混合及曝气方式对菌藻共生系统处理氨氮废水的影响研究

盛化军

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230000）

目前，我国城市污水处理厂大多采用消耗大量能源的活性污泥法，其中机械曝气能耗占整个污水处理过程能耗的45%～75%。近年来，菌藻共生系统得到大量研究，藻类与活性污泥可进行耦合，实现污水净化、资源化与生物质回收同步。20世纪50年代，已有研究将活性污泥和藻耦合应用于污水治理。近年来，学者将菌藻共生污泥体系应用于高盐工业废水处理、焦化高氨废水处理及养殖废水处理中。李竺芯等研究发现，间接交替光照可增强菌藻共生污泥的脱氮能力。曝气可使菌藻共生污泥系统中二氧化碳与溶解氧增加，对污染物降解有促进作用。

光照、温度、pH、营养物质以及其他环境因子对藻类的生长具有很大影响。藻类与细菌之间的关系十分复杂，包括代谢产物相互利用的关系，也包含对营养物相互竞争的关系，而且随着外界环境的改变，它们的关系也发生改变。将菌藻互利共生最大化是提高出水水质的重要途径。本研究考虑四种不同操作条件下菌藻共生系统的特性，即静置、搅拌、曝气、搅拌+曝气，探究菌藻共生系统最适宜的操作条件，为后续菌藻共生颗粒在不同条件下的模拟演化提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 藻与活性污泥

小球藻购自中国科学院武汉水生生物研究所藻种库，在BG11 培养基下，将其置于光照培养箱中，光照强度设置为9 000 Lux，光周期为12 h 光/12 h 黑，温度为25 ℃，进行扩大培养。接种的絮体污泥取自合肥市某污水处理厂，活化后再接种至菌藻共生系统中。

1.2 进水水质与操作条件

采用人工配水，进水水质方面，化学需氧量（COD）为300 mg/L，氨氮（NH-N）为45 mg/L，正磷酸盐（PO-P）为8 mg/L，微量元素液为1 mL/L。设置4 组烧杯置于光照培养箱（常州普天，GHP-160）中，有效容积均为2 L，分别对应静置组、曝气组、搅拌组和曝气+搅拌组。光照培养箱放置在磁力搅拌器上，其条件设置为3 000 Lux、25 ℃，曝气强度为 1 L/min，搅拌强度为500 r/min，周期内保持12 h 光照、12 h 黑暗。

1.3 测试方法

水样经0.45 μm 滤膜过滤后，按照标准方法测定COD、NH-N、PO-P 浓度。本次试验采用丙酮分光光度法进行叶绿素测量。测试方法与计算公式参考相关文献。

2 结果与讨论

2.1 COD 去除效果

由图1 可知，活性污泥和藻混合，在3 d 后，菌藻共生污泥体系达到稳定。

图1 不同条件下COD 去除效果

其中，曝气+搅拌组COD 降解率最高，因为曝气条件下活性污泥代谢速度快，而且搅拌条件可以使物料均匀，增加反应器中O及CO浓度，同时可有效避免溶液中总悬浮物浓度过高对藻造成的光衰减，影响藻类生长，故其COD 的去除效率最高。

2.2 N、P 的去除效果

不同操作条件下的NH-N 和PO-P 去除效果如图2 所示。经过3 d 时间，NH-N 和PO-P 的去除效果达到稳定，与静置组和曝气组相比，搅拌组及曝气+搅拌组N、P 的去除率更高。这是因为光是影响微藻生长的重要因素，绝大多数光能被藻细胞吸收利用，光合效率较高。

图2 不同条件下的NH4+-N 和PO43--P 去除效果

2.3 不同条件对叶绿素的影响

不同条件下叶绿素a 的变化情况如图3 所示。本试验以叶绿素a 变化表示藻类生物量的变化，初始接种活性污泥和藻类生物量比例为1 ∶1 的情况下，静置组叶绿素a 含量最高。贾璇等研究发现，在遮光下向小球藻培养基中投加有机物，小球藻可进行异养生长，这可以间接解释光照不均匀条件下静置组藻类生物量反而最高的现象。

图3 不同条件下叶绿素a 的变化情况

菌藻共生系统中，藻类和活性污泥之间的关系很复杂，协同与竞争共存。静置组中微藻生物量最高，污染物降解率反而最低，由此推断，在藻类与活性污泥的关系中，拮抗作用占据主导地位，此时藻类会产生抗生素，抑制细菌的活性，导致藻类占据优势。整个试验期间，曝气组叶绿素a 增量最小，这可能是因为曝气条件下过高的溶解氧会抑制藻的活性，这与ZHANG 等的发现相同；在光生物反应器装置上，肉眼可见细菌附着在烧杯内壁，形成菌胶团，阻碍光照，影响藻类进行光合作用。

2.4 不同条件对菌藻共生沉降性能的影响

由图4 可知，曝气组及曝气+搅拌组的平均污泥指数（）为51 mL/g。曝气组及曝气+搅拌组的沉降性能好，这是因为曝气可弥补藻类产氧不足，调节污泥活性。此外，菌藻共生污泥体系与单独活性污泥系统相比，可降低44%。这说明活性污泥与微藻耦合可解决微藻沉降性能差导致出水不稳定的 问题。

图4 不同条件下沉降性能的变化情况

3 结论

活性污泥可与小球藻形成稳定的菌藻共生污泥体系，且对有机物、氨氮有很高的去除率，曝气+搅拌组性能最优。菌藻共生污泥体系中，当初始接种微藻和活性污泥比例为1 ∶1 时，小球藻可产生部分氧气，从而减少曝气强度；在氨氮的降解中，小球藻的同化吸收发挥主导作用。