生物法去除坝上地区生活污水中氮磷的试验研究

马志强 宋彩瑜

摘 要：以张家口坝上地区生活污水为研究对象，采用微藻水棉与微生物EM菌剂协同作用处理坝上地区生活污水，探究坝上生态环境脆弱地区污水中EM菌群和微藻水棉的脱氮除磷能力以及在藻菌共生系统中EM菌群对微藻水棉生长的影响。结果表明：微藻水棉与EM菌群共生系统在處理坝上地区污水中氮磷过程中存在协同作用，且体系中EM菌群的加入量与微藻水棉的生物量增长在一定区间内呈正相关。生活污水经离心稀释后调节初始pH为7.5，装液量为10 L，接入6%的微藻水棉藻悬液，6%EM菌液，于25℃，光照16 h/d条件下培养5 d。污水中总氮降解率达到89.2%，总磷降解率达到84.4%，好于微藻水棉单独作用污水效果，结果符合地表水环境质量Ⅴ类标准。

关键词：生活污水；微藻水棉；EM菌剂；氮磷；坝上地区；张家口

中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）01-00-06

0 引言

内蒙古高原南缘的张家口坝上地区气候特征为干旱、少雨、多风沙，年均降量水仅330 mm左右，年均蒸发量高达1700 mm，属于典型资源性缺水地区，几乎无法形成地表径流。目前在张北坝上地区限制超采地下水与农业生活节水的报道较多，在处理城镇生活污水用于补充地表水的报道甚少[1-2]。坝上地区生活污水主要来源是日常生活的厨房、淋浴以及洗涤等生活用水，其特点水量稳定可以作为地表水的补充水源，但其氮、磷含量较高，如果直接排放会加剧河流、水库水体的富营养化，势必会对坝上地区脆弱的水生态环境造成严峻威胁[3-5]。张北坝上地区作为首都水源涵养功能区和生态环境支撑区的重要区域，如何加快推进该地区水生态环境恢复，提升水生态承载力的问题显得尤为突出紧迫[6-7]。

生物法的藻菌共生体系能对污水中的氮、磷等营养物进行深度处理，其特点是高效、绿色、经济，是近年来污水处理的又一发展趋势。宋志伟等利用斜生栅藻与好氧颗粒污泥的共生体系处理模拟污水，NH3-N 以及TP去除率分别为 87.64%、91.35%，优于单独的斜生栅藻和单独的好氧颗粒污泥[8]。陈志华利用螺旋藻与活性污泥构建藻菌共生体系处理模拟污水，TN、TP除率可达87.82%和77.11%，且出水水质显著优于单一的微藻法和活性污泥法[9]。在不引入过多的化学试剂，不加剧坝上地区脆弱水生态承载力的前提下，采用生物法处理坝上地区生活污水是合适的方法之一。本研究以张北坝上地区实际生活污水为研究对象，其成分组成较模拟污水更为复杂。采用坝上地区原生物种微藻水棉与复杂、稳定、高效的微生物EM菌剂协同作用处理坝上地区生活污水，对坝上独有的日照时间长、季节变化显著、水生态环境脆弱等独特的环境更具有针对性和适应性。探究坝上生态环境脆弱地区污水中EM菌群和微藻水棉的脱氮除磷能力以及在藻菌共生体系中EM菌群对水棉生长的影响，旨在为具有独特气候和脆弱水生态环境的坝上地区的生活污水再利用提供可鉴依据。

1 材料与方法

1.1 材料

水棉：张北县东洋河河道筛选物种；EM菌剂：实验室保留菌种；试验用生活污水：取至张北东洋河污水出水口，离心（10000 r/min，10 min）取浅黄色上清液（总氮：43.667.7 mg/L，总磷：7.2～13.8 mg/L）稀释至总氮：20 mg/L， 总磷：2.5 mg/L备用。

1.2 方法

1.2.1 培养基制备

（1）水棉培养液：试验用生活污水过滤稀释至总磷35～45 mg/L，总氮7.5～8.5 mg/L，湿热灭菌（121℃，20 min），冷却放置待用。

（2）EM培养基：酵母浸膏1 g，蛋白胨2 g，葡萄糖2 g，蒸馏水100 mL，湿热灭菌（121℃，20 min），冷却放置待用。

1.2.2 水质监测方法

总氮（TN）：GB 11894—89碱性过硫酸钾-紫外分光光度法；总磷（TP）：GB 11893—89钼酸铵分光光度法 [10]。试验设置未接种水棉与EM菌液的空白实验，计算结果为扣除空白值。

R= （C0-Ct）/C0×100% （1）

式中：R—降解率；C0—TN或TP起始浓度，mg/L；

Ct—t时间后TN或TP的浓度，mg/L。

1.2.3 生物量的测定

试验末期，取一定体积水棉污水混合液，离心（10000 r/min，10 min）收集水棉细胞，再加入一定体积的蒸馏水洗涤，重复3次。将离心收集的藻体放入烘箱，在105℃干燥至衡重，取出置于干燥器内，待冷却至室温后，用精密分析天平称量[11]。

r= （M0-Mt）/M0×100% （2）

式中：r—生物量增长率；M0—起始生物量，mg；Mt—t时间后生物量，mg。

2 结果与分析

2.1 pH值对测得生物增长率及污水处理效果影响

调节试验用生活污水的不同初始pH（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5和8.0），装液量为10 L，接入6%的水棉藻悬液，接入6%EM菌液，于25℃、每日光照16 h条件下培养5 d，测得生物量增长率及污水处理效果见图1、图2。

由图1、图2可知：在调节初始pH值7.5的弱碱性条件下，水棉、EM菌群系统中水棉的生物量增长率和污水中TN、TP的去除率显著增高。原因可能是pH值偏碱性水体中有利于水棉捕获大气中的CO２进行光合作用。有学者认为氮的去除主要有藻类同化吸收和氨氮挥发两条途径，氨态氮和硝态氮是藻类生长的主要氮源[12]。同时pH值升高也能促进氨氮的挥发，pH值升高，水棉的光合作用增强，会在水体中释放出大量氧气，这有利于EM菌群中的硝化细菌进行硝化反应，生成可以供水棉利用的硝态氮。另外氨态氮、硝态氮、亚硝态氮能在厌氧条件下经过反硝化作用将其转变为N2，从而实现污水中氮的去除。有学者认为磷的去除机理主要是藻类同化吸收和化学沉淀作用[13]。张北坝上地区污水硬度大，Ca2+，Mg2+含量丰富，pH值升高有助于形成磷酸盐的化学沉淀。

2.2 温度对测得生物量增长率及污水处理效果影响

在初始pH为7.5，装液量为10 L的培养基中，接入6%的水棉藻悬液，接入6%EM菌液，于不同温度下（10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、和40℃），每日光照16 h条件下培养5 d。测得生物量增长率及污水处理效果见图3、图4。

温度对水棉的生长有显著影响，有学者认为，温度可以影响微藻细胞生理活动的活性和其对水体营养物质的利用率，这两种影响方式并存，是共同作用又相互竞争的关系[14]。由图3、图4结果可知：低温和高温均对水棉的生长有一定的抑制作用，并且随着温度逐渐升高，生活污水中总氮和总磷的降解率随之增大，在20～30℃间总氮和总磷的降解率均超过80%，在此温度区间，水棉和细菌均有较高的生长速率和对氮、磷的同化率。水棉在25℃下生长最佳，水棉达到最高生物增长量。当培养温度超过35℃时，水棉的生物增长量降低，TN、TP降解率随之降低，原因可能是由于温度较高，加速了水棉细胞和菌体细胞的死亡，细胞中富集的氮磷扩散进入水体造成。

2.3 EM菌液接入量对测得生物量增长率及污水处理效果影响

在初始pH为7.5，装液量为10 L的培养基中，接入6%的水棉藻悬液，设置不同EM菌液接入量（0%、2%、4%、6%、8%和10%），于25℃，每日光照16 h条件下培养5 d。测得生物量增长率及污水处理效果见图5、图6。

由图5、图6可知：随着EM菌液接入量的增加，水棉的生物量增长量和总氮、总磷的降解率在EM菌液接入量≤6%的区间中均升高，呈正相关。水棉与EM菌群间可能存在复杂的相互作用关系，EM菌群中适宜的细菌对于水棉生长及污水中氮，磷的去除发挥显著作用。水棉与EM菌群共生系统有助于提高水棉的生物量。说明在污水处理过程中EM菌群可能参与了水棉对氮、磷的代谢过程，或者存在EM菌群直接代谢氮，磷的可能[15]，亦或者水棉与EM菌群共生系统可能改变水体环境，有助于磷酸盐的沉积和氮的氨化、硝化和反硝化反应 [16]。有研究发现，在菌藻共生系统中藻类生长更快，生物量更高，对污水中氮磷的去除效果也比纯藻系统更好[17]。也有研究发现，菌藻的协同关系并不是绝对的，它会随种群密度、碳源、光照等条件而变化，当某一条件发生改变时菌藻之间由协同关系转为适当的营养竞争关系，从而抑制了彼此的生长繁殖 [18]。在本试验中，EM菌液接入量上升至6%后，水棉的生物量增长和总氮总磷的降解率均不显著。故选EM菌液接入量为6%为实验后期确定的适宜接种量条件。

2.4 每日光照时长对测得生物量增长率及污水处理效果影响

在初始pH为7.5，装液量为10 L的培養基中，接入6%的水棉藻悬液，接入6%EM菌液，于25℃，设置不同每日光照时长（0 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h）条件下培养5 d。测得生物量增长率及污水处理效果见图7、图8。

菌藻共生系统运行机理是二者互利共生，藻类通过光合作用释放有机物支撑细菌生长，细菌消耗有机物释放CO2促进藻类光合作用，因此适宜的光照条件是共生系统必须考量的环境因素。有研究表明光照对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态等都有重要影响，不同的微藻都有最适于其生长的最佳光照环境。微藻吸收氮磷的速率与其生长情况有关，需要一个合适的光照环境，即较高的光照会对微藻的光合作用产生抑制作用，而较低的光照则会直接抑制微藻的生长[19-20]。

由图7、图8发现：通过调整每日光照作用时长，水棉生物量增长量随光照时间的增加先增大后回落。这可能是因为增加光照时长可以在一定程度上影响水棉生物量增长，但由于藻类需要通过不断调节自身酶促反应去逐渐适应光照环境来进行光合作用，因此每日光照时间增长到一定限度会对藻类生长产生抑制效果。

2.5 培养时间对测得生物量增长率及污水处理效果影响

在初始pH为7.5，装液量为10 L的培养基中，接入6%的水棉藻悬液，接入6%EM菌液，于25℃，每日光照16 h条件下设置不同培养时间（0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6d、7d）。测得生物量增长率及污水处理效果见图9、图10所示。

由图9、图10可知：微藻水棉生物量的主要增长期、TN和TP的主要去除期主要集中在前3 d，且TN和TP去除率与水棉生物量的变化趋势一致。水棉、EM菌群系统在最优化条件下培养5 d，水棉生物量增长量最高达到349%，污水中TN去除率最高达到89.2%， TP去除率最高达84.4%。有研究发现，在藻菌共生体系中调节微藻与细菌的初始接种比为9：1时培养后期高浓度污水中总磷与氨氮的去除率分别达到85.98%和81.03%[21]。主要原因可能是培养前期污水中氮、磷浓度高为水棉、EM菌群系统活动提供了充足养分，因此培养前期表现出较强氮磷去除活性。培养后期水棉生物量增长量、TN和TP去除率均出现回落，原因可能是随着水棉生物量的增加，水体透光性降低，藻细胞对光的利用降低，减缓了细胞分裂，从而抑制了水棉同化氮磷的过程[22]，污水中供水棉和EM菌群生长必须的营养物质浓度降低导致的水棉和EM菌群自然凋亡，凋亡后的生物细胞溶解释放氮、磷进入水体导致污水中TN和TP去除率出现回落。

3 讨论

3.1 微藻作用污水的脱氮除磷效果

当前在水处理微藻中，学者普遍关注度较高的有球藻类、螺旋藻类、栅藻类等。本实验中，在不引入EM菌剂，微藻水棉于25℃，每日光照16 h条件下作用于pH为7.5、TN浓度20 mg/L、TP浓度2.5 mg/L的张家口坝上地区生活污水5 d，TN与TP的降解率分别可达68.5%和57.4%，水棉生物增长率达203%。有研究发现，在固定化小球藻对鸡场污水处理中加入700粒小球藻胶球，氨氮、硝氮、总磷的去除率分别达到56%、75%、54%[23]。李超等研究四尾栅藻和蛋白核小球藻对模拟生活污水氨氮、总磷和总氮的去除效果，发现蛋白核小球藻对氨氮58.34%和总磷51.09%的去除效果优于四尾栅藻对氨氮43.66%和总磷41.52%的去除效果。四尾栅藻对总氮的去除效果78.33%优于蛋白核小球藻76.67%[24]。陈正杰等研究螺旋藻对沼液的净化效果，结果表明螺旋藻在适宜条件下处理较低浓度沼液，TN和TP的去除率88.9%和84.1%[25]。从氮磷去除效果来看，微藻水棉在当前主流微藻中水处理效果不是最为突出。但本实验中，张北县东洋河河道筛选物种微藻水棉对坝上地区生活污水的成分组成、浓度、环境等具有较好的适应性和较强的脱氮除磷能力，能很好的达到脱氮除磷的预期效果。

3.2 EM菌群作用污水的脱氮除磷效果

20世纪80年代以来，学者们对EM菌群的的研究报道不胜枚举。利用EM菌群作用于污水有处理效果显著、水温变化相对稳定等优点。有研究发现，在利用EM菌液处理富营养化源水过程中，按EM/源水=1/10000比例投加EM菌液并辅以低速间歇式曝气处理8～9 d后，源水中TN和TP的降解率分别达到45.25%和55.48%，明显优于空白静置和空白曝气处理，且处理后水质接近国家地表Ⅳ类水质标准[26]。本实验中，在最适宜条件下，扣除水棉微藻自身的脱氮除磷能力，EM菌群参与协同除去氮磷能力分别为20.7%和27%，EM菌群参与降解氮磷能力低于上述报道。这也反应出EM菌群在不同条件的气候、温度、水质下的处理效果不同，其降解废污水中有机物分子的机制以及反应过程的动力学规律等仍是学者们今后重点关注的问题。

3.3 藻菌体系作用污水的脱氮除磷效果

张家口坝上地区属于典型的水资源匮乏地区，取至地下水的生活用水中Ca2+、Mg2+含量较高，加之其独特的少雨、干旱、多风、强光照、水生态物种单一等气候环境特点，形成了生活污水具有有机物组成分子量较大、成分复杂，且浓度较高、碱性偏大的特点。微藻水棉与EM菌群共生系统在处理坝上地区污水中氮磷的过程中存在协同作用关系，且体系中EM菌群的加入量与微藻水棉的生物量增长在一定区间内呈正相关。坝上地区生活污水经离心稀释至TN浓度为20 mg/L， TP浓度为2.5 mg/L，调节初始pH值为7.5，装液量为10 L，接入6%的水棉藻悬液，接入6%EM菌液，于25℃，每日光照16 h条件下培养5 d。污水中TN降解率达到89.2%，TP降解率达到84.4%，微藻水棉生物量增长率为340%，好于微藻水棉单独作用污水效果，结果符合地表水环境质量Ⅴ类标准。肖伟等通过人工模拟城市污水，选取3种污水处理中常用细菌地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和沼泽红假单胞菌与小球藻构建藻菌共生体系，探究了不同细菌对小球藻生长以及污水脱氮除磷效率的影响。结果显示在3个共生系统中，地衣芽孢杆菌－小球藻共生系统中小球藻生物量最高，总氮和总磷去除率分别达到79.84%和83.48%，显著高于小球藻单独培养试验组[27]。说明在对污水处理过程中，藻类和细菌等微生物之间存在复杂的关系， 它们可以组成一个微生态系统，各物种间可能竞争环境中的营养物质而相互抑制，也可能相互利用依赖形成互惠体系，本实验中，物种间的这种相互作用关系是污水中的氮磷等成分的降解效果的主要成因。

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Experimental Study on Removal of Nitrogen and Phosphorus from Domestic Wastewater by Biological Methods in Bashang Area

MA Zhi-qiang， Song Cai-yu

（1. Zhangbei Bureau of Water Affairs， Zhangjiakou Hebei 075000，China）

Abstract： This experiment took domestic sewage in Bashang area in Zhangjiakou as the research object. The sewage was treated by the synergistic action of Spirogyra and EM. The removal ability of nitrogen and phosphorus was investigated by EM and Spirogyra in wastewater in the fragile ecological environment area and the effect of EM on the growth of Spirogyra in algal bacteria symbiotic system. The results showed that under the synergism of effect between Spirogyra and EM symbiotic system in the treatment， the amount of EM flora added in the system was positively correlated with the biomass growth of Spirogyra in a certain range. After centrifugal dilution， the initial pH value of domestic sewage was adjusted to 7.5 with the liquid volume was 10L at incubation amount 6% Spirogyra and 6% EM， at 25℃ for 5 days under 16 h/d light of condition. The degradation rate of TN and TP reached 89.2% and 84.4% respectively. It was better than the effect of Spirogyra on sewage alone. The results met the Class V standard for the quality of water environmental standard.

Key words： domestic sewage; spirogyra， EM; nitrogen and phosphorus; BaShang area; Zhangjiakou

作者简介：马志强（1984-），男，河北张家口人，硕士学位，工程师， 研究方向水环境污染与防治。

通信作者： 宋彩瑜（1982-），女，工程师，硕士学位，研究方向食品药品分析检测。