接种比对小球藻及活性污泥共培养处理垃圾渗滤液的影响研究

2022-10-18王殿惠

供水技术 2022年4期

王殿惠

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

随着我国城市化进程加快，大量垃圾的产生造成了环境的严重污染，其处理方式仍然以填埋为主，从而导致垃圾渗滤液的产生。菌藻共生系统在污水处理研究的应用日益广泛。20世纪60年代，William Oswald等[1]首次提出菌藻共生系统，将传统的稳定塘与微藻光合作用相结合，形成高效藻类塘工艺。微藻可同化吸收重金属和造成水体富营养化的物质，细菌等微生物可对大分子有机物进行氧化降解。然而，细菌可能会与藻类竞争营养物质，如N和P，特别是在磷含量有限的垃圾渗滤液中。因此将垃圾渗滤液与生活污水合并处理，既起到了对渗滤液缓冲稀释的作用，又补充了渗滤液缺乏的营养元素(如P)，节约了处理成本。细菌和藻类的生物量多少可能影响两者之间的合作，从而影响微生物群落结构和污水处理效能。樊杰等[2]在黑暗异养条件下培养菌藻共生体，发现污泥/微藻比值为1∶2时对污染物的去除效果好，沉降性更好。另一项研究发现，初始微藻和细菌的质量比保持在3∶1，氨氮从垃圾渗滤液中完全去除，硝酸盐、化学需氧量和苯酚的去除率均在90%以上，粗甘油含量为34.54%～42.36%[3]。Roudsari等[4]认为即使少量污泥的投加也能对微藻去除COD起促进作用。Tang等[5]应用3 000 mg/L浓度的污泥与藻类混合，藻类均生长较好。Mujtaba等[6]发现用于城市污水处理的最佳配比为2∶1。然而Zhu等[7]研究发现当接种比为1∶1时，COD、TN、TP的去除率较高，分别为82.7%，75.5%和100%。可以看出，微藻与污泥的最佳比例因污水组成的不同而变化，细菌生物量的多少也影响着藻类对光照的利用情况。

笔者以小球藻和活性污泥为原料，建立了处理垃圾渗滤液的复合菌藻群。通过调节藻菌比优化共生系统性能，从生物量、光合色素、DO、pH等方面研究了微藻-细菌的相互作用。

1 实验部分

1.1 菌藻来源

实验所用藻类-普通小球藻(FACHB-08)是一种球形单细胞淡水藻类，直径在3～8 μm。在光照强度为3 000 lux、27℃下进行培养。活性污泥取自某污水处理厂曝气池。接种小球藻浓度为3.7×107个/mL，污泥浓度为8 631 mg/ L。

1.2 实验用水

以垃圾渗滤液原水和模拟的生活污水作为实验进水。垃圾渗滤液原水取自大辛垃圾填埋场，水质见表1。

表1 模拟污水与垃圾渗滤液主要污染物浓度Tab.1 Concentration of main contaminants in simulated sewage and landfill leachate mg· L-1

模拟污水的主要成分为：CH3COONa，384.6 mg/L；KH2PO4，47；NH4Cl，152.7 mg/L；NaHCO3，300 mg/L；MgSO4·7H2O，75 mg/L；CaCl2·2H2O，36 mg/L；柠檬酸铁铵，6 mg/L；EDTANa2，1 mg/L。另外添加微量元素，并以少量NaOH溶液调节pH值，微量元素浓缩液的成分为：H3BO3，2.86 mg/L；MnCl2·4H2O，1.86 mg/L；ZnSO4·7H2O，0.22 mg/L；Na2MoO4·2H2O，0.39 mg/L；CuSO4·5H2O，0.08 mg/L；Co(NO3)2·6H2O，0.05 mg/L。

1.3 实验方法

将4个容积为2 L的反应器分别置于磁力加热搅拌器上，调节温度为27 ℃，以转速150 r/min保持反应器内液体恒定混合，以避免污泥沉积。使用2个紧凑荧光灯管，置于反应器上方，以约4 000 lux的光强对反应器进行12 h光照∶12 h黑暗循环照射。

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 污染物的去除

如图1.a所示，8∶1、4∶1、1∶1、1∶4藻菌比下COD最大去除率分别为83.9%、95.4%、96.5%和91.8%。虽然无额外曝气，但在4∶1、1∶1和1∶4的比例下，COD去除率仍然较高，节省了运营成本。

图1 不同藻菌比下对污染物的去除效果Fig.1 Removal of pollutant under different bacteria-algae ratio

在有活性污泥和微藻的反应器中，微藻光合作用提供氧气有助于异养菌矿化，从而提高了对COD的去除效率。DO浓度是影响异养好氧菌呼吸和降解COD的因素，但1∶4和1∶1藻菌比下的DO不是最高的。因此微藻和活性污泥之间可能存在一种不只CO2/O2气体交换的互利作用，从而改善活性污泥的矿化。当藻菌比为8∶1时，虽然COD从526.3 mg/L降至84.4 mg/L，但COD去除率较低，反映了活性污泥的缺乏和微藻对COD的去除作用不足。Roudsari等[4]认为活性污泥在混合系统对COD的去除中起到了主要作用。由于代谢产物随时间积累以及微生物后期解体，出现COD浓度升高的现象，Travieso Córdoba等[10]也发现了类似的现象。

小球藻浓度决定其光合效率，通过光合作用吸收氮磷，因而影响污染物去除效果[12-13]。藻类浓度较低时，光合作用效率与微藻浓度成正比；当微藻浓度过高时，由于藻类对氧气的竞争性消耗，处理效率开始下降[14]。一般来说微藻在生物同化过程起主导作用[15]，然而实验发现去除效果在藻菌比8∶1下均表现较差，这可能因为微藻本身接种比例较高，生长到一定密度后，相互掩蔽堆积的藻类就会受光照限制，抑制光合作用。此外，该实验模拟自然光照条件，高密度藻类在黑暗条件下的呼吸作用也与活性污泥竞争O2[16]。可见接种物中藻菌比过高或过低都不利于污染物去除。

2.2 菌藻生物量的变化

藻菌比对共生小球藻、污泥生长的影响如图2所示。小球藻叶绿素a含量分别增加了0.77，1.24，0.79和0.68 mg/L。叶绿素a可以反映微藻的生物量，8∶1藻菌比下的反应器叶绿素浓度增加并非最大。这是因为此反应器活性污泥数量较少，CO2供应不足，对光合作用不利。此外，高密度藻类营养物质竞争大，死亡的藻类作为有机物被活藻降解，导致叶绿素减少。高污泥浓度的反应器也会遮挡光线射入，导致光合效率下降，藻类暗呼吸使O2消耗增加，从而导致藻类生长减缓。

图2 不同藻菌比下叶绿素a和TSS的变动特征Fig.2 Change features of chlorophyll a and TSS under different bacteria-algae ratio

接种小球藻后，TSS基本先增加，分别增加了451，515，279和207 mg/ L，在后期有大致相同幅度的下降，然而叶绿素a呈现明显上升的趋势，说明污泥量减少是共生系统中TSS下降的主要原因。营养物质和氧气的缺乏降低了污泥的活性。

2.3 pH和DO的变化

图3 不同藻菌比下pH、DO和浊度的变动特征Fig.3 Change features of DO, pH and turbidity under different bacteria-algae ratio

4个藻菌比下，DO的变化有所不同。开始时，通过曝气将反应器中的DO增加到约3 mg/L。在较高污泥比例反应器中，第一天DO几乎降到0。说明前期活性污泥呼吸代谢旺盛，藻类光合作用释放出的O2完全被消耗掉[14]，即细菌异养活性要高于微藻光合作用。后期DO有所恢复，1∶4比例下藻类低产，不能为活性污泥提供足够的O2，使得系统保持了较长时间的低溶解氧状态。高微藻比例反应器中DO一直保持在3～4 mg/L，由于微藻生物量的减少，第10 d左右DO开始逐渐下降。

菌藻反应器中，实验前期浊度较高，观察到上清液呈绿色、小球藻呈悬浮状态，反应器中还未形成稳定的菌藻共生体。实验结束时，沉降30 min后浊度均低于5 NTU，只有8∶1藻菌比下的浊度下降缓慢，最终保持在22 NTU，见图3.c。说明高含量的小球藻与活性污泥中细菌无法形成良好的菌胶团。一般小球藻平均直径为4.58 μm，具有可悬浮性，沉降性能较差。污泥可以吸收藻类细胞，防止藻类被冲走，污泥的 EPS 是由污泥细菌等微生物分泌的蛋白质、多糖等物质形成的大分子凝胶网状结构，其粘度与微生物聚集体的形成有关。通过与活性污泥结合，微藻能够形成更紧密结合的EPS吸附藻类，从而强化沉降性能[19]。此外，菌藻的可沉降性能也受到微藻细胞表面性质、阳离子量的影响[20]。

2.4 EPS分泌特性

EPS是微生物在一定条件下代谢产生的高分子聚合物，附着在细胞表面，主要成分为蛋白质(PN)、多糖(PS)和核酸等聚合物[21]，其中蛋白质和多糖之和占EPS总量的70%以上。PN和PS含量以及PN/PS如图4所示。EPS含量分别为72.5，96.1，83.2和79.1 mg/g SS，最高和最低含量对应的藻菌比分别为4∶1和8∶1，因为EPS可以作为碳源被细菌利用，在较低的DO浓度下，微生物更容易释放EPS，而DO较高(图3.b)时微生物则更倾向于利用EPS。此外，EPS对污染物去除有正向影响[22]。因此，在藻菌比4∶1下，最高的营养物去除效率可能与最高的EPS浓度有关。有研究认为PN的高疏水特性和表面电负性对菌藻颗粒化有着促进作用[23]，实验也发现不同藻菌比例间的PN浓度差异明显，在43.8～63.8 mg/g SS不等，PS差异不大。利用PN/PS可以判断菌藻颗粒的疏水性[24]。同样4∶1下PN/PS最高为1.94，菌藻共生体疏水性好，微生物与水相易分离，聚集效果好，出水浊度最低(图3.c)。