固定化藻菌共生体处理畜禽养殖废水效果优化

肖丛亮，张 哲，郭远涛，辛佳期，孙盛进，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，南昌 330047)

随着我国社会经济的发展以及人们生活水平的提高，人们对于肉禽蛋奶等高品质畜禽产品的需求日益增长，这也直接促进了畜禽养殖业的空前发展，与此同时必然产生规模巨大的畜禽养殖废水[1]。畜禽养殖废水含有高浓度的碳氮磷等污染物，未经合理处理排入外界水体中极易会造成水体富营养化现象，产生恶臭，对周边环境及人类产生严重影响[2]。畜禽养殖废水常用的处理模式有还田模式、自然处理模式(稳定塘、人工湿地等)、工业处理模式(SBR、A/O、UASB等工艺)，由于畜禽养殖废水复杂的水质特点，这些模式在处理效果、资源化利用上难以达到理想的状态。研究表明藻菌共生体对废水中的碳氮磷等污染物有较好的去除效果，藻类通过光合作用利用水中营养物质，合成自身细胞物质并释放出O2，好氧菌则利用水中O2对有机污染物进行分解、转化，产生CO2和上述营养物质，以维持藻类的生长繁殖，实现污水的生物净化作用[3]；同时体系收获的微藻又能作为养殖饲料、制油，甚至是保健品的原材料，具有很高的资源利用价值[4]。藻菌共生体直接处理废水时，存在着抗水利冲击和水质波动能力差、微藻采收的困难、微生物生长受限等问题[5]，而包埋固定化能很好的解决以上问题。然而，畜禽养殖废水水质复杂，最适合畜禽养殖废水的固定化参数有待优化，固定化对藻菌共生体的影响鲜有报道。

因此本文选择海藻酸钠-氯化钙作为藻菌包埋固定化试剂，以小球藻和活性污泥为原材料，通过正交试验分析海藻酸钠、氯化钙浓度和固定化时间对固定化小球强度、微生物生长情况、碳氮磷去除效果等固定化藻菌共生体基本性能的影响；采用多指标全概率法，优化出一组最适合畜禽养殖废水的固定化参数；通过对比实验，探究固定化对藻菌共生体处理废水的影响。

1 材料与方法

1.1 畜禽养殖废水水质特点

试验所用废水取自南昌市某猪场养猪废水厌氧消化处理后出水，实验前进行预处理，过1 μm滤袋去除水中大部分悬浮性颗粒物，避免对试验过程和结果的干扰，两次水样预处理后水质指标测定结果如表1。

1.2 微藻和活性污泥

微藻：为小球藻(Chlorellavulgaris，编号为NCU-C1)，为课题组前期从垃圾渗滤液中筛选、分离、纯化得到的对高氨氮高盐体系具有良好耐受性的藻种。在灭菌后的BG-11培养基中培养小球藻，曝气(空气)流量为1 L·min-1，连续光照(4000 Lux)，浓度达到1 g·L-1左右即可离心浓缩采收用于废水处理。

表1 养猪废水消化出水水质特点Tab.1 Water quality characteristics of Swine wastewater digestion effluent

活性污泥：取自南昌市某城市污水处理厂二沉池回流污泥，污泥性质如表2。

表2 活性污泥性质Tab.2 Properties of activated sludge

1.3 实验装置及条件

实验装置及条件：100 mL海藻酸钠混合溶液中含有0.5 g活性污泥和0.2 g小球藻(依据前期藻菌比例优化实验选择的藻菌比例)，制成直径为3～4 mm的固定化小球(100 mL的2%，3%，4%浓度制备的小球数量分别约为2980±20，2570±20，2360±20颗)，接种入装有1L实际废水的石英玻璃管中(有效工作容积为1L，内径6 cm，高50 cm)。24 h光照(4 500 Lux)，连续运行5 d，控制室温25 ℃左右。为使小球悬浮分散在水体中充分接受光照，使用电磁泵曝气(空气)，流量为0.35 L·min-1。对比实验时，分别设置固定化组和非固定化组，其他条件一致(同上)。每次取样50 mL，前48 h每12 h取样1次，后72 h每24 h取样1次，用于样品的测定。实验装置及固定化小球如图1所示。

1.4 正交试验设计

实验设计：以海藻酸钠浓度(A)、氯化钙浓度(B)、固定化时间(C)为实验因素，结合文献调研以及先前实验的研究，选择恰当的水平范围，进行3因素3水平L9(33)正交实验。正交实验各因素水平选择以及实验组安排见表3。

(a)装置示意图；(b)实际装置照片；(c)固定化藻菌共生体机理图；(d)实际所制小球照片。

表3 正交试验表Tab.3 Orthogonal test table

1.5 实验与分析方法

藻菌固定化小球制备方法：将培养好的小球藻和活性污泥离心收获，用超纯水洗3次，以排除残留成分对实验的干扰；之后重新悬浮超纯水中，与海藻酸钠(分子量为32 000～250 000)溶液均匀混合，制成含藻泥的海藻酸钠混合溶液；最后通过蠕动泵在离氯化钙溶液液面高20 cm处将混合溶液逐滴滴入氯化钙溶液中，在溶液中固化一定时间后收获[6]。

固定化小球强度的测定：选取刚刚固化结束后的4颗大小接近且均匀小球，使用游标卡尺测量其直径a，将四颗小球以4×4 cm正方形夹在两块相同的轻质平板玻璃正中间，放置在水平台面上，将200g砝码放置在压着小球的平板玻璃正中间压2 min，之后测量小球扁处直径b，压缩形变=(a-b)·a-1×100%，4颗小球结果取平均值，形变量越小代表小球强度越高[7]。

微藻生长情况的测定：每24 h取5颗小球溶解于5 mL碳酸氢钠溶液(4%)中至完全溶解[10]，使用甲醇提取法[8]，每天测定叶绿素a含量。由于第5天大部分实验组叶绿素a较前一天略有下降，因此以第4天叶绿素a含量Ch4与原始叶绿素a含量Ch0计算，叶绿素a增长率=(Ch4-Ch0)·(4-0)-1，以叶绿素a增长率代表微生物生长情况。

碳氮磷去除效果测定：选择COD、TN、TP去除率代表固定化小球对废水中营养元素的去除效果，测定废水中每日COD、TN、TP浓度，以第5天去除率代表去除效果。参照《水和废水监测分析方法(第四版)》，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测TN，采用过硫酸钾消解钼酸盐分光光度法测TP，采用哈希试剂测定COD。

其他项目的测定：采用纳氏试剂分光光度法测氨氮，DO、pH使用多功能哈希探头(HQ40d)测定。

分析方法：使用SPSS软件对各指标的水平均值和极差进行分析。由于各个指标对实验同等重要，需要科学、客观地兼顾各个指标综合效应，因此使用多指标全概率分析法对各个指标进行赋权并计算全概率值。固定化小球强度权重为-1，小球藻生长情况权重为1，去除效果权重为1(其中COD、TN、TP去除率权重皆为1/3)。多指标全概率分析法如下[9]:

(1)

(2)

式中；Pi为第i号实验的全概率值，mi各指标的权重比，Aij为第j个指标第i号实验值(i=1,2，…，n，j=1,2，…，k)，Sj为第j个指标下各次(n次)实验结果之和。

2 结果与分析

2.1 参数优化实验结果

L9(33)正交试验表及正交试验结果和全概率值如表4，各指标及全概率值极差分析结果如表5。从表5中对全概率值的因素水平均值极差来看，RA>RB>RC，海藻酸钠浓度对全概率值的影响是最大的。而从全概率值各因素水平均值来看，海藻酸钠浓度的水平均值k3>k2>k1，氯化钙浓度水平均值k2>k1>k3，固定化时间水平均值k3>k1>k2，因此当海藻酸钠浓度为4%，氯化钙浓度为1%，固定化时间为12 h时为最佳组合结果。该参数综合考虑了固定化小球强度、微生物生长情况、碳氮磷去除效果3个性能指标，是最适合畜禽养殖废水的固定化参数。

表4 正交试验结果及全概率值Tab.4 Orthogonal test results and full probability values

表5 各指标及全概率值极差分析Tab.5 Range analysis of each index and full probability value

2.1.1 碳氮磷去除效果

图2中a图为不同实验组COD浓度随时间变化图。所有实验组的COD浓度随时间变化的走势基本保持一致，在第1天内急速下降，在第1天达到最低浓度，之后COD浓度略有起伏，整体上COD浓度在第2和第3天经历小幅上升后出现回落。海藻酸钙凝胶球具有三维网络状的空间结构，部分可溶性物质是顺浓度梯度扩散进入小球内部的[10]，而在最开始扩散作用可能占据着主要地位，另外随着藻-菌共生体系的趋于稳定，加速了体系对可溶性碳源的利用。COD浓度的回升，可能是由于随着微生物生长的同时也会分泌一些胞外有机物[11]，一部分被截留在小球内部[10]，另一部分胞外有机物被释放到废水中而导致COD上升。随着藻菌共生体系的继续生长，废水中的碳源逐渐被消耗，COD浓度开始下降。另外从表5中对COD去除率的因素水平均值及极差分析可以看到，影响COD去除率的最大两个因素是固定化时间和海藻酸钠浓度，较小的海藻酸钠浓度和较短的固定化时间对COD去除率是有着更积极的影响。

图2中b图为不同实验组TN浓度随时间变化图。所有组的TN浓度下降趋势基本保持一致：先下降的较快，之后趋于平缓，而且去除率都不超过50%，去除效果并不理想。一些研究表明[5,7]，固定化藻菌共生体对废水处理效果达到90%以上，但这些研究所使用的废水TN浓度大多为100 mg·L-1左右甚至更低，藻菌体系生长在较为理想的环境中。而本实验所用实际废水C、N、P浓度都较高，TN浓度高达(723.71±8.58) mg·L-1，而且TN中绝大部分又以氨氮的形式存在于废水中，尽管微生物被包埋在藻酸钙基质中，但是高浓度氨氮依旧对微生物存在一定的毒害作用[12]。有研究指出，海藻酸钙基质中微生物密度的逐渐增加，会导致海藻酸钙小球颜色加深而产生遮光效应，小球内部微藻难以获得光照进行光合作用，削弱了微藻对氨氮的吸收利用[13]，以上因素皆可能是TN去除效果不理想的原因。另外从表5中对TN去除率的因素水平均值及其极差分析可以看到，海藻酸钠浓度对TN去除率的影响最大，并且海藻酸钠浓度的均值k3>k2>k1，这表明海藻酸钠浓度越高TN去除率越好，这可能是由于海藻酸钙基质中的羧基和铵根离子存在一定的相互作用[14]。

t/d(a) COD浓度变化趋势

图2中c图为不同实验组TP浓度随时间变化图。TP浓度在和TN浓度表现出相似的变化趋势，前期其浓度下降速度较快后期放缓，其原因与COD、TN浓度前期下降速度快而后期受限于C/N/P比例有直接关系。所有组第5天TP去除率都超过73%，最高的组达到85.48%，去除效果较为理想。从表5中对TP的因素水平均值及极差分析可以看到氯化钙浓度对TP去除率影响最大，4%浓度氯化钙浓度时TP去除率的均值最大，另外实验结束后模型观察到反应器中悬浮着大量白色细微颗粒物，这可能是由于磷酸根离子能与海藻酸钙基质中的钙离子反应生产微溶于水的磷酸钙沉淀[15]。

2.1.2 固定化小球强度

从表5中对固定化小球因素水平均值极差分析可以看出：海藻酸钠浓度对固定化小球强度影响远大于其他两个因素，起着决定性影响。从分子角度来看，将海藻酸钠滴入到钙离子溶液中后，海藻酸钠会与钙离子发生离子交换形成海藻酸钙；钙离子可以依附在两条聚合链中，即发生交联反应，类似于在直链上加入更多的支链，使溶液的黏稠度进一步增加；并且海藻酸钙的溶解度相对于海藻酸钠更低，最终形成具有网络空间且不溶于水的凝胶小球[10]。这表明在钙离子浓度一定时，海藻酸钠浓度越高，相当于形成的支链越多溶液的粘稠度越高，即体现在固定化小球强度越高。另有研究表明，海藻酸钙凝胶在形成过程中会发生体积收缩效应，这会导致水的流失和海藻酸钙聚合物浓度的增加，这相当于海藻酸钙盐胶联越紧密带来的体积稳定性越高[16]，这也从另一个角度说明海藻酸钠浓度越高，固定化小球强度越大。这种现象在实验过程中也得到了体现：固定化时间结束后的小球明显比刚滴入氯化钙溶液中小很多。

2.1.3 微生物生长情况

图3为以叶绿素a的增长率代表微生物生长情况。各组的叶绿素a含量每日增长趋势基本一致：在第1天，叶绿素a增长较为缓慢，第2天叶绿素a增长得最快，之后叶绿素a的增长逐渐放缓，基本都是在第4天达到最大值，最后第5天时叶绿素a含量略有下降。其中第4天叶绿素a浓度最高的两组分别为第7和第4组分别为12.36和12.35 μg·L-1，最低的为第9组9.68 μg·L-1。这是由于早期藻菌共生体系还未完全形成处于不稳定的状态，另外微生物处于废水环境中有一段时间的适应期，其增长较为缓慢。适应期后微藻进入快速增长期，之后由于营养元素的减少，微藻生长速率逐渐放缓。从表5中对微藻生长情况的因素均值极差分析可以看到：RA=0.312>RB=0.280>RC=0.142，这说明海藻酸钠浓度对微藻生长情况影响程度最大，氯化钙浓度次之。另外从均值分析来看，最适合微藻生长的参数是海藻酸钠浓度3%，氯化钙浓度0.5%。在一定的氯化钙浓度下，海藻酸钠浓度越高意味着更高的固定化小球强度，但是所形成的海藻酸钙凝胶小球胶联越紧密，小球内部网络空间及表面孔径减小，这无疑增加了营养物质向小球内部扩散的阻力[10]，减缓了活性污泥对废水中营养物质的利用效率，进而影响微藻的生长。但是从另一方面来讲，由于微生物细胞均匀的分布在海藻酸钙基质中，更低的海藻酸钠浓度意味着机械强度更低的海藻酸钙凝胶小球，在面对曝气所带来的水力冲击时有明显的劣势[17]。这可能是微生物更适合适中浓度的海藻酸钠和低浓度氯化钙的原因。

t/d图3 各组叶绿素a增长曲线Fig.3 Chlorophyll a growth curve for each group

2.2 固定化藻菌在畜禽养殖废水处理中的效果对比研究

使用最优参数制作固定化藻菌进行废水处理实验，并与悬浮性藻菌共生体进行对比，探究固定化对藻菌共生体处理废水的影响，分析其中原因。

2.2.1 DO、pH对比

图4中d、e分别为两个体系中DO和pH随时间变化曲线。第0天属于原始水样，是在未曝气的条件下测定的，起始DO很低，之后由于曝气以及藻菌的加入，体系中的DO维持在较高的水平。从图中可以看到，第1天之后两个体系的DO都存在一定程度的波动，其中固定化藻菌体系中的DO略低于悬浮性藻菌体系，可能的原因是，藻菌固定在海藻酸钙基质中，活性污泥对微藻产出的O2利用程度更高导致的。固定化藻菌体系的pH随时间先升高后略有下降，第3天达到最大值为8.56，在第五天时其pH为8.39；而悬浮性藻菌体系的pH从第3天开始逐渐下降，在第5天时其pH为7.06，与固定化藻菌体系相比，悬浮性藻菌体系的pH下降幅度更大。有研究指出，细菌在降解有机碳时会产生一些有机酸，微藻在利用NH4+时也会释放H+，但固定化藻菌体系中藻菌包埋在海藻酸钙基质中对有机酸存在一定截留作用[18-19]。在本实验中固定化藻菌体系pH下降幅度较小，较为稳定，这表明固定化对维持体系pH的稳定存在一定的积极作用。

t/d(d)DO

2.2.2 碳氮磷去除效果对比

图5中f图为两个体系中COD的去除效果。在第0.5天时，两体系去除率分别达到92.12%，92.34%，而第5天时去除率分别达到92.63%，93.76%。有研究表明，藻菌共生体系对废水处理效果优于纯藻或纯活性污泥，这是由于微藻提供的O2强化了活性污泥对有机碳的利用[20-21]。DO浓度是限制活性污泥内好氧细菌呼吸作用和对COD降解的因素之一，而固定化藻菌体系的DO在第2天后小于悬浮性藻菌体系，这可能是固定化藻菌体系的COD去除率略低于悬浮性体系的原因。从图中可以看到，两个体系的COD浓度都存在一定的波动，即在第2或第3天有一定程度的回升再下降的过程，这与正交试验情况相似。

图5中g图为两个体系中对TN的去除效果，废水中的氮主要以氨氮形式存在，其中TN、氨氮浓度分别为763.91，680.77 mg·L-1。，第5天，固定化藻菌体系、悬浮性藻菌体系的TN去除率分别为53.04，40.43%，和正交试验类似，两个体系的TN去除效果都并不理想，但是固定化藻菌体系对TN的去除效果略优于悬浮性体系。固定化对微生物的保护作用仍然是显著的。值得注意的是，固定化藻菌体系的pH一直高于悬浮性藻菌体系，而且在第4、5天时，两者之间的pH差值达到1.3左右，同时两个体系都处于曝气状态。众所周知，外部曝气以及高的pH能促进NH4+向NH3的转化[22]，因此这也可能是固定化藻菌体系的TN去除效果更佳的原因。

t/d(f)COD浓度变化趋势

图5中h图为两个体系中TP的去除效果。废水中的磷元素主要以磷酸盐的形式存在于废水中，其中TP和磷酸盐浓度分别为38.80，37.73mg·L-1。固定化藻菌体系、悬浮性藻菌体系中TP的去除率分别为91.58%，66.33%，固定化藻菌体系对磷的去除效果上的优势非常明显。磷酸钙的在25 ℃下溶度积常数(Ksp)为2.0×10-29，属于难溶于水的白色物体。研究指出，废水中磷酸根离子在一定浓度以及适宜的pH(≥8)条件下，极易与钙结合形成难溶于水的沉淀[23]。而本实验中固定化基质是海藻酸钙凝胶，废水中的磷酸盐含量37.73 mg·L-1，并且在实验结束时，实验装置中发现白色粉末沉淀。结合对氮的去除效果，固定化藻菌体系对磷去除率更高，一是由于固定化能有效保护藻菌，拥有更高的N、P去除效果；二是废水中的磷酸盐与海藻酸钙基质中的钙生成磷酸钙沉淀导致的。此外，值得注意的是，悬浮性藻菌体系中磷元素的浓度在第3天之后出现回升，而Li[18]等的实验中也出现过类似现象，这可能与部分细菌内源呼吸释放磷酸盐有关。

2.2.3 微藻生长情况对比

图6为两个体系中叶绿素a浓度变化情况。叶绿素a的浓度可以直观的代表微藻的含量，在第1天内，固定化藻菌体系和悬浮性藻菌体系中的微藻生长速率及生长量非常接近，都处于高速生长期。第1天后，两个体系中微藻生长速率都有所放缓，但是固定化藻菌体系中微藻增长速率明显高于悬浮性体系。但是固定化藻菌体系微藻含量在第5天略有下降，而悬浮性藻菌体系微藻一直保持着微弱的增长，没有下降，这是由于固定化基质中空间有限，最终会限制微生物的增长[23]。藻菌固定化体系、藻菌悬浮性体系起始和第5天的叶绿素a浓度分别为4.79，5.68和28.27，22.05 mg·L-1，增长量分别为23.48，16.37 mg·L-1。固定化体系明显拥有更高的生物量，显然，这对微藻的资源化利用是有利的。

t/d图6 两个体系中叶绿素a浓度的变化Fig.6 Variation of Chlorophyll a Concentration in Two Systems

3 结论

本文以海藻酸钠-氯化钙作为固定化载体，通过正交试验考察海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、固定化时间3个因素对固定化小球强度、微生物生长情况、碳氮磷去除效果的影响。主要结论如下：(1)海藻酸钠浓度是影响固定化小球强度和微生物生长情况的主要因素，海藻酸钠浓度越高固定化小球强度越强，而适中浓度的海藻酸钠浓度更适合微生物生长；(2)各个参数对碳氮磷去除效果影响程度各不相同，海藻酸钠浓度越高TN去除效果越好，氯化钙浓度越高TP的去除效果越好，在海藻酸钠浓度越低及固定化时间越短时COD的去除率越高；(3)经优化，海藻酸钠浓度为4%，氯化钙浓度为1%，固定化时间为12 h时的固定化参数最适合畜禽养殖废水。(4)固定化能有效提高微生物生长量，而且固定化对TN、TP有着一定的促进作用。