载体对菌藻共生系统净化农田排水效果的影响

赵志毅，秦弋丰，陈明晟，吴仁铭，刘书畅，罗丽洁，李旭东

（上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

农业面源污染作为水环境恶化的重要原因，近年来己成为国内外关注的热点[1]。与点源污染相比，农业面源污染具有随机性、不确定性、分散性、隐蔽性、时空异质性等特点[2]。农田排水作为农业面源污染的主要载体，直接排放易造成水体富营养化[3]，因此，对农田排水进行处理十分必要。但农田排水具有低碳高氮特点，且瞬时流量大[4]，较难处理。

针对上述问题，本研究构建了载体型菌藻共生系统，该系统主要利用细菌和藻之间的生理协同作用净化污水。具体机制为：水体中的藻类通过光合作用释放O2，细菌利用O2将水中的有机物污染物分解为小分子物质，这些物质提供了藻类生长所需要的营养物质，从而促进藻类进行光合作用；藻类利用空气中的CO2进行光合作用，可部分弥补农田排水中碳源不足的缺陷；水体中CO2的减少会提高pH，促进的挥发和磷的沉淀。载体的引入可以为菌、藻提供更多的附着空间，提高单位体积的生物量和污染物去除的稳定性，且更利于藻类的收集[8]。相比于其他处理工艺，载体型菌藻共生系统占地更少，运行管理更便捷，氮磷去除效果更稳定。海藻酸钙作为载体固定小球藻时，和TP的净化效率比悬浮态藻分别高26.14%和35.91%[9]。细叶莎草和苦草作为水生植物，不仅可以用作绿化景观植物，同时对氮磷有较好的吸收作用：细叶莎草对TN和TP的吸收量可达59.6 g·kg-1（干质量）和8.28 g·kg-1（干质量）[10]；苦草、金鱼藻和狐尾藻这三种沉水植物组配种植时，TN去除率达到了70%，TP去除率达到了50%[11]。

本研究采用软性纤维生物绳、细叶莎草、苦草作为载体，探究载体型菌藻共生系统处理农田排水的可行性，重点考察不同类型载体及其密度的菌藻共生系统处理农田排水TN、TP、、COD 的效果，为建立可靠、稳定的农田排水处理工艺提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

试验工艺流程及装置如图1、图2 和图3 所示，装置由调节池、蠕动泵、菌藻共生反应器、载体等组成。分别选用细叶莎草（Cyperus rotundusL.）、苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）、软性纤维生物绳（聚烯烃聚酰胺复合材料，以下简称“纤维绳”）作为载体，并以无载体的菌藻共生系统作为空白对照（CK）。其中：细叶莎草采用在两端种植的方法，水面覆盖率控制在30%，超过30%时人工修剪；苦草的种植间距为0.1 m，整个系统内部大约种植40株，若种植太密，遮光作用明显，将会影响系统内的光合作用和处理效果[12]；纤维绳作为载体时设置10%、20%和30%三个填充体积密度，密度超过30%时纤维绳之间相互缠绕，空间拥挤，影响系统光照条件，不利于藻类繁殖。菌藻共生反应器尺寸为1.25 m×0.4 m×（0.4 m/0.7 m），由不锈钢板焊接而成，装置底部和顶部均设有钢质框架，纤维绳上下两端分别固定在框架的格点上。在细叶莎草和苦草的系统中，菌藻共生反应器高度为0.7 m，底部铺设0.3 m 泥土以种植植株，反应器四角成45°倒角，并在中间设长为1.05 m 的隔板，使反应器内形成环形廊道，每个反应器有效水深0.36 m，有效容积172.8 L，装置内设有搅拌桨，控制水流速度为0.45 m·s-1，以利于菌藻的生长繁殖和老化的生物膜脱落。各套装置放置于室外阳光充足处运行。

图1 纤维绳-菌藻共生系统工艺流程图Figure 1 Process flow chart of fiber rope-bacteria and algae symbiosis system

图2 细叶莎草-菌藻共生系统工艺流程图Figure 2 Process flow chart of Cyperus rotundus L.-bacteria and algae symbiosis system

图3 试验装置图Figure 3 Actual drawing of test device

1.2 试验用水

试验用水为人工配制，在自来水中投加一定比例的尿素、葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等，模拟农田排水低碳高氮、水质不稳定的特征[4，13]，碳氮磷的比值控制在100∶20∶1左右，试验用水水质参数如表1所示。

表1 试验用水水质参数Table 1 Water quality parameters of the test water

1.3 试验运行管理

试验装置运行期间平均气温为25 ℃，试验开始前运行装置5 d，培养藻类，进行挂膜[14]，人工配水存储于调节池（不锈钢储水箱，单个有效容积为1.0 m3，共2 个，各组装置共用）中，用蠕动泵抽入菌藻共生系统内，经处理后排出，水力停留时间（HRT）为2 d[7]，24 h 连续进水、连续搅拌，系统正常运行后，每2 d 取进出水样一次，取样时间固定为上午10：00，采样后于当天进行水质指标分析。

1.4 测试指标与方法

总氮（TN）采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法、氨氮（）采用纳氏试剂分光光度法、硝态氮（）采用紫外分光光度法、化学需氧量（COD）采用快速消解分光光度法测定，叶绿素采用叶绿素测定仪现场测定，pH 采用便携式pH 测定仪（TM40）测定，溶解氧（DO）采用便携式DO测定仪（DO-6800）测定。

藻类的含量通过叶绿素浓度表征[15]，在系统进水口、池中、出水口附近各测定一次，取平均值作为系统内的叶绿素浓度。

2 结果与讨论

2.1 载体类型对藻类浓度及污染物去除的影响

2.1.1 载体类型与叶绿素浓度

藻类均含有叶绿素，因此藻类浓度可通过叶绿素浓度来间接反映。运行周期内不同载体系统中叶绿素平均浓度如图4所示。

图4 不同载体系统中的叶绿素平均浓度Figure 4 The average concentration of chlorophyll in the system under different carriers

由图4 可知，30%纤维绳-菌藻共生系统中的叶绿素浓度明显高于其他载体系统，平均达到了500 μg·L-1，其次为苦草-菌藻共生系统，平均浓度为106 μg·L-1，而在细叶莎草-菌藻共生系统中叶绿素含量最低，平均浓度只有46 μg·L-1，低于空白组菌藻共生系统（68 μg·L-1），这与高云霓等[16]研究得到的高等挺水植物细叶莎草的遮阴作用和化感作用对藻类生长具有明显抑制作用的结果一致。苦草因沉于水面以下，与细叶莎草相比，遮阴作用较弱，因此与藻类表现出一定的共生性。

2.1.2 载体类型与磷的去除

运行周期内不同载体系统进出水中TP浓度如图5 所示。由图5 可知，进水中TP 质量浓度在0.35～1.67 mg·L-1之间，平均值为0.73 mg·L-1，空白组菌藻共生系统、30%纤维绳-菌藻共生系统、细叶莎草-菌藻共生系统和苦草-菌藻共生系统出水TP 平均值分别为0.24、0.14、0.25 和0.25 mg·L-1，4 个系统的TP 平均去除率分别为67.12%、81.02%、65.75%和65.75%。细叶莎草和苦草作为载体时，系统对TP 的去除效果与空白组相当；而当纤维绳作为载体时，系统对TP的去除效果明显提升。

图5 不同载体系统TP的去除效果Figure 5 TP removal effect under different carriers

图6 为30%纤维绳-菌藻共生系统24 h 内pH 变化情况，夜间pH 值稳定在8.0 左右，白天随着光合作用的增强，pH 值上升，在午后达到峰值（约9.3），高pH 值会促进磷的化学沉淀[14]。纤维绳作为载体时，系统中藻类浓度明显提升，对磷的同化吸收和化学沉淀作用更加明显。

图6 30%纤维绳-菌藻共生系统24 h内pH变化图Figure 6 pH change in 30%fiber rope-bacteria and algae symbiosis system within 24 h

2.1.3 载体类型与氮的去除

表2 不同载体系统TN、的平均去除率Table 2 Average removal rates of TN and in different carrier systems

表2 不同载体系统TN、的平均去除率Table 2 Average removal rates of TN and in different carrier systems

2.1.4 载体类型与COD的去除

运行周期内不同载体系统进出水中COD 浓度如图7 所示。由图7 可知，进水中COD 在47.65～115.00 mg·L-1之间，平均值为73.69 mg·L-1，空白组菌藻共生系统、30%纤维绳-菌藻共生系统、细叶莎草-菌藻共生系统和苦草-菌藻共生系统出水COD 平均值分别为25.73、19.17、16.65 mg·L-1和26.52 mg·L-1；4个系统的COD 平均去除率分别为65.08%、73.99%、77.40%和64.00%。水中的藻类本身是有机质，因此随水流出的藻类越少，COD 浓度越低。载体对藻类具有固定作用[19]，因而纤维绳-菌藻共生系统出水中COD 浓度较低，平均去除率提高。由于高等水生植物对藻类的生长有抑制作用[20]，细叶莎草会降低出水中的COD 水平。

图7 不同载体系统COD去除效果Figure 7 COD removal effect under different carriers

2.2 载体密度对藻类浓度及污染物去除的影响

2.2.1 载体密度与叶绿素含量

运行周期内纤维绳密度与叶绿素平均浓度如图8所示。由图8可知，随着纤维绳密度的增加，系统中叶绿素的平均含量也随之升高，纤维绳的添加为微生物和藻类提供了更多的生长繁殖空间，使得更多种类和数量的微生物得以生长，而微生物释放出的某些物质会促进藻类的增殖[21]。

图8 载体密度对叶绿素平均浓度的影响Figure 8 Effect of carrier density on average concentration of chlorophyll

2.2.2 载体密度与磷的去除

运行周期内不同载体密度系统对TP的平均去除率如表3 所示。由表3 可知，空白组TP 的去除率为67.12%，在引入纤维绳（10%）作为载体后，TP 的去除率达到了76.43%，提升了近10个百分点，当载体密度为20% 和30% 时，TP 的去除率分别为79.56% 和80.82%，相比于载体密度为10%时，TP的去除率增长缓慢，由此可知，在10%～30%填充密度范围内，纤维绳密度的增加对TP的去除效果影响不明显。

表3 不同载体密度下TP的平均去除率Table 3 Average TP removal rate under different carrier density

2.2.3 载体密度与氮的去除

运行周期内不同载体密度系统进出水中TN浓度如图9 所示。由图9 可知，进水TN 的质量浓度介于14.25～17.45 mg·L-1之间，平均值为15.45 mg·L-1，空白组菌藻共生系统、10%纤维绳、20%纤维绳和30%纤维绳菌藻共生系统出水TN 平均值分别为4.49、4.26、3.18 mg·L-1和1.76 mg·L-1，4 个系统的TN 平均去除率分别为70.94%、72.43%、79.42%和88.61%。结合图8 可以得出，纤维绳密度的增加会提高系统内藻类的浓度，使得藻类对氮素的同化吸收作用增强，因此，TN的去除效果随着纤维绳密度的增加而提升。

图9 载体密度对TN去除效果的影响Figure 9 Effect of carrier density on TN removal

图10 不同载体密度系统中NO3--N浓度变化Figure 10 Effect of carrier density on NO3--N concentration

图11 载体密度对去除效果的影响Figure 11 Effect of carrier density on removal

图12 叶绿素浓度与出水中浓度的相关性Figure 12 Correlation between chlorophyll concentration and concentration in effluent

图13 是30%纤维绳-菌藻共生系统内24 h 溶解氧变化情况。白天藻类光合作用强，系统处于好氧状态，有利于硝化反应的发生；夜间藻类、细菌及其他微生物的呼吸作用强，系统处于缺氧状态，有利于反硝化反应的发生，硝化作用与反硝化作用如此昼夜交替，会促进氮素的去除。

图13 30%纤维绳-菌藻共生系统24 h内溶解氧变化Figure 13 DO change of 30%fiber rope-bacteria and algae symbiosis system within 24 h

2.2.4 载体密度与COD的去除

运行周期内不同载体密度系统对COD 的平均去除率如表4 所示。由表4 可知，空白组菌藻共生系统中COD 的平均去除率为65.08%，在引入纤维绳（10%）作为载体后，COD 的平均去除率达到了83.48%。可见，引入载体后，由于悬浮态藻类被部分固定，出水中藻类含量下降，使得COD 平均去除率提升，随着纤维绳密度增加，COD 的去除率出现了下降。这是由于增加载体密度使得系统中悬浮态藻类的含量大幅提高，而藻类被固定的增幅却有限，导致COD的去除率反而有所降低[22]。

表4 不同载体密度下COD的平均去除率Table 4 Average COD removal rate under different carrier density

3 结论

（1）纤维绳为载体、填充密度为10%～30%时，藻类浓度随密度的增加而提高，系统对TN、TP、的去除效果明显提升，其中，30%纤维绳系统效果最好。细叶莎草作载体时，系统对COD 去除率最高；苦草作为载体时，系统对各污染物去除效果均表现一般。

（2）30%纤维绳-菌藻共生系统中叶绿素浓度在500 μg·L-1以上，系统对农田排水处理效果最好，且具有较好抗冲击负荷能力。在水力停留时间为2 d，进水COD、TN、TP、的平均质量浓度分别为73.69、15.45、0.73、6.32 mg·L-1条件下，各污染物平均出水浓度分别为19.17、1.76、0.14、1.48 mg·L-1，整体达到了地表水Ⅴ类水质标准。

（3）随着运行时间的延长，载体型菌藻共生系统内硝化细菌会增殖，高密度的填料还会产生更多的微厌氧区，有利于反硝化作用的发生；系统内叶绿素浓度与出水中浓度呈显著的负相关关系，通过强化系统内藻类的浓度可有效提高氮的去除效果。