母銳敏,于格江,祁峰,馬桂霞,賈延天
(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)
隨著我國污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,對(duì)污水處理能力提出了更高的要求,提高污水營養(yǎng)物去除效率已成必然趨勢(shì)。然而,傳統(tǒng)污水處理方法存在對(duì)N、P 去除率較差、建造費(fèi)用昂貴、抗沖擊負(fù)荷能力差、污泥難回收利用等缺點(diǎn),因此亟需一種新型、高效、深度的污水處理方法。研究發(fā)現(xiàn)利用微藻與活性污泥中的好氧細(xì)菌構(gòu)建藻菌共生系統(tǒng)進(jìn)行污水處理,能夠更高效地去除水中N、P 等物質(zhì),達(dá)到污水的超低排放[1]。藻菌共生系統(tǒng)利用了微藻與細(xì)菌之間的相互作用,能夠高效處理污水。微藻能夠利用細(xì)菌呼吸產(chǎn)生的CO2、N、P 等營養(yǎng)物質(zhì),經(jīng)光合作用產(chǎn)生O2;細(xì)菌呼吸O2,并將有機(jī)物分解生成CO2,為微藻提供碳源,因此在處理污水的同時(shí)可以減少溫室氣體的排放以及節(jié)約能源[2]。藻菌共生系統(tǒng)處理污水常應(yīng)用于光生物反應(yīng)器中。LUO等[3]在研究中發(fā)現(xiàn)藻菌共生系統(tǒng)在光生物反應(yīng)器中的最佳水力停留時(shí)間為2 d。然而,藻菌共生系統(tǒng)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(tǒng)的一個(gè)重要因素,能夠改變?cè)寰采w的群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響藻菌共生系統(tǒng)處理污水的效能[4]。在藻菌共生系統(tǒng)處理污水工藝中,通常利用曝氣量控制溶解氧,通過調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度的方式能夠增強(qiáng)優(yōu)化藻菌共生系統(tǒng)并縮短水力停留時(shí)間。梁珺宇等[5]發(fā)現(xiàn)對(duì)藻菌共生系統(tǒng)進(jìn)行曝氣,明顯提高了藻菌共生系統(tǒng)處理污水的性能,但是隨著曝氣強(qiáng)度的增加,會(huì)使CO2從系統(tǒng)中逸出,減少了微藻生長所必要的無機(jī)碳。為了補(bǔ)充CO2,有研究在曝氣的同時(shí)提高了CO2體積分?jǐn)?shù),發(fā)現(xiàn)能有效地促進(jìn)微藻的生長[6]。為藻菌共生系統(tǒng)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(guān)研究大都是單一因素,未將曝氣量以及CO2體積分?jǐn)?shù)結(jié)合探究其對(duì)系統(tǒng)的影響,同時(shí)未研究曝氣量以及CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)營養(yǎng)物去除率的顯著影響,具有一定的局限性。
響應(yīng)面法是一種數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法,用于求解多變量問題,以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù),并分析參數(shù)間的相互作用,已廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域[7]。響應(yīng)面法通過實(shí)驗(yàn)得到一些具有代表意義的數(shù)據(jù),采用多元二次回歸方程來擬合因素與結(jié)果間的函數(shù),并取得各因素最優(yōu)水平值。
文章選用混合微藻與活性污泥構(gòu)建藻菌共生系統(tǒng),進(jìn)行深度污水處理,并利用響應(yīng)面法優(yōu)化曝氣條件中的曝氣量以及CO2體積分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)。以此獲得在2 d的水力停留時(shí)間下的最優(yōu)曝氣量及CO2體積分?jǐn)?shù),并研究分析了曝氣條件中顯著影響污水營養(yǎng)物去除率的因素。實(shí)驗(yàn)得到的優(yōu)化工藝參數(shù)將為未來進(jìn)一步高效深度處理污水提供重要參考。
混合微藻取自山東建筑大學(xué)映雪湖,在與活性污泥構(gòu)建藻菌共生系統(tǒng)時(shí)表現(xiàn)出了良好的去除效果[8]。混合微藻使用BG11 培養(yǎng)基并在500 mL 錐形瓶中擴(kuò)大培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為25 ℃;光照由LED燈管提供,光照強(qiáng)度為5 000 lx,待微藻生長至活性較高的對(duì)數(shù)生長期后用于實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)所用活性污泥為山東建筑大學(xué)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(yǎng)后的混合液懸浮固體質(zhì)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(shí)驗(yàn)所用二級(jí)污水取自山東建筑大學(xué)污水處理廠中水出水井。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用二級(jí)出水水質(zhì)指標(biāo)要求總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorus,TP)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)分別達(dá)到28、3.2、18、148 mg/L,pH值為6.8。
在課題組前期研究中發(fā)現(xiàn),藻菌共生系統(tǒng)中群落發(fā)展到頂級(jí)微生物群落時(shí),體現(xiàn)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(zhì)質(zhì)量濃度為0.5 g/L在反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng),待生物質(zhì)達(dá)到1 g/L時(shí)認(rèn)為達(dá)到頂級(jí)微生物群落[8],作為反應(yīng)培養(yǎng)物。
實(shí)驗(yàn)所用反應(yīng)器為工作體積3 L、高度300 mm、內(nèi)徑100 mm、壁厚5 mm 的柱狀光生物反應(yīng)器,材料為透明有機(jī)玻璃。反應(yīng)器上方設(shè)有出氣口,管壁上設(shè)置了4個(gè)取樣口進(jìn)行取樣,同時(shí)反應(yīng)器下方設(shè)置1個(gè)進(jìn)氣口連接曝氣頭,利用曝氣裝置在進(jìn)氣口進(jìn)行曝氣以及CO2的輸入。光照強(qiáng)度由反應(yīng)器上方的發(fā)光二極管控制。
實(shí)驗(yàn)每隔12 h 取樣一次,所取樣品經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測方法[9]測定NH3-N、TN、TP 和COD,見表2。生物質(zhì)質(zhì)量濃度通過干重測量估算。
表2 水質(zhì)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(yīng)2 d時(shí)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量濃度,mg/L。
研究曝氣量及CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)藻菌共生系統(tǒng)的影響,以2 d內(nèi)TN、NH3-N、TP、COD的去除率以及第2天的pH值為響應(yīng)量,考慮曝氣之間的相互關(guān)系以及對(duì)各個(gè)指標(biāo)的相互作用。使用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert10.0.7版本進(jìn)行分析,采用混雜設(shè)計(jì),3個(gè)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(yīng)變量Y以二次多項(xiàng)式方程的形式擬合到二階模型中,由式(2)表示為
表3 Miscellaneous實(shí)驗(yàn)因素及水平表
式中β為方程的系數(shù);i和j為代表實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)的自然數(shù);Xi和Xj為自變量的編碼值。
采用方差對(duì)模型統(tǒng)計(jì)分析,采用F檢驗(yàn)分析模型方程和變量顯著性(P<0.05)。
實(shí)驗(yàn)將達(dá)到1.0 g/L的藻菌反應(yīng)培養(yǎng)物濃縮接種至柱狀光生物反應(yīng)器中,加入二級(jí)出水,在溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度為5 000 lx 持續(xù)光照下開展實(shí)驗(yàn)。通過響應(yīng)面程序設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),使用流量計(jì)改變曝氣量以及CO2曝氣量比例,進(jìn)行13 組實(shí)驗(yàn)并計(jì)算2 d內(nèi)各個(gè)污染物的去除率。
通過Miscellaneous實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),各組實(shí)驗(yàn)的TN、TP、NH3-N、COD 在2 d 內(nèi)實(shí)際去除率以及第2 天的pH值見表4?;谒@得的數(shù)據(jù),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(nèi)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(yīng)面設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
表5 響應(yīng)面方差分析表
2.2.1 對(duì)TN去除率的影響
基于混合微藻與活性污泥共生系統(tǒng)的TN 去除率響應(yīng)面等高線如圖1所示。等高線越密集,對(duì)應(yīng)的曲面越陡峭,表示該因素對(duì)響應(yīng)面的影響越大,且位于等高線上的各個(gè)點(diǎn)數(shù)值都相同[10],因此曝氣量相比于CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)TN去除率的影響更大。當(dāng)曝氣量為0.200 ~0.626 L/min 時(shí),曝氣量與系統(tǒng)中TN 去除率成正比,當(dāng)曝氣量為0.626 L/min 時(shí),TN去除率達(dá)到最大。當(dāng)曝氣量為0.626~1.000 L/min 時(shí),曝氣量與系統(tǒng)中TN 去除率成反比。出現(xiàn)這種情況可能是因?yàn)橐欢康钠貧饪梢蕴峁┎糠謹(jǐn)嚢栊Ч谄貧饬窟^低時(shí)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(shí)會(huì)形成水剪切力,對(duì)藻菌共生系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,造成TN 去除率的降低。
圖1 TN去除率響應(yīng)面三維圖
CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)TN 去除率影響相對(duì)較小,在CO2體積分?jǐn)?shù)為3.930%時(shí)可以發(fā)現(xiàn)TN去除率達(dá)到最大,說明加入CO2曝氣對(duì)藻菌共生系統(tǒng)的TN 去除具有幫助,能夠提高TN 的去除率。利用響應(yīng)面優(yōu)化可得,當(dāng)曝氣量為0.613 L/min,CO2體積分?jǐn)?shù)為5.543%時(shí),TN去除率最大值為70.350%。
2.2.2 對(duì)TP 去除率的影響
由等高線的陡峭趨勢(shì)(如圖2所示)可知,CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)TP 去除率的影響更為顯著,曝氣量對(duì)TP去除率的影響較小,在曝氣量約為0.645 L/min 時(shí),TP 去除率達(dá)到最大值。曝氣量較低時(shí),系統(tǒng)中O2不足,會(huì)出現(xiàn)細(xì)菌與微藻對(duì)P 的競爭,導(dǎo)致微藻不能有效地去除TP[3]。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)在1.000%~4.800%時(shí),TP 去除率與CO2體積分?jǐn)?shù)成正比。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為4.800%時(shí),TP 去除率達(dá)到最大值。
圖2 TP 去除率響應(yīng)面三維圖
當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)在4.800%~20.000%時(shí),TP 去除率與CO2體積分?jǐn)?shù)成反比。對(duì)藻菌共生系統(tǒng)進(jìn)行CO2曝氣能夠?yàn)樵寰采到y(tǒng)提供微藻所需的無機(jī)碳源,促進(jìn)微藻的生長及藻菌共生系統(tǒng)對(duì)P 的同化[11]。利用響應(yīng)面優(yōu)化可得,當(dāng)曝氣量為0.645 L/min、CO2體積分?jǐn)?shù)為4.715%時(shí),TP 去除率最大值為73.067%。
2.2.3 對(duì)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(duì)NH3-N去除率的影響要比CO2體積分?jǐn)?shù)的影響更為顯著。在曝氣量為0.200~0.828 L/min 時(shí),NH3-N去除率與曝氣量成正比。曝氣量過低時(shí),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(xì)菌的呼吸作用,不能夠?qū)H3-N氧化成為亞硝酸鹽或者硝酸鹽,導(dǎo)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(shí),NH3-N 去除率保持在一個(gè)較高的水平。高曝氣量下能夠大量去除NH3-N,主要是因?yàn)槲鬯械腘H3-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?jǐn)?shù)的增加呈先增加后減小的趨勢(shì),在CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4.535%時(shí),NH3-N去除率最高。同時(shí),如果系統(tǒng)中的CO2體積分?jǐn)?shù)過大將帶來系統(tǒng)pH值的降低[12],這可能是導(dǎo)致NH3-N去除率降低的原因。利用響應(yīng)面優(yōu)化可得,當(dāng)曝氣量為0.828 L/min,CO2體積分?jǐn)?shù)為6.440%時(shí),NH3-N去除率最大值為100%。
圖3 NH3-N去除率響應(yīng)面三維圖
2.2.4 對(duì)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?jǐn)?shù)對(duì)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(shí),COD 去除率與曝氣量成正比;在曝氣量為0.720 L/min 時(shí),COD去除率達(dá)到最大值;曝氣量為0.720 ~1.000 L/min時(shí),COD 去除率與曝氣量成反比,但能保持對(duì)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(xì)菌的需求,好氧細(xì)菌能夠分解有機(jī)物,因此曝氣量對(duì)藻菌共生系統(tǒng)去除COD的影響不顯著。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為1.000%~1.272%時(shí),COD去除率隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸升高;在CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.272%時(shí),系統(tǒng)達(dá)到最高的COD去除率;當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為1.272%~20.000%時(shí),COD去除率隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低,在較高CO2體積分?jǐn)?shù)下,COD去除率降到較低的水平。利用響應(yīng)面優(yōu)化可得,當(dāng)曝氣量為0.720 L/min,CO2體積分?jǐn)?shù)為1.272%時(shí),COD 去除率最大值為84.592%。
圖4 COD去除率響應(yīng)面三維圖
2.2.5 對(duì)系統(tǒng)pH值的影響
藻菌共生系統(tǒng)運(yùn)行2 d后,pH值的響應(yīng)面三維圖如圖5 所示。CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)藻菌共生系統(tǒng)的pH值有更顯著的影響,隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加,大量的CO2通入藻菌共生系統(tǒng)中,導(dǎo)致pH 值的大幅下降,因此在CO2體積分?jǐn)?shù)過大時(shí),藻菌共生系統(tǒng)表現(xiàn)為酸性。曝氣量對(duì)pH 值的影響較小,隨著曝氣量的增加,pH值呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。
圖5 第2天時(shí)pH值的響應(yīng)面三維圖
利用響應(yīng)面進(jìn)行預(yù)測,對(duì)回歸方程進(jìn)行最優(yōu)解分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝氣量為0.639 L/min、CO2體積分?jǐn)?shù)為3.849%時(shí),藻菌共生系統(tǒng)對(duì)二級(jí)出水中的各個(gè)營養(yǎng)物質(zhì)在2 d 內(nèi)去除率達(dá)到最高,預(yù)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(tǒng)處理城市污水,在2 d 內(nèi)對(duì)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(tǒng)處理廢水,2 d內(nèi)TN、TP、COD去除率分別為30%、49%、41%:利用響應(yīng)面優(yōu)化后的藻菌共生系統(tǒng)對(duì)各污染物的去除率具有明顯提升。
通過響應(yīng)面優(yōu)化可知曝氣條件中的曝氣量對(duì)TN、NH3-N的影響更為顯著,當(dāng)系統(tǒng)以NH3-N為營養(yǎng)物質(zhì)時(shí),藻菌系統(tǒng)中對(duì)NH3-N的去除主要是因?yàn)橄趸磻?yīng)以及微藻的同化。研究發(fā)現(xiàn),微藻與活性污泥系統(tǒng)中硝化細(xì)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(yīng)的重要因素,因此曝氣量對(duì)NH3-N 的去除率影響更顯著。同時(shí),曝氣對(duì)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(gè)途徑。
曝氣量是影響系統(tǒng)中溶解氧變化的重要因素,而TN的去除是因?yàn)橄到y(tǒng)中存在反硝化反應(yīng),其會(huì)直接受到溶解氧的影響。實(shí)驗(yàn)前期藻菌共生系統(tǒng)中的O2不足,硝化細(xì)菌不能及時(shí)將NH3-N 轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,系統(tǒng)只能通過反硝化去除系統(tǒng)中的硝態(tài)氮。隨著曝氣量和系統(tǒng)溶解氧的增加,NH3-N逐漸轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。由于反硝化作用主要發(fā)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(dá)到一定值后可能會(huì)抑制硝酸鹽還原酶[17],導(dǎo)致TN去除率逐漸降低;同時(shí),曝氣量帶來的水剪切力也會(huì)影響藻菌共生系統(tǒng)對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的去除,因此曝氣量能夠直接影響系統(tǒng)中硝化反應(yīng)的進(jìn)行,從而影響系統(tǒng)對(duì)TN的去除。因此,曝氣量對(duì)TN的去除影響更顯著。
通過響應(yīng)面優(yōu)化可知曝氣條件中的CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)TP、COD 去除率影響更為顯著。藻菌共生系統(tǒng)去除P 的主要機(jī)制是通過微藻生長對(duì)磷酸鹽的同化作用。然而,在藻菌共生系統(tǒng)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?jǐn)?shù)能夠直接影響微藻的生長。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,微藻吸收系統(tǒng)中的CO2,系統(tǒng)的pH 值會(huì)逐漸升高,P會(huì)以沉淀的形式析出并去除,同時(shí)微藻最適的pH值為弱堿性。但水中CO2體積分?jǐn)?shù)過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致pH值的大幅降低,導(dǎo)致污水中TP 去除率的降低,因此CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)TP 的影響更加顯著。
CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)COD 去除顯著是因?yàn)槲⒃迳L利用吸收系統(tǒng)中的碳源,同時(shí)微藻具有促進(jìn)細(xì)菌分解有機(jī)物的作用。微藻會(huì)利用藻菌系統(tǒng)中的CO2,促使系統(tǒng)中的好氧細(xì)菌分解有機(jī)物,并釋放微藻所需的CO2[18],因此少量的CO2能夠促進(jìn)微藻的生長,同時(shí)促進(jìn)好氧細(xì)菌分解有機(jī)物。然而當(dāng)系統(tǒng)中CO2體積分?jǐn)?shù)過高時(shí),pH 值會(huì)降低,導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)酸性,使一些細(xì)菌和微藻死亡,抑制好氧細(xì)菌的呼吸作用,使其不能有效地分解有機(jī)物,導(dǎo)致COD 去除率降低。因此,CO2體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)能夠促進(jìn)COD去除,但隨著CO2的增加,COD 去除率降低,CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)COD的去除更具有顯著影響。
通過上述研究,得到以下結(jié)論:
(1)通過響應(yīng)面法優(yōu)化藻菌共生系統(tǒng)污水深度處理時(shí)的曝氣條件,發(fā)現(xiàn)曝氣量對(duì)TN、NH3-N去除率的影響更為顯著,CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)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?jǐn)?shù)為3.849%時(shí),污水中的營養(yǎng)物去除率達(dá)到了最高,TN、TP、NH3-N、COD 在2d 內(nèi)去除率分別為70.040%、72.925%、100.000%、83.612%。預(yù)測的工藝參數(shù)在2 d 內(nèi)對(duì)營養(yǎng)物的去除率優(yōu)于一般的藻菌共生系統(tǒng)。