基于正交实验和矩阵分析法的固定化菌藻共生系统优化

田宇，徐晨，王柳鹏，杜少烨，詹健

(南昌大学a.资源与环境学院，江西 南昌 330031;b.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031；c.工程建设学院，江西 南昌 330031)

近年来城镇污水排放量剧增，部分污水未达到排放标准进入受纳水体，过量的氮磷营养物质引起藻类和浮游生物的大量繁殖，严重破坏生态系统的平衡，加剧水体污染。而传统的污水处理方法如活性污泥系统和厌氧消化工艺，存在对污染物的去除效率低、过程条件控制复杂以及能耗过大等问题[1]。菌藻共生(algae and bacteria symbiotic,ABS)系统作为一种协同细菌和微藻进行污水处理的新技术[2]，具有高效脱氮除磷、节约能耗、生物质资源可回收等优点，受到国内外学者的广泛研究[3-5]。但在利用ABS系统处理生活污水过程中，由于藻类细胞通常只有3～8 μm，重力沉降性能表现较差，而微藻细胞分泌的胞外多糖较少，不易于成团[6-7]，导致藻类流失引起二次污染。菌藻固定化技术是通过物理和化学方法将悬浮状态的菌藻固定在一定的空间内，菌藻在固定空间内仍具有活性，可以有效提高藻类生物量积累，加快反应速度，加强藻类抗毒害作用，使系统运行稳定，能够一定程度上缓解藻类细胞流失[8]。

然而微藻细胞对光的散射，色素对光的吸收，污泥絮体的遮挡，都会引起光衰减现象，使得反应器内部微藻所接收到的光强低于光补偿点，导致微藻的生长速率和细胞活性受到限制[9-10]，从而影响ABS系统的脱氮除磷效果[11-12]。所以对如何缓解反应器光衰减现象和光照条件对ABS系统运行效能的影响进行研究是十分有必要的。大多数学者[13-14]对ABS系统关于照度和光照周期的研究都是通过单因素分析，而多因素对ABS系统运行的综合影响却少有报道。

本研究选取黄绿发光填料固定化以小球藻和活性污泥构建的ABS系统，选取发光材料配比、光照时间、照度3个因素设计正交实验对黄绿发光填料固定化菌藻共生系统(immobilized algae and bacteria symbiotic system with yellow-green luminescent filler,IABSS-YLF)对污水中TN、TP和COD等污染物的去除效果进行深入研究，并利用矩阵分析法对各个因素关于IABSS-YLF的污染物去除效果影响进行分析，选出IABSS-YLF的最优光照条件。本研究为探究IABSS-YLF系统稳定发挥高效污染物去除能力的最佳运行条件，并为实际工程中广泛应用提供可靠数据参考。

1 材料和方法

1.1 实验装置

Su等[15]在研究微藻的沉降性能时，发现席藻、小球藻和栅藻的沉降性能较好，小球藻的脱氮除磷能力最佳。同时小球藻为科研研究和实际工程中广泛使用的菌类之一，选择小球藻作为研究藻种，使研究结论更具有代表性和参考性。小球藻通过活化、驯化和培养后作为实验对象和种子液的制备。本实验所用污泥来自某市污水处理厂的二沉池回流污泥。活性污泥采用人工合成污水进行驯化培养，使得活性污泥保持较好的活性，待15 d后与富集培养的小球藻混合进行实验。

发光填料的制备是将黄绿发光材料与UV滴胶按一定比例进行混合，使用搅拌棒将其搅拌至无气泡状液体，然后使用羊毛刷均匀涂覆在普通填料表面，通过利用9 W紫外灯将其固化在普通填料表面制得发光填料。普通填料为聚丙烯空心球填料，直径25 mm，比表面积为500 m2·m-3。UV滴胶是透明状液体，主要功能是将发光材料固化在填料表面。黄绿发光材料呈粉末状，主要的物质组成为SrAl2O4：Eu2+，Dy3+，发光波长为520 nm。

实验装置由聚氯乙烯材料构成，结构为截面直径15 cm，高60 cm的无盖柱体，有效容积为8 L。柱体中间设置有一个直径约1 cm的出水孔，连接适宜长度的塑料软管以方便收集出水样品。所有实验装置内接种污泥质量浓度为1 600 mg·L-1，藻类质量浓度为400 mg·L-1，实验装置内的填料填充率约为装置有效容积的20%。进水选用人工合成污水，人工合成污水配方见表1。人工合成污水的COD、TN和TP质量浓度在实验过程中的实际测定值分别为(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

实验装置采用SBR运行模式，每天运行2个周期，1个周期为12 h，共运行40 d。在每个周期内进水30 min，曝气8 h，静置3 h，出水30 min。所有反应器使用LED光带缠绕在反应器外壁上作为人工光照。曝气量设置为0.4 L·min-1，进出水体积为4 L，占系统体积50%，使反应器内的水力停留时间为24 h。每天对每个系统进行手动排泥，每个反应器排泥100 mL左右，污泥龄为20 d。

1.2 样品收集与测定

通过使用聚氯乙烯桶分别将所有实验装置在每个运行周期的出水水样进行收集，用搅拌棒混匀移入样品瓶内，将多余的水样弃置。样品瓶储存于4 ℃冷藏箱内，在24 h内对水样中的COD、TN和TP质量浓度进行测定并记录。重铬酸盐法[16]用于测定样品中的COD质量浓度，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[17]用于测定水样中的TN质量浓度，钼酸铵分光光度法[18]用于测定水样中的TP质量浓度。

本研究通过计算不同实验装置在40 d运行周期的平均COD、TN和TP去除率评价IABSS-YLF在不同运行条件下的污染物去除能力。本研究中平均污染物去除率η可通过式(1)计算。

(1)

式中：η为平均污染物去除率，%；n为实验周期数；Ci为第i运行周期水样中某污染物浓度，mg·L-1;C0为进水中某污染物浓度，mg·L-1。

1.3 正交实验设计

以COD去除率η1、TN去除率η2、TP去除率η3为指标，选取照度E、发光材料配比r、光照时间t为影响因素，每个因素选取3个水平，可选标准正交表L9(33)，即构建9个实验装置，利用软件分析正交实验结果。正交实验因素水平表见表1。各因素水平数值的选取主要参考其他研究者相关的单因素研究结论和前期研究数据基础[19-20]。

1.4 矩阵分析法

矩阵分析法是通过建立一个三层递阶层次结构模型，对正交实验中的单指标直观分析出的数据进行矩阵计算后得出各因素水平的权重大小，从而得出IABSS-YLF的最佳光照条件[21-22]。矩阵法建立指标层矩阵、因素层矩阵、水平层矩阵，三层矩阵相乘得出一个权矩阵，权矩阵代表正交实验中各因素水平的权重大小。

指标层矩阵M：设正交实验有m个因素n个水平；取第i个因素在第j个水平上指标和的平均值为Kij，若对该指标的期望是越大越好，则直接取Kij，若对该指标的期望是越小越好，则取平均值的倒数1/Kij。指标层矩阵M如式(2)所示。本实验中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)

影响实验指标值的权矩阵w如式(5)所示。

w=MTR

(5)

2 结果与讨论

正交实验L9(33)实验结果如表2所示。

表2 正交实验因素水平表

利用软件对COD去除率、TN去除率和TP去除率3个指标进行独立极差分析，为建立多指标矩阵分析提供数据。

COD去除率η1、TN去除率η2和TP去除率η3的极差分析结果见表4。

表4 极差分析结果

以COD去除率为指标，通过表3可知：光照时间t(C)因素对COD去除率影响最大，Ri为20.60；照度E(A)因素对COD去除率影响次之，Ri为12.33；发光材料配比r(B)因素对COD去除率影响最弱，Ri为6.30。从而可以排出各因素影响顺序为C>A>B，这说明外部光照相对内部光照更能影响IABSS-YLF对污水的COD去除能力。可知，随着A的增长，COD去除率先急剧降低再急剧升高；随着B的增长，COD去除率缓慢上升；随着C的增长，COD去除率先急剧上升再缓慢下降。分析可见，因素A取水平3，因素B取水平3，因素C取水平2。因此对于COD去除率指标来分析，参数最优选择是A3B3C2，即照度为8 000 lx，发光材料配比为0.500，光照时间为9 h的条件下，COD去除率最高为91.5%。相对微藻，细菌降解系统内大分子有机物的能力更强，被降解的物质可供微藻同化吸收促进繁殖，藻类在进行代谢活动时分泌出的代谢物又可供细菌利用从而完成自我增殖[23]。这说明IABSS-YLF在强烈且充足的光照条件下提高了装置内藻类的光合作用能力，进一步加强菌藻之间的协同作用，能更好发挥对污水稳定且高效COD去除效果。

表3 正交实验L9(33)实验结果

以TN去除率为指标，通过表3可知：照度(A)因素对TN去除率影响最大，Ri为21.23；发光材料配比(B)因素对TN去除率影响次之，Ri为11.50；光照时间(C)因素对TN去除率影响最弱，Ri为11.27。从而可以排出各因素影响顺序为A>B>C，照度的变化能显著影响IABSS-YLF对污水中氮的去除效果。可知，随着A的增长，TN去除率先急剧降低再迅速升高，升高后的数值比开始时的数值要低；随着B的增长，TN去除率先上升再降低；随着C的增长，TN去除率先呈现急剧下降再缓慢下降趋势。由以上图表分析可见，因素A取水平1，因素B取水平2，因素C取水平1。因此对于TN去除率指标来分析，参数最优选择是A1B2C1，即照度为4 000 lx，发光材料配比为0.375，光照时间为6 h的条件下，TN去除率最高。系统内TN的去除途径主要是通过微生物同化作用、硝化作用及反硝化作用[24]，而较长的光照时间导致藻类过量产生的溶解氧会一定程度上影响系统整体的反硝化过程，同时使活性污泥迅速老化，从而降低IABSS-YLF对污水中氮的去除效率，这与李竺芯等[13]的研究结论相一致。

以TP去除率为指标，通过表3可知：照度(A)因素对TP去除率影响最大，Ri为8.63；发光材料配比(B)因素对TP去除率影响次之，Ri为4.10；光照时间(C)因素对TP去除率影响最弱，Ri为3.73。从而可以排出各因素影响顺序为A>B>C，这与各因素对TN去除率的影响情况相似。随着A的增长，TP去除率先急剧下降再升高,升高后的数值比开始时的数值要低；随着B的增长，TP去除率先上升再下降；随着C的增长，TP去除率先缓慢下降再急剧升高。由以上图表分析可见，因素A取水平1，因素B取水平2，因素C取水平3。因此对于TP去除率指标来分析，参数最优选择是A1B2C3，即照度为4 000 lx，发光材料配比为0.375，光照时间为12 h的条件下，TP去除率最高。微藻对磷的同化作用，具备和聚磷菌一样可以逆浓度梯度过量吸磷合成多磷酸盐颗粒储存在体内的特性[25]，能表现出更强的磷去除效率[26-27]。所以这也说明了在充足的光照时间条件下，微藻光合作用能力和合成代谢活性提高，过量的溶解氧同时促进微藻和聚磷菌吸磷能力，从而实现对污水中磷的去除。赵思源[28]的研究结论显示聚磷菌在连续充氧条件下对反应器内磷的去除率高达97.7%，也证明了这一点。

将表3的极差分析结果代入式(2)～式(5)中，得到COD、TN和TP去除率的权矩阵计算结果如下：

(6)

计算3个指标的平均值：

(7)

由式(7)可以得出A1，B2，C2所占的权重最大，因此正交实验得出的IABSS-YLF最优参数为A1B2C2，即照度为4 000 lx，发光材料配比为0.375，光照时间为9 h。在这个最优光照条件下，IABSS-YLF对污水中COD、TN和TP的去除率分别为89.8%，78.7%和82.1%。

3 结论

本文以黄绿填料固定化菌藻共生系统为研究对象，照度、发光材料比和光照时间为实验变量因素，COD、TN和TP去除率为评价指标，设计了L9(33)正交实验，研究IABSS-YLF稳定发挥高效污染物去除能力的最佳光照条件，得出以下结论：

(1)通过单指标极差分析，照度(A)、光照周期(B)、黄绿发光材料配比(C) 3种因素对IABSS-YLF处理污水效率的影响，分别得出对COD去除率、TN去除率以及TP去除率最大的影响因素以及最优水平。对COD去除率指标影响因素最大的是因素C，因素B影响最弱，因素的最优水平为A3B3C2。对TN去除率指标影响因素最大的是因素A，因素C影响最弱，因素的最优水平为A1B2C1。对TP去除率指标影响因素最大的是因素A，因素C影响最弱，因素的最优水平为A1B2C3。

(2)通过对各指标进行单独极差分析，为多指标矩阵法提供数据。对多指标正交实验使用矩阵法进行计算分析，综合评价后按权重大小得出因素水平的最佳方案组合，即A1B2C2。综上，确定IABSS-YLF稳定高效去除污水中COD、TN和TP等污染物的最优光照条件如下：照度为4 000 lx，光照时间9 h，发光材料配比0.375。在最优光照条件下，IABSS-YLF对污水中COD、TN和TP的去除率分别为89.8%，78.7%和82.1%。

(3)后期应深入研究IABSS-YLF对污水中氮磷及有机物的去除机制和系统内菌藻活性的影响。同时菌藻共生系统的外部光源和发光填料是否存在相互联系，不同光质发光填料的综合影响也应进一步考虑。