生物法去除壩上地區生活污水中氮磷的試驗研究

馬志強 宋彩瑜

摘 要：以張家口壩上地區生活污水為研究對象，采用微藻水棉與微生物EM菌劑協同作用處理壩上地區生活污水，探究壩上生態環境脆弱地區污水中EM菌群和微藻水棉的脫氮除磷能力以及在藻菌共生系統中EM菌群對微藻水棉生長的影響。結果表明：微藻水棉與EM菌群共生系統在處理壩上地區污水中氮磷過程中存在協同作用，且體系中EM菌群的加入量與微藻水棉的生物量增長在一定區間內呈正相關。生活污水經離心稀釋后調節初始pH為7.5，裝液量為10 L，接入6%的微藻水棉藻懸液，6%EM菌液，于25℃，光照16 h/d條件下培養5 d。污水中總氮降解率達到89.2%，總磷降解率達到84.4%，好于微藻水棉單獨作用污水效果，結果符合地表水環境質量Ⅴ類標準。

關鍵詞：生活污水；微藻水棉；EM菌劑；氮磷；壩上地區；張家口

中圖分類號：X703文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）01-00-06

0 引言

內蒙古高原南緣的張家口壩上地區氣候特征為干旱、少雨、多風沙，年均降量水僅330 mm左右，年均蒸發量高達1700 mm，屬于典型資源性缺水地區，幾乎無法形成地表徑流。目前在張北壩上地區限制超采地下水與農業生活節水的報道較多，在處理城鎮生活污水用于補充地表水的報道甚少[1-2]。壩上地區生活污水主要來源是日常生活的廚房、淋浴以及洗滌等生活用水，其特點水量穩定可以作為地表水的補充水源，但其氮、磷含量較高，如果直接排放會加劇河流、水庫水體的富營養化，勢必會對壩上地區脆弱的水生態環境造成嚴峻威脅[3-5]。張北壩上地區作為首都水源涵養功能區和生態環境支撐區的重要區域，如何加快推進該地區水生態環境恢復，提升水生態承載力的問題顯得尤為突出緊迫[6-7]。

生物法的藻菌共生體系能對污水中的氮、磷等營養物進行深度處理，其特點是高效、綠色、經濟，是近年來污水處理的又一發展趨勢。宋志偉等利用斜生柵藻與好氧顆粒污泥的共生體系處理模擬污水，NH3-N 以及TP去除率分別為 87.64%、91.35%，優于單獨的斜生柵藻和單獨的好氧顆粒污泥[8]。陳志華利用螺旋藻與活性污泥構建藻菌共生體系處理模擬污水，TN、TP除率可達87.82%和77.11%，且出水水質顯著優于單一的微藻法和活性污泥法[9]。在不引入過多的化學試劑，不加劇壩上地區脆弱水生態承載力的前提下，采用生物法處理壩上地區生活污水是合適的方法之一。本研究以張北壩上地區實際生活污水為研究對象，其成分組成較模擬污水更為復雜。采用壩上地區原生物種微藻水棉與復雜、穩定、高效的微生物EM菌劑協同作用處理壩上地區生活污水，對壩上獨有的日照時間長、季節變化顯著、水生態環境脆弱等獨特的環境更具有針對性和適應性。探究壩上生態環境脆弱地區污水中EM菌群和微藻水棉的脫氮除磷能力以及在藻菌共生體系中EM菌群對水棉生長的影響，旨在為具有獨特氣候和脆弱水生態環境的壩上地區的生活污水再利用提供可鑒依據。

1 材料與方法

1.1 材料

水棉：張北縣東洋河河道篩選物種；EM菌劑：實驗室保留菌種；試驗用生活污水：取至張北東洋河污水出水口，離心（10000 r/min，10 min）取淺黃色上清液（總氮：43.667.7 mg/L，總磷：7.2～13.8 mg/L）稀釋至總氮：20 mg/L， 總磷：2.5 mg/L備用。

1.2 方法

1.2.1 培養基制備

（1）水棉培養液：試驗用生活污水過濾稀釋至總磷35～45 mg/L，總氮7.5～8.5 mg/L，濕熱滅菌（121℃，20 min），冷卻放置待用。

（2）EM培養基：酵母浸膏1 g，蛋白胨2 g，葡萄糖2 g，蒸餾水100 mL，濕熱滅菌（121℃，20 min），冷卻放置待用。

1.2.2 水質監測方法

總氮（TN）：GB 11894—89堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法；總磷（TP）：GB 11893—89鉬酸銨分光光度法 [10]。試驗設置未接種水棉與EM菌液的空白實驗，計算結果為扣除空白值。

R= （C0-Ct）/C0×100% （1）

式中：R—降解率；C0—TN或TP起始濃度，mg/L；

Ct—t時間后TN或TP的濃度，mg/L。

1.2.3 生物量的測定

試驗末期，取一定體積水棉污水混合液，離心（10000 r/min，10 min）收集水棉細胞，再加入一定體積的蒸餾水洗滌，重復3次。將離心收集的藻體放入烘箱，在105℃干燥至衡重，取出置于干燥器內，待冷卻至室溫后，用精密分析天平稱量[11]。

r= （M0-Mt）/M0×100% （2）

式中：r—生物量增長率；M0—起始生物量，mg；Mt—t時間后生物量，mg。

2 結果與分析

2.1 pH值對測得生物增長率及污水處理效果影響

調節試驗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），裝液量為10 L，接入6%的水棉藻懸液，接入6%EM菌液，于25℃、每日光照16 h條件下培養5 d，測得生物量增長率及污水處理效果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知：在調節初始pH值7.5的弱堿性條件下，水棉、EM菌群系統中水棉的生物量增長率和污水中TN、TP的去除率顯著增高。原因可能是pH值偏堿性水體中有利于水棉捕獲大氣中的CO２進行光合作用。有學者認為氮的去除主要有藻類同化吸收和氨氮揮發兩條途徑，氨態氮和硝態氮是藻類生長的主要氮源[12]。同時pH值升高也能促進氨氮的揮發，pH值升高，水棉的光合作用增強，會在水體中釋放出大量氧氣，這有利于EM菌群中的硝化細菌進行硝化反應，生成可以供水棉利用的硝態氮。另外氨態氮、硝態氮、亞硝態氮能在厭氧條件下經過反硝化作用將其轉變為N2，從而實現污水中氮的去除。有學者認為磷的去除機理主要是藻類同化吸收和化學沉淀作用[13]。張北壩上地區污水硬度大，Ca2+，Mg2+含量豐富，pH值升高有助于形成磷酸鹽的化學沉淀。

2.2 溫度對測得生物量增長率及污水處理效果影響

在初始pH為7.5，裝液量為10 L的培養基中，接入6%的水棉藻懸液，接入6%EM菌液，于不同溫度下（10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、和40℃），每日光照16 h條件下培養5 d。測得生物量增長率及污水處理效果見圖3、圖4。

溫度對水棉的生長有顯著影響，有學者認為，溫度可以影響微藻細胞生理活動的活性和其對水體營養物質的利用率，這兩種影響方式并存，是共同作用又相互競爭的關系[14]。由圖3、圖4結果可知：低溫和高溫均對水棉的生長有一定的抑制作用，并且隨著溫度逐漸升高，生活污水中總氮和總磷的降解率隨之增大，在20～30℃間總氮和總磷的降解率均超過80%，在此溫度區間，水棉和細菌均有較高的生長速率和對氮、磷的同化率。水棉在25℃下生長最佳，水棉達到最高生物增長量。當培養溫度超過35℃時，水棉的生物增長量降低，TN、TP降解率隨之降低，原因可能是由于溫度較高，加速了水棉細胞和菌體細胞的死亡，細胞中富集的氮磷擴散進入水體造成。

2.3 EM菌液接入量對測得生物量增長率及污水處理效果影響

在初始pH為7.5，裝液量為10 L的培養基中，接入6%的水棉藻懸液，設置不同EM菌液接入量（0%、2%、4%、6%、8%和10%），于25℃，每日光照16 h條件下培養5 d。測得生物量增長率及污水處理效果見圖5、圖6。

由圖5、圖6可知：隨著EM菌液接入量的增加，水棉的生物量增長量和總氮、總磷的降解率在EM菌液接入量≤6%的區間中均升高，呈正相關。水棉與EM菌群間可能存在復雜的相互作用關系，EM菌群中適宜的細菌對于水棉生長及污水中氮，磷的去除發揮顯著作用。水棉與EM菌群共生系統有助于提高水棉的生物量。說明在污水處理過程中EM菌群可能參與了水棉對氮、磷的代謝過程，或者存在EM菌群直接代謝氮，磷的可能[15]，亦或者水棉與EM菌群共生系統可能改變水體環境，有助于磷酸鹽的沉積和氮的氨化、硝化和反硝化反應 [16]。有研究發現，在菌藻共生系統中藻類生長更快，生物量更高，對污水中氮磷的去除效果也比純藻系統更好[17]。也有研究發現，菌藻的協同關系并不是絕對的，它會隨種群密度、碳源、光照等條件而變化，當某一條件發生改變時菌藻之間由協同關系轉為適當的營養競爭關系，從而抑制了彼此的生長繁殖 [18]。在本試驗中，EM菌液接入量上升至6%后，水棉的生物量增長和總氮總磷的降解率均不顯著。故選EM菌液接入量為6%為實驗后期確定的適宜接種量條件。

2.4 每日光照時長對測得生物量增長率及污水處理效果影響

在初始pH為7.5，裝液量為10 L的培養基中，接入6%的水棉藻懸液，接入6%EM菌液，于25℃，設置不同每日光照時長（0 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h）條件下培養5 d。測得生物量增長率及污水處理效果見圖7、圖8。

菌藻共生系統運行機理是二者互利共生，藻類通過光合作用釋放有機物支撐細菌生長，細菌消耗有機物釋放CO2促進藻類光合作用，因此適宜的光照條件是共生系統必須考量的環境因素。有研究表明光照對微藻的生長、繁殖、藻體顏色、細胞形態等都有重要影響，不同的微藻都有最適于其生長的最佳光照環境。微藻吸收氮磷的速率與其生長情況有關，需要一個合適的光照環境，即較高的光照會對微藻的光合作用產生抑制作用，而較低的光照則會直接抑制微藻的生長[19-20]。

由圖7、圖8發現：通過調整每日光照作用時長，水棉生物量增長量隨光照時間的增加先增大后回落。這可能是因為增加光照時長可以在一定程度上影響水棉生物量增長，但由于藻類需要通過不斷調節自身酶促反應去逐漸適應光照環境來進行光合作用，因此每日光照時間增長到一定限度會對藻類生長產生抑制效果。

2.5 培養時間對測得生物量增長率及污水處理效果影響

在初始pH為7.5，裝液量為10 L的培養基中，接入6%的水棉藻懸液，接入6%EM菌液，于25℃，每日光照16 h條件下設置不同培養時間（0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6d、7d）。測得生物量增長率及污水處理效果見圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知：微藻水棉生物量的主要增長期、TN和TP的主要去除期主要集中在前3 d，且TN和TP去除率與水棉生物量的變化趨勢一致。水棉、EM菌群系統在最優化條件下培養5 d，水棉生物量增長量最高達到349%，污水中TN去除率最高達到89.2%， TP去除率最高達84.4%。有研究發現，在藻菌共生體系中調節微藻與細菌的初始接種比為9：1時培養后期高濃度污水中總磷與氨氮的去除率分別達到85.98%和81.03%[21]。主要原因可能是培養前期污水中氮、磷濃度高為水棉、EM菌群系統活動提供了充足養分，因此培養前期表現出較強氮磷去除活性。培養后期水棉生物量增長量、TN和TP去除率均出現回落，原因可能是隨著水棉生物量的增加，水體透光性降低，藻細胞對光的利用降低，減緩了細胞分裂，從而抑制了水棉同化氮磷的過程[22]，污水中供水棉和EM菌群生長必須的營養物質濃度降低導致的水棉和EM菌群自然凋亡，凋亡后的生物細胞溶解釋放氮、磷進入水體導致污水中TN和TP去除率出現回落。

3 討論

3.1 微藻作用污水的脫氮除磷效果

當前在水處理微藻中，學者普遍關注度較高的有球藻類、螺旋藻類、柵藻類等。本實驗中，在不引入EM菌劑，微藻水棉于25℃，每日光照16 h條件下作用于pH為7.5、TN濃度20 mg/L、TP濃度2.5 mg/L的張家口壩上地區生活污水5 d，TN與TP的降解率分別可達68.5%和57.4%，水棉生物增長率達203%。有研究發現，在固定化小球藻對雞場污水處理中加入700粒小球藻膠球，氨氮、硝氮、總磷的去除率分別達到56%、75%、54%[23]。李超等研究四尾柵藻和蛋白核小球藻對模擬生活污水氨氮、總磷和總氮的去除效果，發現蛋白核小球藻對氨氮58.34%和總磷51.09%的去除效果優于四尾柵藻對氨氮43.66%和總磷41.52%的去除效果。四尾柵藻對總氮的去除效果78.33%優于蛋白核小球藻76.67%[24]。陳正杰等研究螺旋藻對沼液的凈化效果，結果表明螺旋藻在適宜條件下處理較低濃度沼液，TN和TP的去除率88.9%和84.1%[25]。從氮磷去除效果來看，微藻水棉在當前主流微藻中水處理效果不是最為突出。但本實驗中，張北縣東洋河河道篩選物種微藻水棉對壩上地區生活污水的成分組成、濃度、環境等具有較好的適應性和較強的脫氮除磷能力，能很好的達到脫氮除磷的預期效果。

3.2 EM菌群作用污水的脫氮除磷效果

20世紀80年代以來，學者們對EM菌群的的研究報道不勝枚舉。利用EM菌群作用于污水有處理效果顯著、水溫變化相對穩定等優點。有研究發現，在利用EM菌液處理富營養化源水過程中，按EM/源水=1/10000比例投加EM菌液并輔以低速間歇式曝氣處理8～9 d后，源水中TN和TP的降解率分別達到45.25%和55.48%，明顯優于空白靜置和空白曝氣處理，且處理后水質接近國家地表Ⅳ類水質標準[26]。本實驗中，在最適宜條件下，扣除水棉微藻自身的脫氮除磷能力，EM菌群參與協同除去氮磷能力分別為20.7%和27%，EM菌群參與降解氮磷能力低于上述報道。這也反應出EM菌群在不同條件的氣候、溫度、水質下的處理效果不同，其降解廢污水中有機物分子的機制以及反應過程的動力學規律等仍是學者們今后重點關注的問題。

3.3 藻菌體系作用污水的脫氮除磷效果

張家口壩上地區屬于典型的水資源匱乏地區，取至地下水的生活用水中Ca2+、Mg2+含量較高，加之其獨特的少雨、干旱、多風、強光照、水生態物種單一等氣候環境特點，形成了生活污水具有有機物組成分子量較大、成分復雜，且濃度較高、堿性偏大的特點。微藻水棉與EM菌群共生系統在處理壩上地區污水中氮磷的過程中存在協同作用關系，且體系中EM菌群的加入量與微藻水棉的生物量增長在一定區間內呈正相關。壩上地區生活污水經離心稀釋至TN濃度為20 mg/L， TP濃度為2.5 mg/L，調節初始pH值為7.5，裝液量為10 L，接入6%的水棉藻懸液，接入6%EM菌液，于25℃，每日光照16 h條件下培養5 d。污水中TN降解率達到89.2%，TP降解率達到84.4%，微藻水棉生物量增長率為340%，好于微藻水棉單獨作用污水效果，結果符合地表水環境質量Ⅴ類標準。肖偉等通過人工模擬城市污水，選取3種污水處理中常用細菌地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌與小球藻構建藻菌共生體系，探究了不同細菌對小球藻生長以及污水脫氮除磷效率的影響。結果顯示在3個共生系統中，地衣芽孢桿菌－小球藻共生系統中小球藻生物量最高，總氮和總磷去除率分別達到79.84%和83.48%，顯著高于小球藻單獨培養試驗組[27]。說明在對污水處理過程中，藻類和細菌等微生物之間存在復雜的關系， 它們可以組成一個微生態系統，各物種間可能競爭環境中的營養物質而相互抑制，也可能相互利用依賴形成互惠體系，本實驗中，物種間的這種相互作用關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

作者簡介：馬志強（1984-），男，河北張家口人，碩士學位，工程師， 研究方向水環境污染與防治。

通信作者： 宋彩瑜（1982-），女，工程師，碩士學位，研究方向食品藥品分析檢測。