重慶三峽庫區(qū)榨菜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)距今已有100多年的歷史，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的榨菜廢水，這給三峽水庫的水環(huán)境保護帶來了極大的挑戰(zhàn)。榨菜企業(yè)污水處理系統(tǒng)排放的榨菜廢水尾水需達到《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）三級排放標準，尾水中COD、NH4+-N、NO3--N、PO43--P濃度分別為390~410、70~75、30~35、20~22mg/L，TDS為15~25g/L，其中的氮、磷濃度和鹽度依然較高，若將尾水直接排入自然水體會對水環(huán)境造成嚴重的危害，因此有必要對其做進一步處理。
在污水處理中，生物法因經(jīng)濟高效、環(huán)境友好等優(yōu)點被廣泛應用。但是生物法脫氮除磷需要同時滿足好氧和厭氧環(huán)境，且要精準控制溶解氧（DO）梯度，增加了曝氣能耗，使得操作難度加大。另外研究表明，過高的鹽度會降低微生物活性，導致細菌胞漿分離，污泥絮體結(jié)構(gòu)被破壞，部分不耐鹽微生物死亡，嚴重影響生物處理效果。
由微藻和細菌組成的藻菌共生技術(shù)近年來受到了廣泛關(guān)注，其主要原理為利用微藻的光合作用產(chǎn)生氧氣，為異養(yǎng)細菌降解有機污染物供氧，同時細菌的代謝產(chǎn)物和呼吸作用產(chǎn)生的CO2又可以被微藻吸收。藻菌共生技術(shù)可省去曝氣裝置，降低污水處理能耗，提高污染物去除率，具有低成本、低能耗和高效能的特點。針對榨菜廢水尾水難處理、處理成本高、處理不徹底的問題，筆者擬采用固定化藻菌共生技術(shù)對其進行處理，以期為榨菜廢水尾水的強化處理提供新思路。
1、材料與方法
1.1 實驗用水
榨菜廢水尾水取自重慶涪陵某榨菜廢水處理廠二沉池，采用已滅菌的聚乙烯桶取回。實驗前，為除去廢水中的大顆粒物質(zhì)等，對榨菜廢水尾水進行離心處理（4800r/min，10min），再在121℃下高壓滅菌30min。經(jīng)上述預處理后，榨菜廢水尾水水質(zhì)如下：COD為（430±8）mg/L，NO3--N為（33.0±2）mg/L，NH4+-N為（70±0.8）mg/L，PO43--P為（20±0.5）mg/L，DO為（1.8±0.4）mg/L，TDS為（15±0.2）g/L，pH為7.34±0.01。
1.2 接種污泥
接種污泥取自重慶涪陵某榨菜廢水處理廠二沉池，濃度約為4000mg/L，在實驗室分別采用好氧曝氣培養(yǎng)和厭氧培養(yǎng)，培養(yǎng)用水為榨菜廢水尾水。
1.3 固定化微藻
實驗用藻種為普通小球藻（FACHB-26），購自武漢中科院水生生物研究所。采用BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)微藻，培養(yǎng)期間平均光照度為2000lx，光暗時長比為12∶12。收集對數(shù)生長期的微藻細胞，在4℃下以8000r/min離心10min，并用無菌超純水洗滌3次。將收集到的純凈的小球藻微藻和高溫滅菌后的海藻酸鈉溶液（質(zhì)量分數(shù)為4%）混合均勻，靜置4h，待混合溶液中的氣泡完全消失后，用注射器向混合液滴入氯化鈣溶液（質(zhì)量分數(shù)為2%），使海藻酸鈉藻珠在氯化鈣溶液中固化12h。待藻珠固化完全后，使用去離子水沖洗3次。
1.4 實驗裝置及方法
實驗裝置如圖1所示，主體部分為透明的圓柱體（高為10cm，內(nèi)徑為8cm）。在距離圓柱體底部2cm的地方設(shè)有3個三角形的支撐，用以支撐圓形透明擋板，擋板厚度為0.5cm，均勻地分布著直徑為4mm的圓孔。透明擋板可以用來阻擋因產(chǎn)氧過高而漂浮起來的固定化小球藻，同時不會隔絕體系內(nèi)氣體交換及光照。在圓柱體頂部還有一個直徑為10cm的圓形透明蓋板，該蓋板中心及周邊有兩個小孔，中心小孔用來固定掛滿生物膜的碳刷。整個實驗過程中使用燈帶纏繞在反應器外部為小球藻提供所需光照。
取10mL厭氧培養(yǎng)污泥加入反應器，使其附著在碳刷上，待生物膜穩(wěn)定后再接種10mL好氧培養(yǎng)污泥。將該碳刷放在榨菜廢水尾水中，采用序批式模式培養(yǎng)，當出水各指標連續(xù)3個周期均保持穩(wěn)定后，認為掛膜成功。
在3個圓柱形光生物反應器中分別放入掛膜成功的碳刷、固定化小球藻以及同時放入碳刷和固定化小球藻，加入500mL榨菜廢水尾水，在只放碳刷的反應器內(nèi)設(shè)置曝氣裝置，采用氣體流量計調(diào)節(jié)曝氣量，控制體系內(nèi)DO濃度維持在3~4mg/L，監(jiān)測運行過程中3組反應器內(nèi)的污染物濃度，對比藻、菌和藻菌共生系統(tǒng)對榨菜廢水尾水的處理效果。
實驗過程中全天保持光照，平均光照度為5000lx，小球藻投加量為0.1g/L，實驗用水鹽度為（15±1）g/L，實驗溫度如無特殊說明均為（25±1）℃，實驗采用序批式運行方式，水力停留時間為72h。
1.5 分析項目與方法
COD采用便攜式分光光度計測定；鹽度采用電導率儀測定；DO濃度采用哈希HQ30D便攜式溶解氧儀測定；pH采用便攜式pH計檢測；氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總氮、磷酸鹽等指標采用國家標準方法測定。
2、結(jié)果與分析
2.1 COD去除效果
生物膜、小球藻以及藻菌共生系統(tǒng)對榨菜廢水尾水中COD的去除效果如圖2所示。由圖2（a）可知，在生物膜系統(tǒng)中，COD濃度在前60h內(nèi)逐漸下降，在60~72h內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，說明此時尾水中剩余的COD為難降解有機物，不易為微生物所利用。實驗結(jié)束時，COD濃度從初始的422mg/L降至33mg/L，去除率達到92.18%，去除效果較好，說明接種的污泥活性很高，能很好地適應榨菜廢水尾水并高效去除其中的有機物。
由圖2（b）可知，在小球藻系統(tǒng)中，COD濃度先下降后上升，在實驗結(jié)束時，COD濃度由初始的422mg/L升至753mg/L。COD濃度先降低的原因可能是，在小球藻剛接種到榨菜廢水尾水中時，代謝方式為混合營養(yǎng)代謝，即自養(yǎng)代謝和異養(yǎng)代謝同時存在，異養(yǎng)代謝會消耗尾水中的有機物；隨著運行時間的延長，COD濃度逐漸增加，這是因為在小球藻無法進一步去除榨菜廢水尾水中的COD時，小球藻開始以自養(yǎng)代謝為主，自養(yǎng)代謝會產(chǎn)生有機物，導致COD濃度逐漸升高。
由圖2（c）可知，在菌藻共生系統(tǒng)中，COD整體去除速率隨著反應時間先快后慢，在前12h內(nèi)，COD濃度由初始的422mg/L迅速降至193mg/L，去除率達到54.26%；在12~72h內(nèi)，COD濃度緩慢下降，最終系統(tǒng)對COD的去除率為83.10%。后期COD去除速率下降的原因可能是，體系內(nèi)小球藻產(chǎn)氧量過高（測得48h時DO濃度為6.21mg/L），過高的溶解氧會抑制細菌對有機物的利用。藻菌共生系統(tǒng)對COD的去除效果比生物膜系統(tǒng)要差、比小球藻系統(tǒng)要好，說明在藻菌共生系統(tǒng)中，有機物主要是由異養(yǎng)型微生物去除。
2.2 脫氮效果
生物膜、小球藻以及藻菌共生系統(tǒng)對榨菜廢水尾水中氮的去除效果如圖3所示。
由圖3（a）可知，在最初12h內(nèi)NH4+-N濃度由初始的70.60mg/L顯著下降至48.39mg/L，去除率為31.46%；在12~60h內(nèi)NH4+-N去除速率開始下降，60h后NH4+-N濃度趨于穩(wěn)定，實驗結(jié)束時，NH4+-N去除率達到48.06%，這表明硝化反應主要發(fā)生在實驗前期。實驗前期進行的硝化反應會產(chǎn)生NO3--N和NO2--N，但是系統(tǒng)中幾乎未檢測到，說明反硝化反應十分高效，異養(yǎng)反硝化菌活性很高，與硝化菌產(chǎn)生競爭，從而降低了硝化反應速率。另外，在前12h內(nèi)NO3--N濃度迅速降為0，在12~36h內(nèi)系統(tǒng)中未檢測到NO3--N，在48h后系統(tǒng)中逐漸出現(xiàn)了少量的NO3--N，實驗結(jié)束時NO3--N濃度為1.25mg/L。在實驗前期，榨菜廢水尾水中DO濃度較低，且有機物含量豐富，為反硝化菌提供了良好的生長環(huán)境，反硝化效果很好，之后系統(tǒng)中的DO濃度隨著曝氣而逐漸升高，維持在3~4mg/L，并且隨著反應的進行，有機物含量逐漸減少，反硝化反應受到了一定的影響，故開始出現(xiàn)少量NO3--N。從圖3（a）可以看出，系統(tǒng)中的TN以NH4+-N和NO3--N為主，在前12h內(nèi)TN濃度迅速降低，隨后去除速率減緩，到實驗結(jié)束時TN去除率為62.80%。
由圖3（b）可知，小球藻系統(tǒng)中的NH4+-N濃度在前48h內(nèi)幾乎呈直線下降的趨勢，由初始的70.50mg/L降至1.51mg/L，至第60小時系統(tǒng)中的NH4+-N已經(jīng)完全去除，即固定化小球藻對榨菜廢水尾水中NH4+-N的去除率可達到100%。系統(tǒng)中NO3--N的去除過程可分為先慢后快再慢三個階段，在0~12h內(nèi)NO3--N去除速率較慢，僅由初始的34.49mg/L降至29.48mg/L，而12~24h內(nèi)NO3--N濃度陡降至4.25mg/L，隨后NO3--N濃度緩慢降低，最終系統(tǒng)對NO3--N的去除率為99.86%。當同時存在NH4+-N和NO3--N兩種形態(tài)的氮時，藻類優(yōu)先利用NH4+-N，直到大部分NH4+-N被去除，藻類才開始吸收NO3--N。然而，在本次實驗中固定化小球藻可以同時吸收NH4+-N和NO3--N，這和以往研究得到的結(jié)果有所差異。此外，固定化小球藻對榨菜廢水尾水中TN的去除率高達99.95%，遠遠優(yōu)于生物膜法。
由圖3（c）可知，在前48h內(nèi)，菌藻共生系統(tǒng)對各形態(tài)氮的去除率均可達到100%。其中，NH4+-N和TN的去除速率基本相同，NO3--N濃度在前6h內(nèi)由初始值33mg/L迅速下降至2.15mg/L，12h之后NO3--N濃度降為0，表明藻菌共生系統(tǒng)對氮的去除效果非常好。
在實驗過程中，3個系統(tǒng)均未檢測到NO2--N。藻菌共生系統(tǒng)的脫氮效果最好，固定化小球藻系統(tǒng)次之，生物膜系統(tǒng)的脫氮效果最差。在藻菌共生系統(tǒng)中，小球藻和細菌協(xié)同共生，可以彌補生物膜法對榨菜廢水尾水中氮去除不佳的短板，并且兩者的互利共生使得系統(tǒng)的脫氮效果優(yōu)于小球藻系統(tǒng)。
2.3 除磷效果
生物膜、小球藻以及藻菌共生系統(tǒng)對榨菜廢水尾水中磷的去除效果如圖4所示。由圖4（a）可知，生物膜系統(tǒng)中的PO43--P濃度先降后升，最后趨于穩(wěn)定。PO43--P在前24h內(nèi)由初始值20.30mg/L降至15.06mg/L，在24~48h內(nèi)又上升至18.13mg/L，到實驗結(jié)束時，PO43--P去除率僅為10.69%，表明生物膜法對榨菜廢水尾水中PO43--P的去除效果很差。這可能是由于活性污泥中細菌在反應前期過度吸收磷，隨后由于系統(tǒng)中有機物的缺乏而發(fā)生內(nèi)源性呼吸，將部分磷釋放到水體中。
由圖4（b）可知，小球藻系統(tǒng)中的PO43--P濃度呈先下降后上升再下降的趨勢，在前36h內(nèi)由初始值20.30mg/L降至3.55mg/L，在36~60h時回升至11.22mg/L，隨后PO43--P濃度再次下降，實驗結(jié)束時PO43--P濃度為0.67mg/L，去除率高達96.70%。PO43--P濃度升高的原因可能是，PO43--P首先會被快速吸附到藻細胞表面，然后被藻細胞緩慢消耗，在表面吸附的PO43--P與周圍的尾水達到平衡的過程中，有些藻細胞又被釋放到系統(tǒng)中；也可能是因為，小球藻過度增殖，導致部分藻細胞死亡裂解，釋放出PO43--P。接著PO43--P再下降的原因可能是，藻類生長引起系統(tǒng)pH的升高，測得出水pH為9.04，因此實驗后期尾水中PO43--P去除的主要機制是磷酸鹽沉淀。
由圖4（c）可知，在藻菌共生系統(tǒng)中，PO43--P濃度不斷下降，去除情況明顯呈現(xiàn)三段式，在前12h內(nèi)PO43--P濃度迅速下降，由初始值20.30mg/L降至10.73mg/L，去除率達到47.14%；在12~36h內(nèi)PO43--P濃度緩慢下降；36h后PO43--P去除速率又開始增大，最終出水PO43--P濃度降為0。PO43--P在前12h內(nèi)迅速降低的原因可能是由于海藻酸鈉的吸附作用；而后PO43--P去除速率減慢的原因可能是，小球藻會優(yōu)先利用海藻酸鈉吸附的PO43--P，再消耗尾水中的PO43--P，這與Li等人和Zhu等人的研究結(jié)果類似；36h后PO43--P去除速率又增大，也是由于藻類生長引起系統(tǒng)pH升高所致。在本實驗中，PO43--P的去除率達到了100%，去除效果優(yōu)于小球藻系統(tǒng)，且實驗過程中沒有出現(xiàn)PO43--P反彈的情況，這是藻菌共同作用的結(jié)果。
在除磷方面，藻菌共生系統(tǒng)的效果最好，小球藻系統(tǒng)次之，生物膜系統(tǒng)最差。藻菌共生系統(tǒng)對榨菜廢水尾水中磷的去除分為兩方面，一方面是固定化小球藻對磷的吸附、固定作用；另一方面是細菌和小球藻的協(xié)同共生作用，細菌和小球藻在反應過程中會向系統(tǒng)中釋放磷酸酶等胞外酶，其主要作用是將大分子有機物水解為CO2、H2O、小分子有機酸等物質(zhì)，通過細胞膜被細菌和微藻細胞利用，而細菌在利用這些物質(zhì)生長的同時產(chǎn)生CO2、無機鹽以及生長因子，進而促進藻細胞生長。
3、結(jié)論
①分別采用生物膜、固定化小球藻以及藻菌共生系統(tǒng)處理高氮磷、高鹽度、低有機物的榨菜廢水尾水，從有機物的去除情況來看，生物膜系統(tǒng)的處理效果最佳，COD去除率達到92.18%；藻菌共生系統(tǒng)次之，COD去除率為83.10%；固定化小球藻系統(tǒng)的處理效果最差，實驗結(jié)束時出水COD濃度比初始值增加了78.44%。
②從氮、磷污染物的去除情況來看，藻菌共生系統(tǒng)的效果最好，NH4+-N、TN和PO43--P去除率都達到了100%；固定化小球藻系統(tǒng)的去除效果次之，NH4+-N、TN和PO43--P去除率分別為100%、99.95%、96.70%；生物膜系統(tǒng)的去除效果最差，NH4+-N、TN和PO43--P去除率分別為48.06%、62.80%、10.69%。
③藻菌共生系統(tǒng)對榨菜廢水尾水的綜合處理能力優(yōu)于單獨生物膜系統(tǒng)和小球藻系統(tǒng)，其能夠充分發(fā)揮細菌和微藻兩者的優(yōu)點，為榨菜廢水尾水的處理開辟了有效的新途徑。（來源：重慶大學環(huán)境與生態(tài)學院，重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司）
