不同藻菌配比下菌藻共生去除水产养殖废水中氮磷的试验

郁 颖，吴 磊，李先宁，林 超，郑天怡

(东南大学能源与环境学院，江苏南京 210000)

针对水产养殖废水集中入河污染负荷高、水量大等特点，提出了“养殖废水-菌藻共生塘-水生动物塘-潜流人工湿地-养殖新水”的水产养殖水循环利用模式，以实现养殖废水的零排放。该系统通过把养殖水中溶解态的氮、磷转化为颗粒态的藻类，藻类再被滤食或过滤，从而达到去除氮、磷的目的。该系统中，养殖水氮、磷向藻类的转换率越高，越有利于氮、磷的去除，因此，菌藻共生塘是关键环节。

菌藻共生系统通过利用细菌和藻类的协同作用去除污染物。细菌代谢过程产生的CO2可作为微藻的碳源，藻类光合作用则为细菌提供了O2；细菌对有机物氧化分解，代谢产物(无机氮、磷化合物)成为藻类生长代谢过程所需的营养；微藻以溶解碳(DOC)的形式产生光合有机物，可作为细菌的碳源[1]。研究表明，菌藻共生系统中菌藻需要存在一定的比例关系[2]。若细菌和微藻配比在合适的范围内，细菌和藻类在CO2和O2的交换达到平衡，既保证细菌的代谢活动，又为藻类提供充足的碳源，使微藻具有更高的生物量[3]。菌藻共生系统中菌藻之间的数量配比不同，还影响其群落结构和代谢关系，从而影响藻类生长繁殖，导致不同的处理效果[4]。细菌和微藻配比过低或过高都不利于体系的构建。为此，针对水产养殖废水的水质特征，以小球藻和活性污泥构建了菌藻共生体系，探讨在不同的藻菌配比下小球藻的生长情况和氮、磷的去除效果，并研究氮的转化途径。通过试验结果确定最佳的藻菌配比条件，实现较高的微藻转化率和氮、磷去除率，为实际工程应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 菌藻及其培养方法

试验用的小球藻由东南大学实验室提供，将小球在蓝绿藻培养基(blue-green medium，BG11)中扩大培养至对数期，用离心机在转速为8 000 r/min、时间为5 min的条件下离心，倾去上清液，重悬浮后备用。

取污水厂活性污泥接种至营养肉汤培养基(nutrient broth,NB)作为菌种，培养至对数期，用离心机在转速为8 000 r/min、时间为5 min的条件下离心，倾去上清液，重悬浮后备用。

1.2 试验用水

对江苏省常州市武进区太滆运河附近的部分养殖水体进行为期一年的水质监测，结果如表1所示。

表1 太滆运河附近的部分养殖水体水质监测

1.3 处理工艺及试验装置

图1为水产养殖水循环利用系统流程。该系统首先通过菌藻共生单元，利用藻类对氮、磷的同化吸收作用，把养殖水中溶解态的氮、磷转化为颗粒态的藻类，出水依次排入水生动物滤食单元和水耕蔬菜人工湿地，利用水生动物对藻类的滤食作用、人工湿地对藻类的过滤作用去除藻类，实现有机物的生态化处理及氮、磷的有序转化与利用。本文仅研究菌藻共生单元。

图1 水产养殖水循环利用系统流程图

图2为菌藻共生单元试验装置示意图，设计廊道式菌藻共生反应器，主要由动力系统(桨轮、轴及电机)、箱体(有机玻璃)、光源(LED光源)及电控系统组成。菌藻共生反应器的有效容积约为80 L，池深为0.40 m，长为0.63 m，宽为0.32 m，由4条廊道构成，形成循环。在箱体上方布置150 W的LED灯模拟太阳光，光照强度为6 000 lux。光照时间通过时间控制器自动控制，光照周期为12 h∶12 h。反应器内温度平均为30.0 ℃。

图2 菌藻共生单元试验装置示意图

1.4 试验设计

1.5 分析方法

2 结果与讨论

2.1 小球藻生长情况

以叶绿素a的含量表征小球藻生长繁殖情况。图3为在不同藻菌配比下叶绿素a含量的变化情况。由图3可知，各试验组中小球藻经过48 h适应期，进入快速增长阶段，藻菌配比为5∶1的试验组叶绿素a增长最快，比增长速率最高为2.0 d-1，第8 d叶绿素a含量达到753.18 μg/L。藻菌配比为1∶5、1∶2、2∶1的试验组小球藻增长到一定程度后浓度有所下降，培养7 d后叶绿素a含量分别为338.50、141.00、482.70 μg/L。而藻菌配比为1∶1的试验组小球藻生长水平很低，平均值保持在33.49 μg/L。菌藻共生系统依赖细菌和藻类的协同作用，但菌藻之间也存在竞争和拮抗作用[7]，菌、藻会竞争营养物质，或者通过激发食藻生物，或者释放毒藻素[8]，抑制对方的繁殖。因此，针对特定的水质，菌藻配比存在一个适宜的比例，才能发挥共生的效益，获得藻类高产率的预期。

图3 不同藻菌配比下叶绿素a含量变化

同时，试验发现菌种投加量越大，越容易形成絮体。藻菌配比为1∶5、1∶2时形成大量絮体。絮体的形成有利于微藻的沉降收获，但是不利于微藻接触光照，影响藻类生长。同时，絮体的形成使藻类易于老化，观察发现试验持续7 d后，除了藻菌配比为5∶1时藻类会保持悬浮性、叶绿素a维持上升趋势之外，其余叶绿素a都有不同程度降低。

2.2 DCODCr的变化

图4为不同藻菌配比下DCODCr浓度变化情况。不同藻菌配比下，DCODCr都有较好的去除效果，在藻菌配比为5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5下，DCODCr去除率分别为68.90%、73.38%、77.3%、72.3%、73.42%，不同藻菌配比下，DCODCr去除率没有明显差异。有机物一方面在好氧细菌的代谢作用下合成自身细胞物质或者氧化分解为CO2，另一方面也为细菌的反硝化反应提供碳源。当藻菌配比为5∶1时，DCODCr去除率略低于其余4组，原因可能是微藻产生的光合有机物以DOC的形式部分排泄出细胞外，从而引起DCODCr浓度略有升高。

图4 不同藻菌配比下DCODCr去除率变化

2.3 TDP的变化

图5为不同藻菌配比下TDP含量的变化情况。藻菌配比为2∶1、5∶1时，TDP去除率均能达到90%；而藻菌配比为1∶1、1∶2和1∶5时，去除率分别为80.47%、50.47%和84.72%。可见，藻、菌均可吸收同化利用废水中正磷酸盐、合成磷脂、核酸、ATP等含磷有机物。藻菌配比为2∶1、5∶1时，TDP去除率差别并不大，说明在这种磷浓度水平情况下，藻菌配比为2∶1时藻类产率已可满足需要。另外，各组试验系统启动初期(1～3 d),TDP去除率波动大，与菌、藻生物量变化有关。试验前期藻类的产率较低，此时TDP的去除应主要是微生物迅速繁殖所致，试验中观察到系统中水体变混浊，产生大量絮状体，随着细菌的死亡TDP浓度又有所上升。此后，由于藻类的产率持续上升，TDP去除率与小球藻的生物量增减呈现相关性。

图5 不同藻菌配比下TDP去除率变化

2.4 水中氮的变化

表2 不同藻菌配比下氨氮和TN去除率

2.5 系统中氮转化途径

整个系统中氮形态的变化是联动的，通过估算了解系统中各形态氮相互转化途径。TN、颗粒有机氮(PON)、溶解有机氮(DON)和溶解性无机氮(DIN)之间的关系如式(1)。DON根据TDN和DIN的差值计算，PON根据TN和TDN的差值计算。将PON分为藻类有机氮(AON)和细菌有机氮(BON)，BON根据PON和AON的差值计算[9]。

TN=DIN+DON+PON

(1)

由于共培养时细菌的存在，培养液OD680无法准确反映微藻的生物量，一般情况下，一个藻种的叶绿素a的含量会维持在相对稳定的数值，可通过测量叶绿素a来反映微藻的生物量。根据叶绿素a浓度利用式(2)估算菌藻共生系统中藻类生物量[10]。

(2)

该方程假设藻类生物量具有恒定的叶绿素a含量，即干重的1.5%。通过假设藻类的化学计量法[11]，确定AON的量。假设微藻中含有9.2%的氮，计算藻类生物量AON的氮含量如式(3)。

AON=藻类生物量×9.2%

(3)

但是试验中发现5组试验系统中都有不同程度的氮损失，氮损失在27.84%～54.82%。系统中氮损失可能有两方面原因，一是异养硝化反应过程会产生中间产物从而造成氮损失，硝化过程中产生N2、N2O和NO，其比例可达氮去除率的10%以上[14]；二是可能存在同时硝化反硝化现象(SND)，即硝化反应和反硝化反应在同一反应器中、相同操作条件下同时发生[15]。当菌、藻共生形成絮体时，相当于细菌以微藻为基质，在基质表面上形成一层生物膜，会自然形成从表面到生物膜深层的好氧至缺氧的微环境梯度，这种同时存在微氧、缺氧、厌氧等状态的微环境[16]使得反硝化反应有可能发生。近年来在不少实际污水处理工艺过程中也都发现此现象，比如曝气生物滤池[15]、SBR反应器[18]、Orbal氧化沟[19]等，这些工艺在好氧条件下氮损失达30%。

菌藻共生系统的优势在于营养物质的交换，不需要外加碳源，水体中本身有机物和微藻为细菌硝化反硝化反应提供碳源。废水中CODCr质量浓度为60 mg/L左右。微藻也可以为细菌提供碳源，一方面微藻产生的光合有机物以DOC的形式部分排泄出细胞外，可作为细菌的碳源；另一方面，死亡的微藻通过葡糖苷酶、壳多糖酶、纤维素酶和其他酶的作用裂解后，又作为细菌的营养物质。

由图6可知，当藻菌配比为5∶1时，微生物脱氮和藻类同化作用为主要的氮去除机制，分别占总去除率的51.10%和48.50%。在藻菌配比为1∶5、1∶2、1∶1和2∶1的情况下，细菌硝化反硝化造成的氮损失分别占TN的72.70%、76.60%、62.10%和71.40%，藻类吸收的氮分别占氮去除率的30.20%、20.70%、-2.60%和34.30%。藻菌配比为1∶1时，由于藻菌竞争，微藻繁殖被抑制甚至死亡，死亡的藻细胞作为有机氮被细菌利用。微生物脱氮作用仍是系统脱氮的主要机制，不同的藻菌配比导致不同的氮磷去除机制。

图6 不同藻菌配比下各形态氮浓度变化

2.6 工程实例

“养殖废水-菌藻共生塘-水生动物塘-水耕植物人工湿地-养殖新水”的水产养殖水循环利用模式已在实际工程中得到应用，示范工程建设在江苏省常州市太滆运河附近，试验持续4个月。工程运行结果表明：菌藻共生塘在藻菌配比为5∶1的条件下，TN、TP和CODCr的平均去除贡献率分别为17.53%、18.56%和34.45%；水产养殖水循环利用系统对TN、TP和CODCr平均去除率达到54.26%、29.54%和50.38%，出水水质稳定达到或优于《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准。该水产养殖水循环利用模式达到净化和资源再利用的双重目标，实现了废水的零排放，有利于水产养殖业的绿色健康发展。

3 结论

(1)针对水产养殖废水集中入河污染负荷高、水量大等特点，提出了“养殖废水-菌藻共生塘-水生动物塘-潜流人工湿地-养殖新水”的水产养殖水循环利用模式，以实现养殖废水的零排放。该系统通过把养殖水中溶解态的氮、磷转化为颗粒态的藻类，再通过后续食藻、滤藻单元从系统中去除藻类，从而彻底从系统中去除氮、磷。工程实例表明，水产养殖水循环利用系统对TN、TP和CODCr平均去除率达到54.26%、29.54%和50.38%，出水水质稳定达到或优于《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准。

(3)藻类的同化作用是主要的磷去除机制。微生物脱氮和藻类同化作用为主要的氮去除机制，分别占总去除率的51.10%和48.50%。

(5)试验中发现氮损失在27.84%～54.82%。系统中的氮损失可能是异养硝化反应产生中间产物和发生同步硝化反硝化两方面原因。