COD对2种绿藻共培养处理农村生活污水的影响

欧红梅, 任学洋, 范景华, 朱玮琪

(安徽农业大学 资源与环境学院,安徽 合肥 230036)

农村地区由于缺少污水收集和处理设施,排放的污水大部分未经处理就直接排入附近河道,导致河流、湖泊呈现富营养化,成为影响农村水环境质量的主要问题[1-2]。农村生活污水含有较高的氮、磷含量,但不含重金属和有毒有害物质,可生化性较好[3],如何实现农村生活污水的资源化利用,形成良性循环,是迫在眉睫的问题。

藻类为自养型生物,能够吸收氮、磷等营养物用于自身的生长繁殖,从而降低环境中的氮、磷含量。利用水体中藻类或藻类组合的自身特性进行污水的处理和净化,是一种高效生态修复技术。近年来,利用藻类处理污水的研究和应用得到了广泛关注[4-6]。研究发现小球藻和栅藻是高效藻类塘的优势藻属[7],具有比较高的环境污染耐受性[8]。研究发现,蛋白核小球藻和四尾栅藻在农时生活污水中生长状况良好且能够有效地去除污水中的氮、磷,其中四尾栅藻对总氮去除率可达88.7%、蛋白核小球藻对总磷去除率达73.6%[9]。不同藻类去除氮磷的效率有差异,利用去除效率高的藻类组合处理污水,可以提高污水处理效率。钱磊[10]研究证明,不同藻类的组合可以实现藻类的优势互补,微藻群落可以提高群落多样性、保持微藻群落系统的稳定性,相对于单一藻种有着更好的污染物去除效果。

农村生活污水受生活习惯和降雨的影响,COD在不同的季节差异较大。黄翔峰等[11]研究发现太湖地区农村生活污水的水质受季节影响变化较大,夏季进水COD低于250 mg/L,冬季进水COD为250～400 mg/L,秋、冬季的有机物浓度较夏季高3～4倍。研究表明COD负荷的变化可以引起高效藻类塘内藻类种群的变化,在低COD负荷下栅藻为优势种,在中、高COD负荷下主要藻种是丝状蓝藻、小球藻和栅藻[7]。而不同COD负荷对藻类生长和氮磷去除有无影响未见报道。本研究设置不同COD,通过投放蛋白核小球藻和四尾栅藻组合藻种,测定农村生活污水中氮磷的去除率以及COD含量、叶绿素A含量、DO和pH变化,研究在不同COD下藻类对污水脱氮除磷的处理效果和藻类的生长状况,为利用藻类高效处理污水提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidesa)FACHB-27和四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)FACHB-1476购于中国科学院淡水藻种库。藻种在人工气候箱中用BG11培养基扩繁。培养条件:温度为(25±1) ℃,光暗比为12 h∶12 h,每日早晚摇晃藻液瓶各1次。

1.2 方法

1.2.1 试验污水的配制 本研究采用人工模拟农村生活污水。COD质量浓度为250、300、400、500 mg/L,记为COD250、COD300、COD400、COD500,分别通过添加0.1、0.2、0.3、0.4 g/L葡萄糖配制。污水配方:葡萄糖(根据初始COD浓度分别添加)、0.03 g/L尿素、0.2 g/L氯化铵、0.02 g/L磷酸二氢钾、0.4 g/L碳酸氢钠、0.02 g/L七水硫酸镁、0.02 g/L五水硫酸钙、0.01 g/L六水三氯化铁。

1.2.2 藻类处理污水试验 蛋白核小球藻和四尾栅藻按密度2∶1比例取藻液混合,投放后藻种初始密度约为1.5×105ind./mL。投放前将污水pH调至中性,3次重复。试验在(25±1) ℃的温室进行,光照时间设置为12 h。

1.3 数据处理

采用Excel 2016和IBM SPSS 20软件进行数据分析,显著性检验水平设为P<0.05,采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 藻类生物量的变化

叶绿素A是藻类进行光合作用的主要色素,其含量可反映藻类生物量和生产能力[15-16]。从图1可以看出,在0～2 d试验水体中叶绿素A含量上升幅度较小,藻类处于适应期,不同COD浓度的污水中叶绿素A含量差异不明显,而此后2～6 d叶绿素A含量上升幅度较大,第4天不同COD浓度叶绿素A含量差异显著,其中COD500处理上升幅度最小,各处理叶绿素A含量增长率随COD初始值浓度增加而降低。此阶段叶绿素A含量增加,表明藻类生物量增加,藻类生长状况良好。第8天,COD250、COD300和COD400处理组的叶绿素A含量均出现明显下降,COD400处理下降幅度较小,而COD500处理叶绿素A含量仍增加,且增加趋势明显(P<0.05)。COD250、COD300和COD400处理,由于前期藻体生物量增加迅速,随着时间的延长,藻密度逐渐增加,藻体遮挡减弱了光强,藻类的光合作用受到抑制。

图1 叶绿素A含量的变化Fig.1 Change of chlorophyll A content

2.2 水体环境中pH的变化

由图2可以看到,pH在0～2 d均呈现明显的下降趋势(P<0.05),2～6 d,COD400、COD500处理的水体pH显著低于COD250、COD300处理的PH,这一阶段COD250、COD300和COD400处理组pH均大幅度上升,而COD500处理组在2～4 d pH升高幅度较小,在4～6 d快速升高,上升幅度高于其它处理组。6～8 d pH出现明显下降的只有COD250,其它处理组呈升高趋势。处理的第8天,不同COD浓度的水体pH差异较小。

图2 水体pH的变化Fig.2 Change of pH in water

2.3 水体中溶解氧的变化

水体中溶解氧含量高低可以用来判断水生生物的生长状况以及水体污染的情况[17]。图3表明,在0～2 d,不同COD浓度的水体中溶解氧均显著下降(P<0.05),其中COD250的水体溶解氧显著高于其它处理组,COD初始质量浓度高于250 mg/L的处理组,DO在第2天趋于0,且在2～4 d,DO上升幅度随COD初始浓度增加而递减。COD250和COD300处理的溶解氧含量在2～4 d、COD400在2～6 d而COD500在4～6 d是骤然上升的,其中COD400第4天的溶解氧显著低于COD250、COD300处理组,而显著高于COD500处理组;COD500在2～4 d水中溶解氧含量一直趋于0,处理第4～6 d,COD500溶解氧显著低于其它处理组。由此看出,随COD初始浓度的增加,水体溶解氧浓度的升高出现滞后,且影响时间随着COD浓度的增加而延长。处理第8天,溶解氧含量均显著下降,各处理组的溶解氧差异显著,且溶解氧高低顺序与COD初始值一致。根据叶绿素A含量判断,此时藻类已有部分衰亡,光合作用减弱。

图3 水体中溶解氧含量的变化Fig.3 Change of dissolved oxygen content in water

2.4 水体COD浓度的变化

由图4可以看出,COD500处理随着时间的延长,COD值有大幅度下降的趋势,到第8天COD质量浓度下降至168.9 mg/L;而COD250、COD300和COD400处理组在0～2 d内变化不明显,但2～8 d COD值一直呈下降趋势。虽然水体初始的COD浓度不同,但由于不同浓度的水体COD值随时间变化的幅度不同,到试验6～8 d,水体COD值差异不明显。

图4 水体COD质量浓度的变化Fig.4 Change of COD concentration in water

2.5 水体中铵态氮含量的变化

由图5可以看出,处理第2天,COD250、COD300和COD400等3个处理组间铵态氮去除率差异不明显,但显著高于COD500处理组;第4天,COD250处理去除率明显低于其他组;第8天COD300去除率达到63.3%,显著高于COD500处理。4个处理组铵态氮的去除趋势大致是相同的。

2.6 水体中总磷含量的变化

从图6可以看出,在0～6 d,COD250、COD300和COD500处理总磷的去除率是逐渐增加的,第6天总磷去除率分别达到46.7%、75.2%和98.8%,第8天总磷去除率都出现下降,最终去除率分别为37.7%、67.9%和94.2%;COD400在第4天总磷去除率达到了83.0%,从第6天开始去除率逐渐下降。总体来看,第4～8天,总磷去除率随COD初始浓度的增加而上升,且差异显著。

图6 水体总磷含量及去除率变化Fig.6 Change of TP content and removal rate in water

3 结论与讨论

由于藻类的光合作用消耗无机碳,破坏了水体的碳酸平衡使pH升高,而碱性水体易于捕获大气中的CO2,有利于藻类的光合作用[18]。本试验中由0～2 d叶绿素A含量上升幅度较小可知,这一阶段藻类处于生长适应期,光合作用较弱,吸收的CO2和产生的O2较少,此时pH和DO都出现明显下降。因为藻类呼吸作用产生的CO2会引起pH降低,另外,呼吸消耗O2,会使水体DO降低,其中COD300、COD400、COD500处理组第2天水体的DO含量趋于0,这时会引起有机质的厌氧分解,试验中的葡糖糖会分解产生有机酸,也会使pH降低。此阶段各处理间pH下降幅度随COD初始浓度的升高而有所增加,但差异不显著,而此时水体中的COD含量较高且差异大,这说明主要是藻类呼吸作用导致pH降低。此后的藻类生长趋势与pH变化趋势大体一致,叶绿素A含量增加说明藻类生长繁殖旺盛,初级生产力增加,光合作用增强,使得pH上升。2～6 d时,叶绿素A含量增长率随COD初始浓度增加而降低,COD400、COD500处理组的pH显著低于COD250、COD300处理组的pH,COD高于250 mg/L的各处理组,DO在第2天趋于0,且2～4 d时,DO上升幅度随COD初始浓度增加而递减,因此,随COD初始浓度的升高,延缓了叶绿素A的增长以及pH和DO的升高。由此推测,藻类生长受到环境中碳源的增加而出现光合作用增长减弱,导致光合放氧和吸收消耗的无机碳增长量减少,叶绿素A的增长幅度也降低。第6天,COD500处理的COD下降到300 mg/L,此时各处理组COD值差异不明显,pH变化幅度也变小。在藻类处理污水的过程中,叶绿素A含量不断增长,光合作用消耗的无机碳持续增加,使得水体pH在第2天以后不断升高,6～8 d时各处理pH都在9.0以上,这与Su等[19]研究的纯藻类系统处理生活废水的pH很容易维持在9以上的结果一致。

COD是水质监测项目之一,直接反映水中受还原性物质污染的程度,也是衡量水体中有机物含量的重要指标[20-21]。研究表明,微藻不仅能利用光能和无机碳源进行自养生长,小球藻等部分单细胞微藻种类以及栅藻还可以利用水体中的葡萄糖、乙酸盐等有机碳源进行异养生长[22-24],藻类还可将污水中的可溶性有机碳氧化为CO2以去除污染物[25],因此藻类具有直接降低水中有机污染物的能力。本试验通过葡萄糖提供碳源,不同COD初始浓度水体的COD值随处理时间的延长均呈下降趋势,COD500去除率最高,达到66.7%,与郭鑫[26]研究中发现的初始葡萄糖浓度越高有机碳利用率越高的研究结果一致。

一般来说,污水中COD/总氮比(C/N)高于3～5时,能够满足污水处理过程中对碳源的需求[27]。而C/N比值高低可以调控自养和异养两种代谢途径和基因表达,研究表明,高C/N比值,无论有无光照,小球藻都可以利用环境中的有机碳源进行异养代谢生长,而且其生长速度比自养代谢生长更快,世代时间更短[28]。随着初始COD浓度的增加,C/N比值也随之增大,推测异养代谢模式时间和比例也增加,使得自养模式减少,光合作用减弱,水体中的pH、DO以及叶绿素A增长量降低。由于小球藻自养和异养代谢模式是可逆的,随着处理时间的延长,C/N比值发生变化,初始COD浓度高的处理部分异养生长模式转化为自养,光合作用增强,使得这部分水体中的pH、DO以及叶绿素A增长迅速,出现了COD初始浓度升高只是延缓了叶绿素A增长以及pH和DO升高的现象。2～6 d叶绿素A含量随COD初始浓度的增加而降低,与微藻部分生长模式由自养转化为异养有关,异养会阻碍叶绿素形成,而且这种影响随葡萄糖浓度的降低而减轻[28]。COD500在2～4 d,DO为0,这一阶段COD浓度迅速下降,这可能是由于C/N比值较高,加上污水中原先存在的少量溶解氧,促进了细胞的异养转化[29],使得藻类进行异养代谢而直接吸收利用葡萄糖,从而出现COD迅速下降的现象,而异养藻细胞不进行光合作用,没有放氧过程,水体中的氧被藻类呼吸消耗殆尽。COD500处理组铵态氮去除显著低于其它处理组,而TP的去除率随COD初始浓度的增加而显著上升,这是由于污水中的COD含量不同,影响藻类在同化有机碳作为能量供给和碳源生长代谢的强弱,而异养小球藻细胞中含有多聚磷酸,藻细胞壁比自养细胞明显增厚[30],进而影响藻类对氮和磷的吸收,杨慧丽[31]研究也发现污水中碳会影响氮磷的去除效果。

综上,COD浓度对水体中叶绿素A含量、pH和DO以及氮磷去除有影响,随COD浓度升高,延缓了叶绿素A的增加以及pH和DO升高,对总磷的去除效果随着COD初始值的增加而显著上升,而高浓度COD降低了铵态氮的去除。