原水取自大辛垃圾填埋場(chǎng)，水質(zhì)見表1。

表1 模擬污水與垃圾滲濾液主要污染物濃度Tab.1 Concentration of main contaminants in simulated sewage and landfill leachate mg· L-1

模擬污水的主要成分為：CH3COONa，384.6 mg/L；KH2PO4，47；NH4Cl，152.7 mg/L；NaHCO3，300 mg/L；MgSO4·7H2O，75 mg/L；CaCl2·2H2O，36 mg/L；檸檬酸鐵銨，6 mg/L；EDTANa2，1 mg/L。另外添加微量元素，并以少量NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，微量元素濃縮液的成分為：H3BO3，2.86 mg/L；MnCl2·4H2O，1.86 mg/L；ZnSO4·7H2O，0.22 mg/L；Na2MoO4·2H2O，0.39 mg/L；CuSO4·5H2O，0.08 mg/L；Co(NO3)2·6H2O，0.05 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將4個(gè)容積為2 L的反應(yīng)器分別置于磁力加熱攪拌器上，調(diào)節(jié)溫度為27 ℃，以轉(zhuǎn)速150 r/min保持反應(yīng)器內(nèi)液體恒定混合，以避免污泥沉積。使用2個(gè)緊湊熒光燈管，置于反應(yīng)器上方，以約4 000 lux的光強(qiáng)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行12 h光照∶12 h黑暗循環(huán)照射。

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物的去除

如圖1.a所示，8∶1、4∶1、1∶1、1∶4藻菌比下COD最大去除率分別為83.9%、95.4%、96.5%和91.8%。雖然無額外曝氣，但在4∶1、1∶1和1∶4的比例下，COD去除率仍然較高，節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本。

圖1 不同藻菌比下對(duì)污染物的去除效果Fig.1 Removal of pollutant under different bacteria-algae ratio

在有活性污泥和微藻的反應(yīng)器中，微藻光合作用提供氧氣有助于異養(yǎng)菌礦化，從而提高了對(duì)COD的去除效率。DO濃度是影響異養(yǎng)好氧菌呼吸和降解COD的因素，但1∶4和1∶1藻菌比下的DO不是最高的。因此微藻和活性污泥之間可能存在一種不只CO2/O2氣體交換的互利作用，從而改善活性污泥的礦化。當(dāng)藻菌比為8∶1時(shí)，雖然COD從526.3 mg/L降至84.4 mg/L，但COD去除率較低，反映了活性污泥的缺乏和微藻對(duì)COD的去除作用不足。Roudsari等[4]認(rèn)為活性污泥在混合系統(tǒng)對(duì)COD的去除中起到了主要作用。由于代謝產(chǎn)物隨時(shí)間積累以及微生物后期解體，出現(xiàn)COD濃度升高的現(xiàn)象，Travieso Córdoba等[10]也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

小球藻濃度決定其光合效率，通過光合作用吸收氮磷，因而影響污染物去除效果[12-13]。藻類濃度較低時(shí)，光合作用效率與微藻濃度成正比；當(dāng)微藻濃度過高時(shí)，由于藻類對(duì)氧氣的競(jìng)爭(zhēng)性消耗，處理效率開始下降[14]。一般來說微藻在生物同化過程起主導(dǎo)作用[15]，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)去除效果在藻菌比8∶1下均表現(xiàn)較差，這可能因?yàn)槲⒃灞旧斫臃N比例較高，生長(zhǎng)到一定密度后，相互掩蔽堆積的藻類就會(huì)受光照限制，抑制光合作用。此外，該實(shí)驗(yàn)?zāi)M自然光照條件，高密度藻類在黑暗條件下的呼吸作用也與活性污泥競(jìng)爭(zhēng)O2[16]。可見接種物中藻菌比過高或過低都不利于污染物去除。

2.2 菌藻生物量的變化

藻菌比對(duì)共生小球藻、污泥生長(zhǎng)的影響如圖2所示。小球藻葉綠素a含量分別增加了0.77，1.24，0.79和0.68 mg/L。葉綠素a可以反映微藻的生物量，8∶1藻菌比下的反應(yīng)器葉綠素濃度增加并非最大。這是因?yàn)榇朔磻?yīng)器活性污泥數(shù)量較少，CO2供應(yīng)不足，對(duì)光合作用不利。此外，高密度藻類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)大，死亡的藻類作為有機(jī)物被活藻降解，導(dǎo)致葉綠素減少。高污泥濃度的反應(yīng)器也會(huì)遮擋光線射入，導(dǎo)致光合效率下降，藻類暗呼吸使O2消耗增加，從而導(dǎo)致藻類生長(zhǎng)減緩。

圖2 不同藻菌比下葉綠素a和TSS的變動(dòng)特征Fig.2 Change features of chlorophyll a and TSS under different bacteria-algae ratio

接種小球藻后，TSS基本先增加，分別增加了451，515，279和207 mg/ L，在后期有大致相同幅度的下降，然而葉綠素a呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，說明污泥量減少是共生系統(tǒng)中TSS下降的主要原因。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的缺乏降低了污泥的活性。

2.3 pH和DO的變化

圖3 不同藻菌比下pH、DO和濁度的變動(dòng)特征Fig.3 Change features of DO, pH and turbidity under different bacteria-algae ratio

4個(gè)藻菌比下，DO的變化有所不同。開始時(shí)，通過曝氣將反應(yīng)器中的DO增加到約3 mg/L。在較高污泥比例反應(yīng)器中，第一天DO幾乎降到0。說明前期活性污泥呼吸代謝旺盛，藻類光合作用釋放出的O2完全被消耗掉[14]，即細(xì)菌異養(yǎng)活性要高于微藻光合作用。后期DO有所恢復(fù)，1∶4比例下藻類低產(chǎn)，不能為活性污泥提供足夠的O2，使得系統(tǒng)保持了較長(zhǎng)時(shí)間的低溶解氧狀態(tài)。高微藻比例反應(yīng)器中DO一直保持在3～4 mg/L，由于微藻生物量的減少，第10 d左右DO開始逐漸下降。

菌藻反應(yīng)器中，實(shí)驗(yàn)前期濁度較高，觀察到上清液呈綠色、小球藻呈懸浮狀態(tài)，反應(yīng)器中還未形成穩(wěn)定的菌藻共生體。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，沉降30 min后濁度均低于5 NTU，只有8∶1藻菌比下的濁度下降緩慢，最終保持在22 NTU，見圖3.c。說明高含量的小球藻與活性污泥中細(xì)菌無法形成良好的菌膠團(tuán)。一般小球藻平均直徑為4.58 μm，具有可懸浮性，沉降性能較差。污泥可以吸收藻類細(xì)胞，防止藻類被沖走，污泥的 EPS 是由污泥細(xì)菌等微生物分泌的蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)形成的大分子凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其粘度與微生物聚集體的形成有關(guān)。通過與活性污泥結(jié)合，微藻能夠形成更緊密結(jié)合的EPS吸附藻類，從而強(qiáng)化沉降性能[19]。此外，菌藻的可沉降性能也受到微藻細(xì)胞表面性質(zhì)、陽(yáng)離子量的影響[20]。

2.4 EPS分泌特性

EPS是微生物在一定條件下代謝產(chǎn)生的高分子聚合物，附著在細(xì)胞表面，主要成分為蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)和核酸等聚合物[21]，其中蛋白質(zhì)和多糖之和占EPS總量的70%以上。PN和PS含量以及PN/PS如圖4所示。EPS含量分別為72.5，96.1，83.2和79.1 mg/g SS，最高和最低含量對(duì)應(yīng)的藻菌比分別為4∶1和8∶1，因?yàn)镋PS可以作為碳源被細(xì)菌利用，在較低的DO濃度下，微生物更容易釋放EPS，而DO較高(圖3.b)時(shí)微生物則更傾向于利用EPS。此外，EPS對(duì)污染物去除有正向影響[22]。因此，在藻菌比4∶1下，最高的營(yíng)養(yǎng)物去除效率可能與最高的EPS濃度有關(guān)。有研究認(rèn)為PN的高疏水特性和表面電負(fù)性對(duì)菌藻顆粒化有著促進(jìn)作用[23]，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)不同藻菌比例間的PN濃度差異明顯，在43.8～63.8 mg/g SS不等，PS差異不大。利用PN/PS可以判斷菌藻顆粒的疏水性[24]。同樣4∶1下PN/PS最高為1.94，菌藻共生體疏水性好，微生物與水相易分離，聚集效果好，出水濁度最低(圖3.c)。

圖4 不同藻菌比下的EPS含量和PN/PSFig.4 EPS content and PN/PS under different bacteria-algae ratio

3 結(jié)論