COD對2種綠藻共培養(yǎng)處理農(nóng)村生活污水的影響

歐紅梅, 任學(xué)洋, 范景華, 朱瑋琪

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036)

農(nóng)村地區(qū)由于缺少污水收集和處理設(shè)施,排放的污水大部分未經(jīng)處理就直接排入附近河道,導(dǎo)致河流、湖泊呈現(xiàn)富營養(yǎng)化,成為影響農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量的主要問題[1-2]。農(nóng)村生活污水含有較高的氮、磷含量,但不含重金屬和有毒有害物質(zhì),可生化性較好[3],如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水的資源化利用,形成良性循環(huán),是迫在眉睫的問題。

藻類為自養(yǎng)型生物,能夠吸收氮、磷等營養(yǎng)物用于自身的生長繁殖,從而降低環(huán)境中的氮、磷含量。利用水體中藻類或藻類組合的自身特性進(jìn)行污水的處理和凈化,是一種高效生態(tài)修復(fù)技術(shù)。近年來,利用藻類處理污水的研究和應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[4-6]。研究發(fā)現(xiàn)小球藻和柵藻是高效藻類塘的優(yōu)勢藻屬[7],具有比較高的環(huán)境污染耐受性[8]。研究發(fā)現(xiàn),蛋白核小球藻和四尾柵藻在農(nóng)時(shí)生活污水中生長狀況良好且能夠有效地去除污水中的氮、磷,其中四尾柵藻對總氮去除率可達(dá)88.7%、蛋白核小球藻對總磷去除率達(dá)73.6%[9]。不同藻類去除氮磷的效率有差異,利用去除效率高的藻類組合處理污水,可以提高污水處理效率。錢磊[10]研究證明,不同藻類的組合可以實(shí)現(xiàn)藻類的優(yōu)勢互補(bǔ),微藻群落可以提高群落多樣性、保持微藻群落系統(tǒng)的穩(wěn)定性,相對于單一藻種有著更好的污染物去除效果。

農(nóng)村生活污水受生活習(xí)慣和降雨的影響,COD在不同的季節(jié)差異較大。黃翔峰等[11]研究發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)農(nóng)村生活污水的水質(zhì)受季節(jié)影響變化較大,夏季進(jìn)水COD低于250 mg/L,冬季進(jìn)水COD為250～400 mg/L,秋、冬季的有機(jī)物濃度較夏季高3～4倍。研究表明COD負(fù)荷的變化可以引起高效藻類塘內(nèi)藻類種群的變化,在低COD負(fù)荷下柵藻為優(yōu)勢種,在中、高COD負(fù)荷下主要藻種是絲狀藍(lán)藻、小球藻和柵藻[7]。而不同COD負(fù)荷對藻類生長和氮磷去除有無影響未見報(bào)道。本研究設(shè)置不同COD,通過投放蛋白核小球藻和四尾柵藻組合藻種,測定農(nóng)村生活污水中氮磷的去除率以及COD含量、葉綠素A含量、DO和pH變化,研究在不同COD下藻類對污水脫氮除磷的處理效果和藻類的生長狀況,為利用藻類高效處理污水提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidesa)FACHB-27和四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)FACHB-1476購于中國科學(xué)院淡水藻種庫。藻種在人工氣候箱中用BG11培養(yǎng)基擴(kuò)繁。培養(yǎng)條件:溫度為(25±1) ℃,光暗比為12 h∶12 h,每日早晚搖晃藻液瓶各1次。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)污水的配制 本研究采用人工模擬農(nóng)村生活污水。COD質(zhì)量濃度為250、300、400、500 mg/L,記為COD250、COD300、COD400、COD500,分別通過添加0.1、0.2、0.3、0.4 g/L葡萄糖配制。污水配方:葡萄糖(根據(jù)初始COD濃度分別添加)、0.03 g/L尿素、0.2 g/L氯化銨、0.02 g/L磷酸二氫鉀、0.4 g/L碳酸氫鈉、0.02 g/L七水硫酸鎂、0.02 g/L五水硫酸鈣、0.01 g/L六水三氯化鐵。

1.2.2 藻類處理污水試驗(yàn) 蛋白核小球藻和四尾柵藻按密度2∶1比例取藻液混合,投放后藻種初始密度約為1.5×105ind./mL。投放前將污水pH調(diào)至中性,3次重復(fù)。試驗(yàn)在(25±1) ℃的溫室進(jìn)行,光照時(shí)間設(shè)置為12 h。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和IBM SPSS 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,顯著性檢驗(yàn)水平設(shè)為P<0.05,采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻類生物量的變化

葉綠素A是藻類進(jìn)行光合作用的主要色素,其含量可反映藻類生物量和生產(chǎn)能力[15-16]。從圖1可以看出,在0～2 d試驗(yàn)水體中葉綠素A含量上升幅度較小,藻類處于適應(yīng)期,不同COD濃度的污水中葉綠素A含量差異不明顯,而此后2～6 d葉綠素A含量上升幅度較大,第4天不同COD濃度葉綠素A含量差異顯著,其中COD500處理上升幅度最小,各處理葉綠素A含量增長率隨COD初始值濃度增加而降低。此階段葉綠素A含量增加,表明藻類生物量增加,藻類生長狀況良好。第8天,COD250、COD300和COD400處理組的葉綠素A含量均出現(xiàn)明顯下降,COD400處理下降幅度較小,而COD500處理葉綠素A含量仍增加,且增加趨勢明顯(P<0.05)。COD250、COD300和COD400處理,由于前期藻體生物量增加迅速,隨著時(shí)間的延長,藻密度逐漸增加,藻體遮擋減弱了光強(qiáng),藻類的光合作用受到抑制。

圖1 葉綠素A含量的變化Fig.1 Change of chlorophyll A content

2.2 水體環(huán)境中pH的變化

由圖2可以看到,pH在0～2 d均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(P<0.05),2～6 d,COD400、COD500處理的水體pH顯著低于COD250、COD300處理的PH,這一階段COD250、COD300和COD400處理組pH均大幅度上升,而COD500處理組在2～4 d pH升高幅度較小,在4～6 d快速升高,上升幅度高于其它處理組。6～8 d pH出現(xiàn)明顯下降的只有COD250,其它處理組呈升高趨勢。處理的第8天,不同COD濃度的水體pH差異較小。

圖2 水體pH的變化Fig.2 Change of pH in water

2.3 水體中溶解氧的變化

水體中溶解氧含量高低可以用來判斷水生生物的生長狀況以及水體污染的情況[17]。圖3表明,在0～2 d,不同COD濃度的水體中溶解氧均顯著下降(P<0.05),其中COD250的水體溶解氧顯著高于其它處理組,COD初始質(zhì)量濃度高于250 mg/L的處理組,DO在第2天趨于0,且在2～4 d,DO上升幅度隨COD初始濃度增加而遞減。COD250和COD300處理的溶解氧含量在2～4 d、COD400在2～6 d而COD500在4～6 d是驟然上升的,其中COD400第4天的溶解氧顯著低于COD250、COD300處理組,而顯著高于COD500處理組;COD500在2～4 d水中溶解氧含量一直趨于0,處理第4～6 d,COD500溶解氧顯著低于其它處理組。由此看出,隨COD初始濃度的增加,水體溶解氧濃度的升高出現(xiàn)滯后,且影響時(shí)間隨著COD濃度的增加而延長。處理第8天,溶解氧含量均顯著下降,各處理組的溶解氧差異顯著,且溶解氧高低順序與COD初始值一致。根據(jù)葉綠素A含量判斷,此時(shí)藻類已有部分衰亡,光合作用減弱。

圖3 水體中溶解氧含量的變化Fig.3 Change of dissolved oxygen content in water

2.4 水體COD濃度的變化

由圖4可以看出,COD500處理隨著時(shí)間的延長,COD值有大幅度下降的趨勢,到第8天COD質(zhì)量濃度下降至168.9 mg/L;而COD250、COD300和COD400處理組在0～2 d內(nèi)變化不明顯,但2～8 d COD值一直呈下降趨勢。雖然水體初始的COD濃度不同,但由于不同濃度的水體COD值隨時(shí)間變化的幅度不同,到試驗(yàn)6～8 d,水體COD值差異不明顯。

圖4 水體COD質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Change of COD concentration in water

2.5 水體中銨態(tài)氮含量的變化

由圖5可以看出,處理第2天,COD250、COD300和COD400等3個(gè)處理組間銨態(tài)氮去除率差異不明顯,但顯著高于COD500處理組;第4天,COD250處理去除率明顯低于其他組;第8天COD300去除率達(dá)到63.3%,顯著高于COD500處理。4個(gè)處理組銨態(tài)氮的去除趨勢大致是相同的。

2.6 水體中總磷含量的變化

從圖6可以看出,在0～6 d,COD250、COD300和COD500處理總磷的去除率是逐漸增加的,第6天總磷去除率分別達(dá)到46.7%、75.2%和98.8%,第8天總磷去除率都出現(xiàn)下降,最終去除率分別為37.7%、67.9%和94.2%;COD400在第4天總磷去除率達(dá)到了83.0%,從第6天開始去除率逐漸下降?？傮w來看,第4～8天,總磷去除率隨COD初始濃度的增加而上升,且差異顯著。

圖6 水體總磷含量及去除率變化Fig.6 Change of TP content and removal rate in water

3 結(jié)論與討論

由于藻類的光合作用消耗無機(jī)碳,破壞了水體的碳酸平衡使pH升高,而堿性水體易于捕獲大氣中的CO2,有利于藻類的光合作用[18]。本試驗(yàn)中由0～2 d葉綠素A含量上升幅度較小可知,這一階段藻類處于生長適應(yīng)期,光合作用較弱,吸收的CO2和產(chǎn)生的O2較少,此時(shí)pH和DO都出現(xiàn)明顯下降。因?yàn)樵孱惡粑饔卯a(chǎn)生的CO2會(huì)引起pH降低,另外,呼吸消耗O2,會(huì)使水體DO降低,其中COD300、COD400、COD500處理組第2天水體的DO含量趨于0,這時(shí)會(huì)引起有機(jī)質(zhì)的厭氧分解,試驗(yàn)中的葡糖糖會(huì)分解產(chǎn)生有機(jī)酸,也會(huì)使pH降低。此階段各處理間pH下降幅度隨COD初始濃度的升高而有所增加,但差異不顯著,而此時(shí)水體中的COD含量較高且差異大,這說明主要是藻類呼吸作用導(dǎo)致pH降低。此后的藻類生長趨勢與pH變化趨勢大體一致,葉綠素A含量增加說明藻類生長繁殖旺盛,初級生產(chǎn)力增加,光合作用增強(qiáng),使得pH上升。2～6 d時(shí),葉綠素A含量增長率隨COD初始濃度增加而降低,COD400、COD500處理組的pH顯著低于COD250、COD300處理組的pH,COD高于250 mg/L的各處理組,DO在第2天趨于0,且2～4 d時(shí),DO上升幅度隨COD初始濃度增加而遞減,因此,隨COD初始濃度的升高,延緩了葉綠素A的增長以及pH和DO的升高。由此推測,藻類生長受到環(huán)境中碳源的增加而出現(xiàn)光合作用增長減弱,導(dǎo)致光合放氧和吸收消耗的無機(jī)碳增長量減少,葉綠素A的增長幅度也降低。第6天,COD500處理的COD下降到300 mg/L,此時(shí)各處理組COD值差異不明顯,pH變化幅度也變小。在藻類處理污水的過程中,葉綠素A含量不斷增長,光合作用消耗的無機(jī)碳持續(xù)增加,使得水體pH在第2天以后不斷升高,6～8 d時(shí)各處理pH都在9.0以上,這與Su等[19]研究的純藻類系統(tǒng)處理生活廢水的pH很容易維持在9以上的結(jié)果一致。

COD是水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目之一,直接反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度,也是衡量水體中有機(jī)物含量的重要指標(biāo)[20-21]。研究表明,微藻不僅能利用光能和無機(jī)碳源進(jìn)行自養(yǎng)生長,小球藻等部分單細(xì)胞微藻種類以及柵藻還可以利用水體中的葡萄糖、乙酸鹽等有機(jī)碳源進(jìn)行異養(yǎng)生長[22-24],藻類還可將污水中的可溶性有機(jī)碳氧化為CO2以去除污染物[25],因此藻類具有直接降低水中有機(jī)污染物的能力。本試驗(yàn)通過葡萄糖提供碳源,不同COD初始濃度水體的COD值隨處理時(shí)間的延長均呈下降趨勢,COD500去除率最高,達(dá)到66.7%,與郭鑫[26]研究中發(fā)現(xiàn)的初始葡萄糖濃度越高有機(jī)碳利用率越高的研究結(jié)果一致。

一般來說,污水中COD/總氮比(C/N)高于3～5時(shí),能夠滿足污水處理過程中對碳源的需求[27]。而C/N比值高低可以調(diào)控自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種代謝途徑和基因表達(dá),研究表明,高C/N比值,無論有無光照,小球藻都可以利用環(huán)境中的有機(jī)碳源進(jìn)行異養(yǎng)代謝生長,而且其生長速度比自養(yǎng)代謝生長更快,世代時(shí)間更短[28]。隨著初始COD濃度的增加,C/N比值也隨之增大,推測異養(yǎng)代謝模式時(shí)間和比例也增加,使得自養(yǎng)模式減少,光合作用減弱,水體中的pH、DO以及葉綠素A增長量降低。由于小球藻自養(yǎng)和異養(yǎng)代謝模式是可逆的,隨著處理時(shí)間的延長,C/N比值發(fā)生變化,初始COD濃度高的處理部分異養(yǎng)生長模式轉(zhuǎn)化為自養(yǎng),光合作用增強(qiáng),使得這部分水體中的pH、DO以及葉綠素A增長迅速,出現(xiàn)了COD初始濃度升高只是延緩了葉綠素A增長以及pH和DO升高的現(xiàn)象。2～6 d葉綠素A含量隨COD初始濃度的增加而降低,與微藻部分生長模式由自養(yǎng)轉(zhuǎn)化為異養(yǎng)有關(guān),異養(yǎng)會(huì)阻礙葉綠素形成,而且這種影響隨葡萄糖濃度的降低而減輕[28]。COD500在2～4 d,DO為0,這一階段COD濃度迅速下降,這可能是由于C/N比值較高,加上污水中原先存在的少量溶解氧,促進(jìn)了細(xì)胞的異養(yǎng)轉(zhuǎn)化[29],使得藻類進(jìn)行異養(yǎng)代謝而直接吸收利用葡萄糖,從而出現(xiàn)COD迅速下降的現(xiàn)象,而異養(yǎng)藻細(xì)胞不進(jìn)行光合作用,沒有放氧過程,水體中的氧被藻類呼吸消耗殆盡。COD500處理組銨態(tài)氮去除顯著低于其它處理組,而TP的去除率隨COD初始濃度的增加而顯著上升,這是由于污水中的COD含量不同,影響藻類在同化有機(jī)碳作為能量供給和碳源生長代謝的強(qiáng)弱,而異養(yǎng)小球藻細(xì)胞中含有多聚磷酸,藻細(xì)胞壁比自養(yǎng)細(xì)胞明顯增厚[30],進(jìn)而影響藻類對氮和磷的吸收,楊慧麗[31]研究也發(fā)現(xiàn)污水中碳會(huì)影響氮磷的去除效果。

綜上,COD濃度對水體中葉綠素A含量、pH和DO以及氮磷去除有影響,隨COD濃度升高,延緩了葉綠素A的增加以及pH和DO升高,對總磷的去除效果隨著COD初始值的增加而顯著上升,而高濃度COD降低了銨態(tài)氮的去除。