实验选取 4 只容量为 20l 的水桶，分别编号为 1、2、3、4，其中设置 1 号为空白对照组，2-4 号分别放置已挂膜的人工水草 100cm，并各自向各个水桶中加入储备原液 100ml。分别调整 pH，第一组为 5.0~6.0 之间、第二组为 7.0~7.5之间、 第三组为 8.0~8.5 之间、第四组为 9.0~9.5 之间。我们选用曝气泵在上午 9~11 进行曝气，曝气 2h。实验运行期间定期监测总磷、COD、总氮和氨氮 pH 的变化趋势。在本实验中取将平均值作为平行实验的最终结果。
据实验可得， 氨氮、COD、总氮和总磷的祛除效果在pH 值 8.0~8.5 时最好，7.0~7.5 中等，5.0~6.0 最不好。由此可得，人工水草对人工配制污水的去除效果最好的 pH值范围为在 8.0~8.5 之间。
2.2.3 温度
温度通过对微生物酶的活性的影响来影响达到人工种植水草的挂膜的影响。
2.2.3.1 实验设计
本实验选用了 4 个容量为 20l 的相同的注入 100ml 储备原液的水桶，其中 1，2，3，4 分别模拟春、夏、秋、冬的季节温度。
2.2.3.2 不同季节的温度对人工水草污染物净化效果
研根据本实验：在一定环境温度控制范围内，温度的升高与污染物的去除效果提高有极其明显的线性相关关系。对于COD、氨氮和总氮的去除效果，温度的变化会对应带来显著的影响，但对总磷的去除效果其影响不明显。综上所述，在春、夏、秋、冬四个季节中，对操作和使用最有利的季节是夏季，最不利的是冬季，而春季和秋季对人工水草基本无影响。
水中溶解氧的水平在一定程度上可以能够进行反映水槽挂膜的实践和硝化影响作用及生物技术降解的 进程。
2.2.4.1 实验设计
本实验选用 4 个容量为 20l 的水桶，编号分别为 1，2，3，4，其中 1 号为空白对照组，2-4 号中将已挂膜的人工水草 100cm 放入储备原液中。定期曝气，使 2-4 号溶解氧分别 为 0~2mg/l，3mg/l~5mg/l，6 mg/l~8mg/l。 并 检 测 相关污染物浓度。
2.2.4.2 不同溶解氧浓度对人工水草净化效果的影响
由 本 实 验 可 得： 在 溶 解 氧 浓 度 为 3mg/l~5mg/l 区 间范围内时人工水草对于 COD 和氨氢去除效率最高，6mg/l~8mg/l 时 中 等，0~2mg/l 时 最 差； 对 于 总 氮，6mg/l~8mg/l 时去除率最高，3mg/l~5mg/l 中等，0~2mg/l 最差。综上所述，最佳溶解氧浓度是 3mg/l~5mg/l。
2.3 天然水草及水生植物的影响因素
2.3.1 密度
2.3.1.1 实验设计
为探究水生植物祛除 TN、TP 时种植密度对水体中的影响，我们在水体里对实验的水生植物施以不同的种植密度，占水面面积为 0、25%、50% 和 75%。
2.3.1.2 实验结果分析
6 种水生植物在不同密度下对 TN 的去除率见图。
总结
（1）种植密度为 75% 或 50% 时， 总体净化效果最优。
（2）在实验的水生植物中，芦苇最优种植密度为 75%时，对氮的去除率最好，达 74.06%；狐尾藻在种植密度为75% 时，对磷的去除率最好，达到 72.13%.
2.3.2 部位
2.3.2.1 实验设计
为探究水生植物根部含 TN 量，选取沉水植物：金鱼藻、狐尾藻；挺水植物：黄菖蒲、芦苇；浮水植物：水芙蓉、睡莲为实验材料。比较试验前后 6 种水生植物根、茎、叶中TN 的含量。因为水中的植物狐尾藻和金鱼藻没有根，所以只测量了茎和叶。
2.3.2.2 实验结果
分析不同部位 TN 含量：
不同部位 TP 含量：
总结：
（1）芦苇根部和黄菖蒲茎叶部位吸收 TN 能力最强；
（2）挺水植物和浮水植物茎叶部位积累 TN 能力均高于根部；
（3）芦苇对 TP 的积累能力优于其他水生植物。
3 应用研究
3.1 人工水草相关数据的选择
最好选择 1m 长的人工水草，并在 20℃ ~30℃，pH 在8.0~8.5，溶解氧浓度为 3mg/l~5mg/l 时净化效率最高。
3.2 优质藻种的选择
基于上述原理，我们设计了一个一体化的藻类污水处理池。箱内固定多套可拆卸板，板内采用聚乙烯材料作藻类载体，四角和中心预先固定少量优质精选藻类。具有夏、冬两个版本。箱体底部密盖曝气孔，采用低压供氧方式。此外，为进一步提高效率，在盒子中垂直插入自然光管，补充藻类生长所需的光。
目前，在污水处理相关的领域，应用频率最高的藻种为小球藻、栅藻以及纤维蓝藻，其中由纤维蓝藻形成的网状结构可捕获单细胞绿藻。在这个微生物群落的基础上，我们添加了多种水生植物与它一起发挥作用，以达到吸收氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐等污染物的最佳效果。
3.3 浮生水草的选择
（1）浮叶植物浮叶植物的净化能力受生物量影响较小。而在浮叶植物中睡莲净化能力较强，最好的选择是睡莲。
（2）漂浮植物对于漂浮植物，生物量变化量对 TN、COD 的净化能力影响较大。漂浮植物中凤眼莲的净化技术能力发展最强，且凤眼莲对 COD 的净化工作效率有显著提高优势。最好可以选择凤眼莲。
3.4 引水口挺水植物的选择
变叶芦竹、芦苇、香蒲、美人蕉对 TN 的净化能力较强，具有显著优势（P^0.05）。芦苇对 NH3-N 和 TP 以及 SS的净化效果最好（P^0.05）。菰在 45 d 和 60d 净化能力相对较弱，之后净化能力逐渐递增。所以最好选择芦苇、变叶芦竹、香蒲和美人蕉。
3.5 高效藻类体系结合
后期我们将利用浆轮搅拌混合，形成浅水氧化技术体系，在传统处理箱基础上，不断强化管理手段促进藻类和细菌的生长，形成更紧密的藻菌共生理论体系，使其具有更高的藻类生物量产率和养分去除率。当藻类生物量的生产浓度控制在 8~35 g·m-2·d-1 之间，直接使用水体自然生长的藻类聚集体，如比较常见的绿藻和蓝藻，经过适当的停留时间，高效藻池系统的养分去除率可达 70% 以上。
4. 水草再利用
4.1 示意图
4.2 装置组成
该装置主要由三部分组成：提取液提取分离机、新型沼气池、沼气发电机。
4.2.1 提取液提取分离机
该装置将水草藻类滤水、打碎并研磨，加入 5 倍 80%甲醇溶液，搅拌浸提，重复该过程 2~3 次，过滤后取滤液浓缩，即为提取液。特别的是，此装置需额外密闭，避光。
4.2.1.1 原料来源
该装置主要原料成本包括狐尾藻、蜈蚣草、水葫芦、铜钱草等各类社会广泛使用生长的水草和藻类。该设备的原料应根据实际情况、水生植物和藻类在当地水中生长良好、对水体生态平衡的威胁来进行合理选择。同时进行沼气发酵原料，可根据当地发展实际工作情况可以添加信息包括且不限于猪粪、牛粪、人粪、秸秆等可发酵物。
4.2.1.2 获取原理
植物进行生长环境调节社会物质可大致分为六种不同类型，及生长素，赤霉素，细胞分裂素，脱落酸，乙醇和生长阻塞剂。现有的实验已经证实，生长素、红霉素等促生长物质广泛分布于各种植物和藻类中。用于提取植物激素的有机溶剂目前常用甲醇。提取方法：将待提取的植物材料捣碎，用 80% 甲醇浸泡，不断搅拌，一定时间后过滤，用新鲜的 80% 甲醇浸泡残渣，提取三到四次，最终混合，减压浓度温度低于 40℃，直至净甲醇。
4.2.2 新型沼气池
另外，萃取分离器产生滤渣通过进料口输入甲烷罐进行甲烷发酵。产生的沼渣可用作农业生产肥料。
4.2.2.1 传统发酵技术分析
在传统的沼气池、动物粪便、作物秸秆和含有纤维素的有机废物中，液体是静止的，比例不如水的物质漂浮在池顶，时间越长，壳越厚越硬，这减少了池塘中有效发酵的可用空间，并且沼气的生产缓慢地停止。因此，传统沼气池的生产周期短，使用寿命有限。
4.2.2.2 水草藻类是优质发酵原料
（1）根据计算推测，在厌氧条件下，水葫芦厌氧发酵理论产沼气的潜力为 413.4ml ／ g，其中甲烷含量为 50．1％。实验得出，在 25 ℃恒温条件下， 水葫芦总固体产气潜力为 634ml/ g ，产气潜力为 834ml/ g，新鲜原料产气潜力为 33.36 ml/g。
（2）如果将藻类用于发酵生产沼气，可以解决脱水困难问题，且可以大规模处理藻类发酵产生的沼气，并在发酵过程中降低藻类的毒素含量，从而实现藻类作为资源的利用。
（3）使用粪、草、藻结合作为沼气发酵的原料，好处有：1. 使沼气发酵的原料更多样化，避免原料短缺。
2. 延长产气时间。
3. 混合发酵的水生植物和藻类与其他牲畜和家禽粪便或人类粪便和尿液可以提高水生植物气体的生产效率。
4.2.2.3 新型沼气池
软体池在建造上也更加的因地制宜，对条件的要求较低。沼气池浮罩选用软体沼气池的制作材料热合成型，做成直径1m~3m，高 1m~1.4m 的圆柱体或长方体，在沼气池浮罩上方安装出气口，连通输气管。底部两侧黏合，用金属丝或塑料管螺纹固定在沼气池的下半部。出气口通过提高输气管道网络连接沼气可以存储袋，沼气存储袋内安装气压监测器，达到安全气压后开启沼气发电机产品进行研究发电。在沼气池中加入一个具有混合效果的人体式混合器。将较轻的水藻与较重的粪便及其他原料混合。同时，可以使地壳的一部分液体平面在发酵罐的身体浸入液面以下，以便解决影响天然气生产的发酵材料结壳和发酵罐的问题，并提高产气效率。软体沼气池与传统沼气池的对比
其他优势：
（1）清渣可掀开红泥软体沼气池浮罩直接进行清理。
（2）稳定性好。红泥膜耐酸碱，在防冻、防暴晒方面均表现良好。
（3）维修方便。设备被破坏后可使用 PVC 黏合剂修复。
4.2.2.4 沼渣应用
沼渣可以通过好氧堆肥技术用作植物生长的有益肥料。
可以增强文化土壤的持水能力，提高中国植物的抗旱性。同时，堆肥中还含有大量的 N、S 等营养物质，可作为园艺植物和农作物的营养来源。
4.2.3 沼气发电机
沼气发生器利用沼气发电、抽提分离器等电机运行。沼气发电机可与蓄电池等装置相连，便于电量的 存储。
4.3 装置自动化及智能控制系统
提取分离机启动后，将水生植物藻类切碎、研磨并流入混合箱，并按照预设的程序向混合箱中加入相应含量的甲醇溶液，并将混合箱按一定速度搅拌相应的时间。搅拌盒操作完毕后，打开搅拌盒的一侧并流向过滤装置。滤渣直接通过滤渣出口排出，滤液进行收集后自动控制开始加压浓缩。通过控制面板调节和操作。分别提示原材料短缺和操作完成。通过大数据预测水草藻类植物生长总量，结合沼气池容量，向沼气池管理者反映各类产品原料需求量，提前从动物养殖场内收购动物粪便，向农户收购各种不同秸秆，以满足沼气发酵技术需求。内部传感器采集数据，实现数据实时传输，一旦数据异常可以有效监测，便于调控原料配比及池内 pH 酸碱度，调节发酵速度。太阳能加热系统，通过水循环为沼气发酵提供热量，保证年产气量。
5. 建议
（1）建议将人工水草及藻类运用于微污染或重度污染环境水体中，避免使用人工水草及藻类脱落从而造成影响二次工业污染。
（2）建议同时安排和采用藻类和人工水草的共生系统，不仅依靠微生物的污染排放和净化效果，还可以利用漂浮植物。
（3）建议将挺水植物放置在排水口的水塘中，与装置通过结合，挺水植物不仅能达到这样一个数据预处理的效果，还能将过剩的或者没有死亡的水生植物资源收集起来放到沼气池中进行发酵。
（4）为了实现碳中性和碳达峰的目的，在水生植物与藻类结合外，结合沼气池的设计，收集死的水生植物进行发酵，利用沼气发电，为整个装置提供动力。同时建议结合上自动化的设计和深度学习算法，自动计算合适的污水处理方案。
原标题：藻类水草共生体系在污水处理中的应用
原作者：周小凯，姜怡杰，邓 迎 ， 李佳益，王宇恒
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