响应面法优化藻菌污水处理系统曝气条件研究

母锐敏，于格江，祁峰，马桂霞，贾延天

（山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101）

0 引言

随着我国污染物排放标准的不断提高，对污水处理能力提出了更高的要求，提高污水营养物去除效率已成必然趋势。然而，传统污水处理方法存在对N、P 去除率较差、建造费用昂贵、抗冲击负荷能力差、污泥难回收利用等缺点，因此亟需一种新型、高效、深度的污水处理方法。研究发现利用微藻与活性污泥中的好氧细菌构建藻菌共生系统进行污水处理，能够更高效地去除水中N、P 等物质，达到污水的超低排放［1］。藻菌共生系统利用了微藻与细菌之间的相互作用，能够高效处理污水。微藻能够利用细菌呼吸产生的CO2、N、P 等营养物质，经光合作用产生O2；细菌呼吸O2，并将有机物分解生成CO2，为微藻提供碳源，因此在处理污水的同时可以减少温室气体的排放以及节约能源［2］。藻菌共生系统处理污水常应用于光生物反应器中。LUO等［3］在研究中发现藻菌共生系统在光生物反应器中的最佳水力停留时间为2 d。然而，藻菌共生系统工艺处理污水受到许多因素影响，其中溶解氧是影响藻菌共生系统的一个重要因素，能够改变藻菌共生体的群落结构，进而影响藻菌共生系统处理污水的效能［4］。在藻菌共生系统处理污水工艺中，通常利用曝气量控制溶解氧，通过调节曝气强度的方式能够增强优化藻菌共生系统并缩短水力停留时间。梁珺宇等［5］发现对藻菌共生系统进行曝气，明显提高了藻菌共生系统处理污水的性能，但是随着曝气强度的增加，会使CO2从系统中逸出，减少了微藻生长所必要的无机碳。为了补充CO2，有研究在曝气的同时提高了CO2体积分数，发现能有效地促进微藻的生长［6］。为藻菌共生系统提供额外的O2和CO2曝气已成为提高藻菌污水处理效率的主流。然而，相关研究大都是单一因素，未将曝气量以及CO2体积分数结合探究其对系统的影响，同时未研究曝气量以及CO2体积分数对营养物去除率的显著影响，具有一定的局限性。

响应面法是一种数学与统计相结合的方法，用于求解多变量问题，以较少的实验次数优化工艺参数，并分析参数间的相互作用，已广泛应用于生物、医学和环境等领域［7］。响应面法通过实验得到一些具有代表意义的数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与结果间的函数，并取得各因素最优水平值。

文章选用混合微藻与活性污泥构建藻菌共生系统，进行深度污水处理，并利用响应面法优化曝气条件中的曝气量以及CO2体积分数等工艺参数。以此获得在2 d的水力停留时间下的最优曝气量及CO2体积分数，并研究分析了曝气条件中显著影响污水营养物去除率的因素。实验得到的优化工艺参数将为未来进一步高效深度处理污水提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 实验藻菌及培养条件

混合微藻取自山东建筑大学映雪湖，在与活性污泥构建藻菌共生系统时表现出了良好的去除效果［8］。混合微藻使用BG11 培养基并在500 mL 锥形瓶中扩大培养，培养温度为25 ℃；光照由LED灯管提供，光照强度为5 000 lx，待微藻生长至活性较高的对数生长期后用于实验。

实验所用活性污泥为山东建筑大学中水站曝气池好氧活性污泥，使用人工合成污水驯化活性污泥，周期为曝气22 h、静置2 h，曝气量控制为1 L／min，驯化培养后的混合液悬浮固体质量浓度为3 000 mg／L。人工合成污水成分见表1。

表1 人工合成污水成分表单位：g·L-1

实验所用二级污水取自山东建筑大学污水处理厂中水出水井。实验前通过重力沉降的方式去除水中的大颗粒固体，并在5 000 r／min 下离心10 min，以去除中水中的悬浮物和溶解固体。取上清液后，通过孔径为0.45 μm的注射器滤膜过滤。实验所用二级出水水质指标要求总氮（Total Nitrogen，TN）、总磷（Total Phosphorus，TP）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）分别达到28、3.2、18、148 mg／L，pH值为6.8。

在课题组前期研究中发现，藻菌共生系统中群落发展到顶级微生物群落时，体现出了最高的污染物去除效率［8］。藻菌共生群落按照微藻与活性污泥（藻泥比）5 ∶1的混合比例、生物质质量浓度为0.5 g／L在反应器中进行培养，待生物质达到1 g／L时认为达到顶级微生物群落［8］，作为反应培养物。

1.2 实验装置

实验所用反应器为工作体积3 L、高度300 mm、内径100 mm、壁厚5 mm 的柱状光生物反应器，材料为透明有机玻璃。反应器上方设有出气口，管壁上设置了4个取样口进行取样，同时反应器下方设置1个进气口连接曝气头，利用曝气装置在进气口进行曝气以及CO2的输入。光照强度由反应器上方的发光二极管控制。

1.3 分析方法

实验每隔12 h 取样一次，所取样品经过5 000 r／min的速度离心10 min，使用0.45 μm 滤膜过滤上清液，用于检测COD、TP、TN、NH3-N。

采用中国国家标准监测方法［9］测定NH3-N、TN、TP 和COD，见表2。生物质质量浓度通过干重测量估算。

表2 水质测定方法表

污染物的去除率由式（1）表示为

式中R为污染物的去除率；C0、C1分别为起始、反应2 d时系统营养物质的质量浓度，mg／L。

1.4 响应面优化曝气条件实验设计

研究曝气量及CO2体积分数对藻菌共生系统的影响，以2 d内TN、NH3-N、TP、COD的去除率以及第2天的pH值为响应量，考虑曝气之间的相互关系以及对各个指标的相互作用。使用响应面实验设计软件Design Expert10.0.7版本进行分析，采用混杂设计，3个编码水平分别为低水平（-1）、中水平（0）、高水平（1），具体见表3。响应变量Y以二次多项式方程的形式拟合到二阶模型中，由式（2）表示为

表3 Miscellaneous实验因素及水平表

式中β为方程的系数；i和j为代表实验个数的自然数；Xi和Xj为自变量的编码值。

采用方差对模型统计分析，采用F检验分析模型方程和变量显著性（P＜0.05）。

实验将达到1.0 g／L的藻菌反应培养物浓缩接种至柱状光生物反应器中，加入二级出水，在温度为25 ℃，光照强度为5 000 lx 持续光照下开展实验。通过响应面程序设计的实验，使用流量计改变曝气量以及CO2曝气量比例，进行13 组实验并计算2 d内各个污染物的去除率。

2 结果与分析

2.1 回归分析

通过Miscellaneous实验设计，各组实验的TN、TP、NH3-N、COD 在2 d 内实际去除率以及第2 天的pH值见表4。基于所获得的数据，通过软件所得的R2、P值、F值以及编码二次回归拟合方程见表5，其中A、B代表编码值，取值范围为-1 ～1。其中，TN、TP、NH3-N、COD在2 d 内去除率以及pH 值的P值分别为0.000 1、0.000 4、0.000 4、0.001 9、0.000 1，均为极显著。TN、TP、NH3-N、COD 2 d 去除率以及pH 值模型的R2值分别为0.985 3、0.937 5、0.938 0、0.903 7、0.972 9。

表4 响应面设计与实验结果表

表5 响应面方差分析表

2.2 曝气量及CO2体积分数对藻菌共生系统的影响

2.2.1 对TN去除率的影响

基于混合微藻与活性污泥共生系统的TN 去除率响应面等高线如图1所示。等高线越密集，对应的曲面越陡峭，表示该因素对响应面的影响越大，且位于等高线上的各个点数值都相同［10］，因此曝气量相比于CO2体积分数对TN去除率的影响更大。当曝气量为0.200 ～0.626 L／min 时，曝气量与系统中TN 去除率成正比，当曝气量为0.626 L／min 时，TN去除率达到最大。当曝气量为0.626～1.000 L／min 时，曝气量与系统中TN 去除率成反比。出现这种情况可能是因为一定量的曝气可以提供部分搅拌效果，在曝气量过低时微藻与活性污泥不能有效混合，造成微藻悬浮在污水中，而活性污泥沉淀，从而造成了TN去除率的降低。而在曝气量过高时会形成水剪切力，对藻菌共生系统产生不利影响，造成TN 去除率的降低。

图1 TN去除率响应面三维图

CO2体积分数对TN 去除率影响相对较小，在CO2体积分数为3.930%时可以发现TN去除率达到最大，说明加入CO2曝气对藻菌共生系统的TN 去除具有帮助，能够提高TN 的去除率。利用响应面优化可得，当曝气量为0.613 L／min，CO2体积分数为5.543%时，TN去除率最大值为70.350%。

2.2.2 对TP 去除率的影响

由等高线的陡峭趋势（如图2所示）可知，CO2体积分数对TP 去除率的影响更为显著，曝气量对TP去除率的影响较小，在曝气量约为0.645 L／min 时，TP 去除率达到最大值。曝气量较低时，系统中O2不足，会出现细菌与微藻对P 的竞争，导致微藻不能有效地去除TP［3］。当CO2体积分数在1.000%～4.800%时，TP 去除率与CO2体积分数成正比。当CO2体积分数为4.800%时，TP 去除率达到最大值。

图2 TP 去除率响应面三维图

当CO2体积分数在4.800%～20.000%时，TP 去除率与CO2体积分数成反比。对藻菌共生系统进行CO2曝气能够为藻菌共生系统提供微藻所需的无机碳源，促进微藻的生长及藻菌共生系统对P 的同化［11］。利用响应面优化可得，当曝气量为0.645 L／min、CO2体积分数为4.715%时，TP 去除率最大值为73.067%。

2.2.3 对NH3-N去除率的影响

由等高线陡峭程度（如图3 所示）可知，曝气量对NH3-N去除率的影响要比CO2体积分数的影响更为显著。在曝气量为0.200～0.828 L／min 时，NH3-N去除率与曝气量成正比。曝气量过低时，藻菌共生体中微藻以及曝气所提供的溶解氧不能维持硝化细菌的呼吸作用，不能够将NH3-N氧化成为亚硝酸盐或者硝酸盐，导致在低曝气量下NH3-N 去除率较低。在曝气量为0.600 ～1.000 L／min 时，NH3-N 去除率保持在一个较高的水平。高曝气量下能够大量去除NH3-N，主要是因为污水中的NH3-N被吹脱到空气中［10］。由等高线可知，NH3-N去除率随着CO2体积分数的增加呈先增加后减小的趋势，在CO2体积分数达到4.535%时，NH3-N去除率最高。同时，如果系统中的CO2体积分数过大将带来系统pH值的降低［12］，这可能是导致NH3-N去除率降低的原因。利用响应面优化可得，当曝气量为0.828 L／min，CO2体积分数为6.440%时，NH3-N去除率最大值为100%。

图3 NH3-N去除率响应面三维图

2.2.4 对COD去除率的影响

由等高线陡峭程度（如图4 所示）可知，CO2体积分数对COD去除率的影响比曝气量的影响更显著。曝气量为0.200 ～0.720 L／min 时，COD 去除率与曝气量成正比；在曝气量为0.720 L／min 时，COD去除率达到最大值；曝气量为0.720 ～1.000 L／min时，COD 去除率与曝气量成反比，但能保持对COD的高效去除。原因是曝气量和微藻提供的溶解氧能够基本满足好氧细菌的需求，好氧细菌能够分解有机物，因此曝气量对藻菌共生系统去除COD的影响不显著。当CO2体积分数为1.000%～1.272%时，COD去除率随着CO2体积分数的增加而逐渐升高；在CO2体积分数达到1.272%时，系统达到最高的COD去除率；当CO2体积分数为1.272%～20.000%时，COD去除率随着体积分数的增加而逐渐降低，在较高CO2体积分数下，COD去除率降到较低的水平。利用响应面优化可得，当曝气量为0.720 L／min，CO2体积分数为1.272%时，COD 去除率最大值为84.592%。

图4 COD去除率响应面三维图

2.2.5 对系统pH值的影响

藻菌共生系统运行2 d后，pH值的响应面三维图如图5 所示。CO2体积分数对藻菌共生系统的pH值有更显著的影响，随着CO2体积分数的增加，大量的CO2通入藻菌共生系统中，导致pH 值的大幅下降，因此在CO2体积分数过大时，藻菌共生系统表现为酸性。曝气量对pH 值的影响较小，随着曝气量的增加，pH值呈现出先下降后上升的趋势。

图5 第2天时pH值的响应面三维图

2.3 响应面最优条件预测

利用响应面进行预测，对回归方程进行最优解分析，发现当曝气量为0.639 L／min、CO2体积分数为3.849%时，藻菌共生系统对二级出水中的各个营养物质在2 d 内去除率达到最高，预测在此条件下TN、TP、NH3-N、COD 的去除率分别为70.040%、72.925%、100. 000%、83. 612%。相比SOROOSH等［13］利用藻菌共生系统处理城市污水，在2 d 内对TN、NH3-N的去除率分别为63.6%、96.0%；JI 等［14］利用藻菌共生系统处理废水，2 d内TN、TP、COD去除率分别为30%、49%、41%：利用响应面优化后的藻菌共生系统对各污染物的去除率具有明显提升。

2.4 曝气条件对营养物去除显著影响分析

通过响应面优化可知曝气条件中的曝气量对TN、NH3-N的影响更为显著，当系统以NH3-N为营养物质时，藻菌系统中对NH3-N的去除主要是因为硝化反应以及微藻的同化。研究发现，微藻与活性污泥系统中硝化细菌的作用更加显著，微藻的同化只占一小部分［15］。溶解氧是影响硝化反应的重要因素，因此曝气量对NH3-N 的去除率影响更显著。同时，曝气对NH3-N具有吹脱作用，部分NH3-N被吹脱到空气中，不能够被微藻同化利用［16］，这也是NH3-N去除的一个途径。

曝气量是影响系统中溶解氧变化的重要因素，而TN的去除是因为系统中存在反硝化反应，其会直接受到溶解氧的影响。实验前期藻菌共生系统中的O2不足，硝化细菌不能及时将NH3-N 转化为硝态氮，系统只能通过反硝化去除系统中的硝态氮。随着曝气量和系统溶解氧的增加，NH3-N逐渐转化为硝态氮。由于反硝化作用主要发生在缺氧条件下，曝气量的增加使水中溶解氧也逐渐升高，溶解氧达到一定值后可能会抑制硝酸盐还原酶［17］，导致TN去除率逐渐降低；同时，曝气量带来的水剪切力也会影响藻菌共生系统对营养物质的去除，因此曝气量能够直接影响系统中硝化反应的进行，从而影响系统对TN的去除。因此，曝气量对TN的去除影响更显著。

通过响应面优化可知曝气条件中的CO2体积分数对TP、COD 去除率影响更为显著。藻菌共生系统去除P 的主要机制是通过微藻生长对磷酸盐的同化作用。然而，在藻菌共生系统中，微藻的生长速率受限于污水中的碳含量，因此污水中CO2体积分数能够直接影响微藻的生长。随着反应的进行，微藻吸收系统中的CO2，系统的pH 值会逐渐升高，P会以沉淀的形式析出并去除，同时微藻最适的pH值为弱碱性。但水中CO2体积分数过大时，会导致pH值的大幅降低，导致污水中TP 去除率的降低，因此CO2体积分数对TP 的影响更加显著。

CO2体积分数对COD 去除显著是因为微藻生长利用吸收系统中的碳源，同时微藻具有促进细菌分解有机物的作用。微藻会利用藻菌系统中的CO2，促使系统中的好氧细菌分解有机物，并释放微藻所需的CO2［18］，因此少量的CO2能够促进微藻的生长，同时促进好氧细菌分解有机物。然而当系统中CO2体积分数过高时，pH 值会降低，导致系统呈现酸性，使一些细菌和微藻死亡，抑制好氧细菌的呼吸作用，使其不能有效地分解有机物，导致COD 去除率降低。因此，CO2体积分数较低时能够促进COD去除，但随着CO2的增加，COD 去除率降低，CO2体积分数对COD的去除更具有显著影响。

3 结论

通过上述研究，得到以下结论：

（1）通过响应面法优化藻菌共生系统污水深度处理时的曝气条件，发现曝气量对TN、NH3-N去除率的影响更为显著，CO2体积分数对TP、COD 去除率的影响更为显著。

（2）在曝气量为0.639 L／min、CO2体积分数为3.849%时，污水中的营养物去除率达到了最高，TN、TP、NH3-N、COD 在2d 内去除率分别为70.040%、72.925%、100.000%、83.612%。预测的工艺参数在2 d 内对营养物的去除率优于一般的藻菌共生系统。