不同填料吸附固定化藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中的效果对比

张 哲，郭远涛，卓梦琼，丁梓尧，肖丛亮，孙盛进，辛佳期，李 昆

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

畜禽养殖废水因其高氨氮高磷的特点，未经妥善处理排放到水体环境中会产生严重的污染，如水体富营养化，土壤板结、盐碱化，地下水污染等问题[1]。目前，传统污水处理工艺很难实现其达标排放，且未充分考虑废水中氮磷等有价成分的资源回收。微藻作为一种光合自养生物，具有生长速率快、环境适应性强、油脂含量高等特点，是具有潜在应用价值的生物质资源[2]。利用微藻与活性污泥建立的藻菌共生体系可以有效地提升废水处理效果，提高生物质资源产率和产量[3-4]。

固定化技术是指将活细胞通过自然或人工的方式，阻止其从原始位置移动到系统中水相的技术，固定化主要分为包埋固定化和吸附固定化[5]。包埋固定化是目前研究最广泛的固定化方法，Katam等[6]通过包埋固定化微藻-细菌，发现在废水处理和生物燃料生产量方面均比悬浮共培养效果更好；傅海燕等[7]采用3种不同载体包埋固定化藻菌，发现复合载体的脱氮除磷的效果最佳。但包埋固定化存在制作复杂、解体产生二次污染、再生性差等问题。吸附固定化具有载体可重复利用、经济性好等优点。Akhtar等[8]通过在丝瓜海绵填料上固定化培养小球藻来实现有毒金属镍的去除；许伟[9]等发现弹性立体填料的藻菌生物膜系统在处理当地农家乐生活污水方面更有优势，且处理效果稳定。目前研究主要集中在低污染物浓度的生活污水和微藻培养方面，在高氮磷浓度的污水处理方面研究较少。

本文选用污水处理中常用的聚氨酯海绵填料(polyurethane foam，PF)，高密度聚乙烯K1填料(K1)，辫式纤维填料(braided fiber，BF)，构成固定化小球藻(Chlorella vulgaris)—活性污泥藻菌共生体系，以模拟畜禽养殖废水为处理对象，通过研究不同填料负载下藻菌共生体系对废水中污染物处理效果及其生物量的生长情况，优选出适合于藻菌共生体吸附固定化的填料品质和参数条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 实验用水

表1 模拟废水组成成分Tab.1 Components of simulated wastewater

1.1.2 微藻与活性污泥

实验用小球藻藻种系前期实验从某垃圾填埋场垃圾渗滤液中分离纯化得到的1株对高盐高氨氮水条件耐受性好的藻种，命名为NCU-C1，使用BG11培养基培养，光照强度4000～8000 Lux，连续光照约3 d其OD680值即可达到0.6。

活性污泥取自南昌市朝阳污水处理厂污泥，使用模拟废水驯化所得，曝气量3～5 L·min-1，初始污泥浓度约3 g·L-1，污泥停留时间15 d，保持pH为7～8，溶解氧(dissolved oxygen，DO)3～5 mg·L-1，温度25 ℃±3 ℃，日常监测pH，DO，SV(30)等指标，保持污泥活性良好。

1.1.3 吸附固定化填料

PF为边长10 mm、30 PPI的多孔立方体，比表面积91000 m2/m3；BF为聚丙烯主绳搭配维微尼龙材质，直径20 mm，比表面积3200 m2/m3；K1为直径1 cm十字穿孔的高密度聚乙烯，直径10 mm，比表面积500 m2/m3(见图4)。

1.2 实验方法

1.2.1 反应器搭建运行

实验运行4组管式曝气光生物反应器(photobioreactor，PBR)(图1)，反应器由圆锥为底的圆柱形有机玻璃制成，运行容积2 L，微孔曝气头置于圆台底部，由磁力泵提供曝气，曝气量通过电子流量计监测，调节分气阀门固定曝气流量为0.4 L·min-1，反应器外部缠绕同等长度的LED灯带，控制其光照强度为4500～5000 lux。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

各组加入2 L模拟废水，A、B、C组分别加入PF、BF、K1填料，体积填充比约10%，D组作为对照组不投加填料。每组接种生物干重总量1.8 g·L-1，按藻菌干重比1:5接种，藻0.3 g·L-1，污泥1.5 g·L-1。微藻和活性污泥于4000 r·min-1离心10 min(TDL5A，英泰仪器)后用生理盐水洗涤，漩涡混匀仪混匀再次离心，重复3次，以洗去菌胶团和藻可能附着的C、N、P等有机污染物，最后离心接种于模拟废水中。反应器运行6 d，控制反应器内pH为7～7.5。

1.2.2 分析测试方法

悬浮生物量采用藻菌干重表示，0.45 μm玻璃纤维滤膜置于定量铝箔盒中，烘箱105 ℃烘至恒重记录其质量M0；取一定体积v的混合样品抽滤，抽滤完成后滤膜置于铝箔盒中，105 ℃条件下烘至恒重记录其质量M1。生物量按照以下公式计算：

TSS=(M1-M0)/v

式中：TSS为每单位体积藻菌混合液干重，g·L-1；M0为玻璃纤维膜及铝箔盒烘干至恒重的质量，g；M1为抽滤后滤膜及铝箔盒烘干至恒重的质量，g；v为取样的体积，L。

填料上吸附固定化的生物量采用改进的超声和化学结合方法[11]，将填料取出置于60 ℃鼓风干燥箱中烘干至恒重，冷却，称重，计为M2，0.5 mol·L-1NaOH浸泡，超声30 min使生物脱落，将填料清洗干净，在60 ℃条件下再次烘干至恒重，冷却，称重，计为M3；最后，利用差减法可计算出填料上吸附固定化的生物量。

W=(M2-M3)/M3

式中：W——系统中每g填料负载的生物质量，g·g-1；M2——填料与其固定化生物的总质量，g；M3——用于测定的填料总质量，g；

叶绿素a(chlorophyll a，Chla)与小球藻干重成正比[12]，能准确反映小球藻的重量变化和生长情况，Chla提取改进方法如下[13]，取5.0 mL混合液置于10 mL离心管中，4000 r·min-1离心10 min，弃去上清液后加入5.0 mL无水甲醇，在避光条件下利用旋涡混匀器振荡提取5 min，提取完毕后4000 r·min-1离心10 min取上清液，以无水甲醇为参比，在653和666 nm波长下测吸光度，根据如下公式(2.3)计算Chla含量，如下公式

CChla=15.65×OD666-7.34×OD653

式中：CChla——Chla浓度，mg·L-1；ODλ——λ波长(nm)处的吸光度；

实验结束后，吸附固定化的微藻叶绿素测量方法为取10个A、C填料，2 cm辫式纤维填料于聚乙烯方瓶中，加入50 ml去离子水，超声振荡将吸附的生物脱附于去离子水中，取5 ml测量叶绿素，将藻菌脱附后的填料置于60 ℃烘干称重记为M4，每g材料吸附的微藻的叶绿素含量公式如下：

C固chla=10CChla/M4

式中：C固chla——每g填料固定化的Chla，mg·g-1；CChla——脱附于去离子水中的Chla质量浓度，mg·g-1；M4——材料烘干后的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 藻菌絮体粒径分析

藻菌絮体粒径分布如图2所示，可以看出，平均粒径占比分布顺序为A>B>C>D，投加填料能够有效地增大絮体粒径，而藻菌絮体粒径的增大，说明填料的加入有利于藻菌共生体的附着生长，更好的生长状况形成了更大的共生絮体，同时也意味着更好的藻菌关系的建立。此外，絮体粒径的增大有助于减轻反应器中曝气流量带来的水流剪切力对絮体形态的影响，使污泥絮体更容易保持完整性，改善其沉降性能，便于后续的生物质采收及后续利用，与文献中表述颗粒大小对污泥的沉降性和除磷性能有显著影响相一致[14]。

粒度分级/μm图2 藻菌共生絮体粒径分布Fig.2 Size distribution of algae-bacteria bioflocs

此外，从图2中还可以发现，A、B两组粒径分布中，较大粒径所占比例明显高于未加填料组，故PF、BF填料均能有效地提高大粒径，改善藻菌的共生情况；同理，K1填料的加入对粒径的影响相对较小，其和空白组的粒径分布接近。

2.2 生物量变化

2.2.1 悬浮态藻菌生长情况

图3(a)为各组悬浮态生物量干重变化，其中空白组D悬浮生物量处于一直增长的状态。PF、BF填料由于比表面积大，藻菌共生体在实验初期出现大量附着在填料表面和内部的现象，故在实验前24 h内A、B两组出现了悬浮生物量下降的情况。其中，A组悬浮态生物量在24 h时下降至1.13 g·L-1，B组下降至0.12 g·L-1。从图3(a)中可以看到，悬浮态生物量干重减少，说明虽然藻菌在同化吸收水中碳氮磷营养元素进行生长，但是生长速度远不及填料吸附固定化藻菌的速度。C组的K1填料较难吸附固定化藻菌絮体，同时又受到曝气带来的水流剪切力作用，其总体趋势与空白D组较为接近。

t/h

t/h图3 悬浮藻菌共生体生长情况(a) 生物量干重;(b) 叶绿素aFig.3 Suspended algae-bacterial growth(a) biomass dry weight;(b) Chlorophyll-a

在实验开始的24 h后，A组随着PF填料的吸附容量逐渐趋于饱和，藻菌絮体在填料上进一步吸附生长的生物量也逐渐减少，而混合液中的悬浮态生物量上升；而在B组中，BF填料的纤维丝仍能大量吸附藻菌絮体，使得悬浮态生物量处于波动状态。受曝气带来的水流剪切力的影响，C组K1填料对藻菌的固定化效果较差，且K1填料表面较为光滑，微生物较难吸附在其表面生长，混合液中悬浮微生物的总体增长情况与D组相近。最终A～D组中的悬浮生物量干重分别为2.16，0.58，3.08和2.98 g·L-1，除B组外，其他各组较初始值均有增长。此外，C、D组的悬浮Chla浓度在96 h后趋于稳定，小球藻增殖减弱，C、D组Chla浓度最终分别为23.47和24.90 mg·L-1；A组数据持续增长，在144 h达到24.61 mg·L-1；B组数值持续波动，最终Chla浓度为15.07 mg·L-1。

2.2.2 填料吸附固定生物量

表2为实验结束后，各组填料吸附固定的生物量，从表2可以看出，B组BF填料对藻菌的吸附固定化最好，每g填料固定的藻菌生物量干重0.3732 g，固定Chla为0.4024 mg，结合实验观察到的各种填料上微生物的负载情况(图4)可以发现，BF填料能大量吸附悬浮态藻菌絮体，藻菌在纤维表面形成光滑的生物膜，填料上固定了大量微生物，使得悬浮态藻菌生物量较低，混合液中可观察到的藻菌絮体数量较少。PF填料每g固定生物量0.354 g，固定的Chla为0.1294 mg。

表2 填料吸附固定生物量Tab.2 Biomass immobilized by adsorption of fillers

图4 固定化前后填料表面变化Fig.4 Changes of packing surface before and after immobilization

从图4的显微镜观察中可以看到，A组PF填料将藻菌吸附固定于其内部的多孔骨架中，其比表面积大的特点不仅有利于藻菌絮体的附着，内部的多孔结构还能保证细胞和废水中可利用污染物的传质效率。K1填料每g固定化生物量干重0.0135 g，固定的Chla为0.0007 mg，固定化效果最差，这与其悬浮生物量的变化情况相对应，其中可能原因是与BF填料的纤维丝状结构和PF填料的内部多孔结构相比，K1填料偏小的比表面积和相对光滑的表面在曝气条件下较难让微生物絮体附着生长。

2.3 对COD去除率的影响

由图5可以看出，各组在实验初期就达到较高的去除率，其中D组在第8 h达到了86.06%，其后依次是C组(83.88%)、B组(82.06%)和A组(77.34%)，这是由于实验初期微生物絮体和填料接触到废水中的有机污染物后，其表面的物理吸附作用可在短时间内将大部分有机污染物吸附固定在微生物絮体或填料的表面，进而出现初期快速去除的效果。其后，由于微生物好氧代谢作用开始同化吸收和降解前期吸附的污染物，同时释放部分代谢副产物，如微藻和细菌分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substance，EPS)等，而导致COD去除率出现小幅下降，待藻菌共生体完全适应水质条件且形成稳定的共生关系后，COD去除率又恢复上升趋势，并最终实现更好的去除效果。

t/h图5 不同填料对COD去除率的影响Fig.5 Influence of different fillers on COD removal rate

结合叶绿素的生长情况(图3b)，此时小球藻处于对数生长期，微藻代谢产生的藻源有机物(algogenic organic matter，AOM)能够为细菌提供碳源而促进细菌生长[15]，由于微藻生长较活性污泥快，累积的AOM也是COD去除率波动的原因之一。B组去除率在8～72 h期间最高，其原因可能是藻菌絮体大量吸附于BF填料纤维丝结构中相互团聚重叠，一定程度影响了微藻的光合作用，部分降低了AOM的分泌量，进而表现出更好的COD去除率。A组PF填料对有机物有很强的亲和力[16]，且填料在反应器内呈流化状态，与污染物的接触也更为充分。72 h后C、D组悬浮态微藻生长进入稳定期，A、B组悬浮态微藻仍处于对数生长期，其分泌的AOM也A、B组COD去除率出现小幅下降。最终，在144 h时A、B、C、D组去除率分别为88.85%，90.67%，90.85%和91.94%。

t/h

t/h

t/h

t/h

2.5 对TN去除率的影响

浓度/mg·L-1图浓度与固定化生物量的关系Figure 7 Relationship between concentration and immobilized biomass

2.6 对TP去除率的影响

从图6(d)可以看出，前期4组对磷的去除都非常迅速，在48 h时ABCD对磷的去除率分别达到73.82%，69.4%，74.59%和75.16%，空白组和吸附固定化效果较差的C组比固定化效果好的A、B组高，此期间藻菌共生体系对磷的去除包括活性污泥的好氧吸磷和藻的生长同化作用，磷是小球藻生长繁殖的重要元素，活性污泥通过吸磷作用除磷，随着活性污泥对吸磷吸趋于饱和，48 h后污泥出现释磷现象，其物理吸附的磷会重新回到水体中，导致48 h之后的去除率降低，但此后固定化效果好的A、B组能够维持高的去除率，降低幅度比C、D组小，144 h时去除率高低顺序为A组71.7%>B组70.74%>D组62.86%>C组59.21%，PF、BF填料的加入能有效地提升磷的生物同化能力，降低释磷过程的释放量。A组去除率相比空白D组提高8.84%，B组去除率比D组提高7.88%，C组相较于D组去除率有所降低。

3 结论

综合藻菌共生体生长情况和碳氮磷污染物去除效果，在处理高氮磷浓度的养殖废水中，采用PF填料最佳。