藻菌共生体处理猪场沼液的参数优化研究

王锌针，张 哲，罗 娜，孙 晨，熊川懿，王圣智，万瀚宇，陈建新，李 昆

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

近年来，随着我国畜禽养殖业的迅速发展，产生了大量的养殖废水，经固液分离和厌氧消化处理后沼液中的有机物浓度明显降低〔1〕，但氮磷等污染物浓度仍然较高〔2〕，且碳氮比严重失调，传统的污水处理工艺难以达标排放〔3〕。以典型的养猪沼液为例，其中残留的大量碳、氮、磷等污染物可作为藻菌共生体生长所需的营养物质，转化为具有经济价值的生物质资源，同时净化污水〔4〕，具有良好的应用前景〔5〕。

影响藻菌共生体废水处理效果的因素有很多，对微藻、细菌的活性产生影响或改变两者间相互作用的因素都将对废水处理产生影响〔6〕，其中光照强度、曝气量及藻菌接种比例等影响最为显著，针对不同的废水水质特征，需要优化相关参数，以实现最佳的处理效果。光照是藻类生长的基本条件，微藻细胞只有在合适的光照强度范围内才能够正常生长。罗龙皂〔7〕研究近具刺链带藻的最适光照强度时发现，其最适光照强度可能在400 μmol/（m2·s）附近，将光强控制在此范围时有利于微藻生长。曝气量会影响水中的DO 浓度，DO 是好氧生物处理工艺的关键因素，而过高的DO 浓度对微藻有毒害作用。合适的曝气量可以调控微藻和细菌的生长速率，有助于加强两者的协同共生，形成稳定的共生体结构。Congcong TANG 等〔8〕用SBR 反应器处理生活废水时，发现较低曝气量（0.2 L/min）条件下，藻菌共生系统的协同优势更明显，且曝气产生的高剪切力也不利于藻类对污泥絮体的吸附。藻菌接种比例影响着藻菌间的相互关系，进而影响污染物的去除效率。Li SUN 等〔9-10〕利用活性污泥和小球藻处理生活废水时发现，藻菌接种比例为1∶5 时，COD、TN 和磷的去除率最高；当藻菌接种比例为1∶1 时，共生系统中微藻均生长良好，氨氮去除率最高。废水中氨氮和总磷的去除率也最高。

基于上述背景分析，本研究对猪场沼液的深度处理和资源回收展开研究，选取光照强度、曝气量及藻菌接种比例3 个参数，设计正交实验，探究不同光照强度、曝气量、藻菌接种比例对藻菌共生体处理猪场沼液的影响，通过对各指标进行加权分析，选出最优的藻菌共生参数组合，为建立稳定的藻菌共生体系以提高废水处理效率及资源回收率提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与水质

1.1.1 实验用水

实验废水为某猪场厌氧消化沼液，废水经离心过滤处理，去除废水中悬浮物等杂质后备用。将废水稀释10 倍，用葡萄糖适当调节其碳氮比，用0.1 mol/L 的碳酸钠溶液和0.1 mol/L 的盐酸将废水pH 调至中性，调节后的废水水质特征如表1 所示。

表1 猪场沼液水质特征Table 1 Characteristics of digested swine wastewater

1.1.2 藻菌共生体培养

实验用微藻为前期实验从某垃圾填埋场渗滤液中分离得到的耐盐耐氨氮小球藻藻种（NCU-C1），接种前使用BG11 培养基培养。活性污泥取自南昌某污水处理厂二沉池回流污泥，用滤网将其中杂质去除。采用闷曝方式对污泥进行驯化培养，以适应实验废水〔11〕。驯化时间为7 d，控制曝气量为3～5 L/min，污泥初始质量浓度约3 g/L，污泥停留时间为15 d，保持pH 为7±0.5，DO 为3～5 mg/L，温度为（25±3） ℃，日常监测pH、DO、SV30等指标。

1.2 实验方法

1.2.1 反应器构建

实验所用反应器为管式光生物反应器，反应器结构如图1 所示，由透明亚克力圆柱管制成，底部为圆锥形，有效容积为2 L，同一批次有9 套同时进行。由磁力泵通过反应器底部微孔板提供空气，用数显流量计调节气体流量。光源由缠绕在反应器外壁的LED 灯带提供，用照度计测定反应器中心位置光照强度，通过LED 灯带功率调节光照强度。

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

1.2.2 实验设计

向实验废水中接种预设定量的微藻和活性污泥，测定实验过程中水质、生物量及藻菌形态结构指标的变化。实验采用三因素三水平正交表设计（表2），共持续10 d，选取光照强度、曝气量及藻菌接种比例3 个因素，其中光照强度（A）分别为250、400、550 μmol/（m2·s）；曝气量（B）分别为0.1、0.2、0.5 L/min；藻菌接种比例（C）分别为1∶1、1∶5、1∶10。光暗周期为12 L/12 D，初始接种量为1.0 g/L，根据接种比例调整微藻和活性污泥接种量。培养温度为25 ℃。利用哈希便携式水质分析仪在线监测DO、pH 及电导率。

表2 正交实验设计Table 2 Orthogonal experimental design

1.2.3 水质分析方法

水样经0.45 μm滤膜过滤后用于各项水质指标测定，COD、总氮、氨氮、硝氮、总磷、磷酸盐的测定方法参照《水和废水监测分析方法》（第4版），微藻干重测定方法参照文献〔12〕，叶绿素a浓度测定采用甲醇提取法〔13〕。

2 结果与讨论

2.1 实验中DO、pH 和电导率变化

通过对DO 和pH 监测可了解微生物活性，考察藻菌共生体稳定性。各组DO、pH、电导率随时间的变化情况如图2 所示。

图2 各组DO、pH、电导率随时间的变化Fig.2 Variations of DO，pH，electrical conductivity with time in different groups

由图2（a）可知，前期DO 增速不同，但最终都稳定在7 mg/L 左右。在藻菌共生体系中，微藻利用CO2进行光合作用，释放的O2可显著节省曝气，即使最低曝气量（0.1 L/min）也能满足微生物的生长需求。前期DO增速差异主要是曝气量和藻菌接种比例的影响，曝气量和藻菌接种比例越大，DO 的增长速度就越快。

由图2（b）可知，除第6 组外，各组的pH 均呈上升—下降—上升的变化趋势，但均保持在适合藻菌生长的范围。研究表明，微藻生长会吸收水中碳酸根离子导致pH 升高〔14〕，而活性污泥中硝化菌的硝化过程会消耗碱度使pH 下降，故藻菌的共生关系对pH 有显著影响。结合叶绿素a 变化，第6 组实验前期活性污泥占比过高导致pH 快速降低，引起微藻的快速死亡。

电导率可用于判断水中离子浓度或含盐量〔15〕。由图2（c）可知，各组电导率随时间的变化均呈先降后升的趋势，可能是实验后期营养物质匮乏，藻菌死亡，胞内物质溶出，导致电导率上升。

2.2 藻菌共生体对碳氮磷的去除效果

2.2.1 COD 和TOC 的去除情况

各组COD和TOC去除率随时间的变化如图3所示。

图3 各组COD 和TOC 去除率随时间的变化Fig.3 Variations of COD and TOC removal rates with time in different groups

由图3（a）可知，各组COD 去除率随时间的变化整体呈缓慢上升趋势，多数组在第8 天达到峰值其后迅速下降，其中第2 组COD 去除率最高为92.5%，COD 为142.2 mg/L。经极差分析可知，以COD 为考察指标时，极差R值大小为B＞C＞A，最优水平为A2B2C1，但三者R值均较小且差距不大，故光照强度、曝气量和藻菌接种比例对COD 去除率的影响较小。

TOC 能更精确地反映水中的有机物浓度。由图3（b）可知，各组TOC 去除率随时间的变化趋势与COD 相似。第1、3、6 组TOC 去除率最高分别为（85.08±0.37）%、（85.21±0.71）%、（85.40±1.5）%，TOC分别为（102.48±2.60）、（101.60±4.89）、（100.25±10.50） mg/L。经极差分析可知，以TOC 为考察指标时，极差R值大小为B＞C＞A，最优水平为A2B3C1，但三者R值均较小且差距不大，故光照强度、曝气量和藻菌接种比例对TOC 去除率的影响均较小。

2.2.2 氮的去除情况

各组NH4+-N 和TN 去除率随时间的变化如图4所示。NH4+-N 方面，活性污泥主要通过硝化作用和同化吸收作用，而微藻则可利用废水中的氮实现增殖〔16-17〕。由图4（a）可知，各组NH4+-N 去除率随时间变化的差异较大，第8 组在第7 天NH4+-N 去除率达到最高，为80.21%。8 d 后NH4+-N 去除率下降，第4、8 组在第2～8天NH4+-N为（77.95±11.17） mg/L和（70.90±7.37） mg/L，NH4+-N 去除率最高分别为（75.30±3.53）%和（77.54±2.33）%；第7组在第2～8天NH4+-N为（86.64±2.81） mg/L，NH4+-N 去除率为（74.80±1.17）%。第4、7、8 组的藻菌接种比例分别为1∶5、1∶10、1∶1，表明接种比例对NH4+-N去除影响较小。由极差分析可知，以NH4+-N 为考察指标时，极差R大小为B＞A＞C，曝气强度对NH4+-N 去除影响最大，接种比例影响最小，最优水平为A3B2C1。

图4 各组NH4+-N 和TN 去除率随时间的变化Fig.4 Variations of NH4+-N and TN removal rates with time in different groups

由图4（b）可知，各组TN 去除率变化差异较大，第8 组在第8 天之前TN 去除率高于其他组，TN 为（133.88±11.28） mg/L，TN 去除率（58.93±3.46）%，在第6 天TN 去除率到达最高，为62.27%，TN 为123.00 mg/L。由极差分析可知，以TN 为考察指标时，极差R大小为B＞C＞A，最优水平为A2B1C1。曝气量对TN去除率影响最大，曝气量越大，TN 去除率越低，其原因可能是曝气量增大加速了活性污泥中硝化菌对NH4+-N 的硝化作用，而微藻通常优先利用NH4+-N生长，仅在NH4+-N 浓度低时，部分利用硝氮〔18〕，从而影响了TN 的去除率。此外，高曝气下的高DO 对微藻生长的抑制作用也是原因之一。藻菌接种比例对TN 去除影响其次，藻菌接种比例分别为1∶1、1∶5 和1∶10 时，TN 去除率分别为（55.52±3.51）%、（52.90±4.7）%和（50.08±4.11）%，微藻比重越小，TN 去除率越低，说明微藻生长对TN 的去除十分关键。光照强度对TN 去除率影响最弱，当光照强度为400μmol/（m2·s）时TN 去除率最高。

2.2.3 磷的去除情况

各组PO43--P 和TP 去除率随时间的变化如图5所示。

图5 各组PO43--P 和TP 去除率随时间的变化Fig.5 Variations of PO43--P and TP removal efficiency with time in different groups

在藻菌共生体系中磷的去除包括生物过程和非生物过程两种途径，其中生物过程主要包括微藻同化吸收和微生物聚磷，非生物过程包括吸附和沉降。由图5（a）可知，各组第1 天PO43--P 去除率均＞94%，PO43--P＜0.55 mg/L。在装置内设有曝气装置增大了水流的剪切力，且微藻在进行光合作用的过程中产生氧气，强化了活性污泥在好氧条件下的聚磷作用。实验后期各组叶绿素a 与干重开始下降，微生物死亡释磷导致PO43--P去除率下降。由图5（b）可知，第8 组在第1～8 天中TP 去除效果最好，TP 为（0.46±0.20） mg/L，TP 去除率为（95.56±0.25）%。养猪沼液中磷主要以PO43--P 形式存在，故PO43--P 的变化情况与TP 几近重合。由极差分析可知，以TP 为考察指标时，极差R值大小为B＞A＞C，最优水平为A3B3C2，但三者R值均较小且差距不大，故光照强度、曝气量和藻菌接种比例对TP 去除率的影响均较小。

2.3 藻菌微生物指标及形态特征变化

各组藻菌共生体的生物质随时间的变化如图6所示。

图6 各组藻菌共生体的生物质随时间的变化Fig.6 Variation of microalgae-bacteria symbionts biomass with time in different groups

叶绿素a 浓度与微藻的活性和生物量之间存在紧密的相关性，叶绿素a 浓度越高，微藻生长越旺盛，生物量越多。由图6（a）可知，叶绿素a 浓度均为先上升后下降，说明微藻前期生长较快，在第1～8 天第1、8 组叶绿素a 质量浓度达到（24.33±3.30） mg/L。实验后期受废水中营养物浓度限制，出现生长停滞甚至衰亡的状况，其中第3、9 组叶绿素a 质量浓度降至1.0 mg/L。

干重反映体系中的微生物总量，生物量变化反映体系的稳定程度，生物量变化小的体系更稳定。由图6（b）可知，各组变化差异较大：第6、8、9 组在第4～5 天达峰值，干重分别为1.45、1.60、1.49 g/L，之后持续下降；而第1、4、7 组，干重较为稳定，第1～10 天分别为（1.57±0.07）、（1.70±0.08）、（1.56±0.10） g/L。分析发现，较高曝气量和光照强度与干重呈负相关，可能是高曝气量和光照强度加剧了藻菌对废水中营养物的消耗，导致实验中过早出现微生物的衰亡。

微生物絮体粒径大小及其分布是形态学的重要指标，对絮体稳定性有一定影响。接种前微藻和活性污泥平均粒径（D50）分别为4.42 μm 和29.5 μm，各组第7 天藻菌絮体粒径如图6（c）所示，除第1、6 组，其他组絮体均大于活性污泥，说明形成了较为稳定的藻菌共生絮体结构。而第1、6 组由于藻菌接种比例大，初始平均粒径较小，其实验后期絮体粒径也呈现增长趋势。通常絮体粒径随着藻菌接种比例的增大而减小，大量游离的藻细胞会降低体系D50。此外，第3、5、7 组D50大于同藻菌接种比例的其他组，说明其中藻菌絮体形成情况更好。

2.4 污染物去除率及正交实验结果分析

实验中第7 天多数实验组污染物去除率达到峰值，且组间差异明显，故选取当天水质指标和微生物指标作为正交实验对各指标的考察依据（见表3）。根据实际情况和指标的重要程度，采取多指标综合加权评分法综合考虑多指标下的最优解，赋予各指标不同的权重比，权重比大的指标为主体，兼顾其他指标需要，能得到较全面指标下的最优水平〔19-20〕。藻菌共生体处理废水的首要目标为净化废水，而产生的微生物质为废水处理的副产物，不作为主要考察指标；TP 在第1 天去除率达到93%以上，且浓度较其他指标低一个数量级。由此对TP（W1）、TOC（W2）、NH4+-N（W3）和TN（W4）去除率赋予权重分别为0.1、0.3、0.3、0.3，综合评分（OR）计算式如式（1）所示。

表3 各实验组第7 天污染物去除率Table 3 Pollutants removal rates of all groups at the 7th day %

正交实验设计及实验结果如表4 所示。

表4 正交实验设计及实验结果Table 4 Design and results of orthogonal tests

经综合加权平均法分析发现，因素主次顺序为B＞A＞C，对污染物去除影响关系依次为曝气量＞光照强度＞藻菌接种比例，所得最佳参数组合为A3B2C1，即光照强度为550 μmol/（m2·s）、曝气量为0.2 L/min、藻菌接种比例为1∶1 时，藻菌共生系统对各污染物指标综合处理效果最好。

3 结论

本研究设计正交实验对藻菌共生体处理养殖废水过程进行参数优化，选取光照强度、曝气量、藻菌接种比例3 个参数，对比各组的污染物去除效率、藻菌生长情况及絮体形态差异，得到以下结论：

1）曝气量对NH4+-N、TN 的去除影响最大，曝气量为0.2 L/min时的NH4+-N去除率最高，而光照强度、曝气量和藻菌接种比例对COD、TOC、PO43--P和TP的去除率影响均较小。综合评分最优组的TP、COD、TN、NH4+-N分别为0.48、219.2、125.2、64 mg/L，TP、COD、TN、NH4+-N去除率分别为95.46%、88.58%、61.58%、80.21%。

2）各组干重和叶绿素a 浓度均呈先上升后下降的趋势，说明实验初期藻菌共生体生长良好，后期因营养物不足导致其衰亡。高曝气量和高光照强度加快了微生物对废水中营养物的利用速度，导致微生物更早出现衰亡。此外，各组藻菌絮体D50均呈显著增大的趋势，且随藻菌接种比例的增大而减小。

3）运用多指标综合加权评分法评价得出影响藻菌共生体对废水中污染物去除的因素排序为：曝气量＞光照强度＞藻菌接种比例。其最优参数组合为A3B2C1，即光照强度为550 μmol/（m2·s），曝气量为0.2 L/min，藻菌接种比例为1∶1。