4種生物柵對(duì)水體含氮污染物治理效果

俞 晟，李邦玉，陳一虎

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 教育與人文學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

4種生物柵對(duì)水體含氮污染物治理效果

俞 晟，李邦玉，陳一虎

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 教育與人文學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

在20%～80%填充率和5～20 h水力停留時(shí)間HRT條件下，以4種生物柵為載體進(jìn)行江蘇宜興澄瀆內(nèi)河中試點(diǎn)河段水體凱氏氮(KN)和總氮(TN)凈化試驗(yàn)，結(jié)果表明：在不同HRT和填充率下，4種生物柵對(duì)KN都有明顯去除，且1#、2#、4#生物柵對(duì)KN去除與填充率無(wú)明顯相關(guān)性，3#生物柵在20%～80%填充率下對(duì)KN去除呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)增加.對(duì)于TN，相同HRT和填充率條件下，2#生物柵處理效果最優(yōu)、1#生物柵和4#生物柵處理效果次之、3#生物柵處理效果最劣. 除3#生物柵，其他生物柵填充率與TN凈化效果呈正相關(guān)，生物柵填充率在0%～60%時(shí)，反應(yīng)槽內(nèi)生物密度從1.1 g/L上升到3.4 g/L，進(jìn)而水體TN去除隨著填充率增加而迅速增加，而填充率在60%～80%時(shí)，生物密度從3.4 g/L增加到4.5 g/L，但水流流穿生物柵阻力增加，致使部分水體難以與內(nèi)部生物柵直接接觸而不能充分發(fā)揮生物柵實(shí)際功效. 在最大填充率80%時(shí)的凈化效果與填充率60%的凈化效果無(wú)明顯差異(p＜0.05). 因此，選用生物柵填充率60%可達(dá)到水體KN和TN控制和削減目的.

生物柵；凱氏氮；總氮；水質(zhì)凈化

我國(guó)城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村含氮污染物的無(wú)規(guī)任意排放仍舊是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的主要原因之一[1]，因此，急需開展控制和削減這類地區(qū)的水體中含氮污染物總量技術(shù)的研究.

生物修復(fù)技術(shù)為當(dāng)今研究熱點(diǎn)，生物過(guò)濾凈化污染水體仍是重要途徑之一[1-3]. 通過(guò)浮島生物柵上固著的高密度微生物(10 000～20 000 mg/L)，以實(shí)現(xiàn)在有限空間內(nèi)高效降解水體污染物，從而達(dá)到凈化和改善水體目的[4-5].該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低廉、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，是一種卓有成效的自然水體修復(fù)方法[2].用固著微生物的生物柵代替自然植物，具有適應(yīng)四季反應(yīng)條件變化大、溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[3]，具有水體污染修復(fù)功能和巨大的應(yīng)用前景.

由于水體污染種類多，且相互關(guān)聯(lián)的影響因素復(fù)雜，雖然在我國(guó)的研究與應(yīng)用日益增多，相關(guān)凈化效果及機(jī)理研究已有報(bào)道[5-7]，但我國(guó)尚未對(duì)生物柵去除水中污染物進(jìn)行詳細(xì)研究，直接指導(dǎo)工程實(shí)踐和應(yīng)用的成果鮮見(jiàn)[2].本研究以江蘇宜興澄瀆內(nèi)河中試點(diǎn)河段水質(zhì)為對(duì)象，通過(guò)4種不同類型生物柵對(duì)水體污染物治理，考察4種生物柵對(duì)水體KN和TN的改善效果，提高對(duì)生物凈化含氮污染物機(jī)理的理解，為生物柵在受污河道建設(shè)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[4-6].

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

江蘇宜興澄瀆內(nèi)河中試點(diǎn)河段經(jīng)疏浚改造，河床為硬質(zhì)基礎(chǔ)，水樣采自試點(diǎn)河道的入湖口 (混合斷面采水樣，取樣點(diǎn)位于中心線水深1/2處，水樣采集后直接放置于4 ℃冰箱內(nèi)保藏，并在2 h內(nèi)完成測(cè)定). 沿岸有1處集中居民區(qū)、2處集中商業(yè)區(qū)和餐飲區(qū)，生活、商業(yè)和餐飲污廢水通過(guò)簡(jiǎn)單砂濾裝置后直接排放至試點(diǎn)河道，無(wú)完善污廢水處理和控制設(shè)施. 試點(diǎn)河道水質(zhì)參數(shù)和取樣斷面水力停留時(shí)間HRT 等水文參數(shù)見(jiàn)表1.

本試驗(yàn)所用4種生物柵用料纖維經(jīng)“煤油/丙酮(V1/ V2=1/1)清洗3次→清水漂洗3次→10%的NaOH(50 ℃)刻蝕0.5 h→10%的HCl清洗3次→清水漂洗3次”凈化[8]，處理后纖維混紡加工成4種不同類別浮島生物柵基體見(jiàn)表2.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每組試驗(yàn)槽規(guī)格均為長(zhǎng)度50.0 cm，寬度50.0 cm，深度65.0 cm(其中超高5.0 cm)，每組試驗(yàn)槽的有效體積V=150.0 L.生物柵 (編織直徑Φ=5.0 cm)上端固定于長(zhǎng)度50.0 cm，寬度50.0 cm浮基上，另一端下設(shè)重墜，使其在反應(yīng)器內(nèi)鉛垂于試驗(yàn)水體中.每種生物柵按15.0 m、30.0 m、45.0 m、60.0 m進(jìn)行剪裁并分別進(jìn)行水體凈化試驗(yàn).生物柵(單位編織體積=2.0 dm3/m)，填充率θ計(jì)算式為

則對(duì)應(yīng)生物柵填充率分別為20%、40%、60%和80% (為最大填充率).

1.3 試驗(yàn)方法

試點(diǎn)河道取水，模擬動(dòng)態(tài)試驗(yàn)見(jiàn)圖1. BOD5、TN和TP水質(zhì)參數(shù)按照國(guó)標(biāo)檢測(cè).生物柵基體以試點(diǎn)河道水體培養(yǎng)，在(25±0.5)℃水溫和(5.8±0.2) mg/L溶解氧條件下控制掛膜30 d，并測(cè)定濕膜膜厚，同時(shí)，在(105±1)℃，干燥2 h測(cè)定固體量，初始密度ρ計(jì)算式為

表1 試驗(yàn)河道參數(shù)

表2 4種生物柵纖維表征

表3 4種生物柵運(yùn)行參數(shù)

保證試驗(yàn)有效體積內(nèi)固體量相等，并分別測(cè)定膜層外層和內(nèi)層氧化還原電位ORP，設(shè)平行試驗(yàn)組和空白試驗(yàn)組.比較進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)水質(zhì)，以研究4種生物柵對(duì)試點(diǎn)河道中污染物去除效果，生物柵運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3.

圖1 生物柵動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 凱氏氮KN去除

KN是水體中現(xiàn)有及潛在氨氮的總和，此類化合物只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的厭氧過(guò)程，便可以氨氮(NH3-N)等的形式釋放至水體中[9].然而，與其他耗氧污染物一樣，KN也可消耗水體溶解氧，使水體水質(zhì)惡化，且其氧化產(chǎn)物 (如硝酸鹽和亞硝酸鹽等) 會(huì)影響水生動(dòng)物和植物，甚至威脅人類自身健康[10-13].

圖2 4種生物柵對(duì)KN去除

雖然KN是水體中TN的主要來(lái)源(見(jiàn)表1)，且在不同HRT和填充率下，4種生物柵對(duì)水體中KN都有明顯去除. 在高進(jìn)水DO(5.8±0.2 mg/L) 條件下，水體中KN流經(jīng)生物膜外層時(shí)，在微生物、膜蛋白和胞外多聚物(EPS)等作用下，消耗水中溶解氧，進(jìn)行硝化/亞硝化反應(yīng)，致使水體中KN被氧化而去除. 雖然生物柵對(duì)KN物的去除過(guò)程主要由附著相和懸浮相微生物協(xié)作完成，但其中附著微生物占多數(shù)[12].因此，相同填充率(4種生物柵反應(yīng)槽內(nèi)生物密度基本相等，最大相對(duì)極差＜3%)，從理論上分析應(yīng)該對(duì)KN去除表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但從圖2中可知，與3#生物柵相比，1#、2#、4#生物柵對(duì)KN去除與填充率無(wú)明顯相關(guān)性(特別在是填充率60%～80%時(shí))(p＜0.05)，這主要由于KN通過(guò)氧化而去除，且氧化反應(yīng)主要借助于膜層外側(cè)好氧微生物層作用，這層微生物活性好，能在極短時(shí)間內(nèi)氧化KN，而無(wú)需經(jīng)過(guò)類似TN去除過(guò)程的滲透、擴(kuò)散和反硝化過(guò)程，生物柵的介入為微生物提供了更加有利的生存環(huán)境，且1#、2#、4#生物柵膜層較薄(0.4～0.8 μm)，在DO濃度為(5.8±0.2) mg/L條件下，氧分子容易擴(kuò)散至膜層內(nèi)部，因此，1#、2#、4#生物柵好氧微生物密度在20%填充率(0.4±0.2 ) g/L和80%填充率(0.5±0.2) g/L 無(wú)明顯差異(p＜0.05). 3#生物柵比表面積小(0.5m2/m)，致使其膜層厚度較大(2.2±0.3) μm，在DO濃度為(5.8±0.2) mg/L條件下，氧分子只在外表層擴(kuò)散，造成3#生物柵僅膜層外表層為好氧生物膜層，因此增加生物柵填充率相當(dāng)于增加好氧生物密度，進(jìn)而在20%～80%填充率下表現(xiàn)出相應(yīng)的去除梯度變化.

2.2 總氮TN去除

水質(zhì)TN直接決定自然水體受污程度，是自然水體水質(zhì)指標(biāo)重要參數(shù)[1，6]，因而研究自然水體TN，考察生物柵人工生態(tài)生物浮床技術(shù)的有效性、可靠性和生物浮床水體修復(fù)水平，以驗(yàn)證生物浮床的凈化效果. 由于生物柵表面比表面積大，附著大量微生物，且生物停留時(shí)間長(zhǎng)，可培養(yǎng)出世代周期長(zhǎng)的微生物種群，同時(shí)經(jīng)過(guò)自然馴化掛膜過(guò)程，附著微生物可有效適應(yīng)自然水體本底污染物，通過(guò)生物降解、硝化—反硝化、吸附等作用，從而削減水體中TN等污染物濃度[7-9].由圖3可知，在相同HRT和填充率條件下，2#生物柵處理效果最優(yōu)、1#生物柵和4#生物柵處理效果次之、3#生物柵處理效果最劣(p＜0.05)，但TN的去除變化規(guī)律與KN的去除變化規(guī)律不完全一致，這點(diǎn)在3#生物柵反應(yīng)槽中對(duì)TN與KN去除差異表現(xiàn)得尤為明顯(圖3，3#).同時(shí)，1#、2#和4#生物柵填充率與TN處理效果呈正相關(guān)，生物柵填充率在0%～60%時(shí)，水體TN去除率隨著填充率增加而迅速增加，而填充率在60%～80%時(shí)，水體TN去除量減緩.這主要是因?yàn)殡S著填充率增加(0%～60%)，相應(yīng)反應(yīng)槽內(nèi)生物密度也增加(1.1～3.4 g/L)，極大加快了物質(zhì)與生物的有效接觸，進(jìn)而加速生化反應(yīng)速率，提高TN去除量.當(dāng)填充率在60%～80%時(shí)，雖然生物密度進(jìn)一步增加(3.4～4.5 g/L)，但由于生物柵填充率達(dá)到最大，增加了水流流穿生物柵的阻力，致使部分水體難以與內(nèi)部生物柵直接接觸[8，10]，不能充分發(fā)揮生物柵實(shí)際功效.在最大填充率80%時(shí)的凈化效果與填充率60%的凈化效果無(wú)明顯差異(p＜0.05).因此，選用生物柵填充率60%可達(dá)到水體TN控制和削減目的.

圖3 4種生物柵對(duì)TN去除

在相同填充率下，固體密度相同，由于4種生物柵表面積不同(見(jiàn)表2)，致使固著在生物柵表面膜厚度不同，進(jìn)而導(dǎo)致污染物在膜層內(nèi)滲透、擴(kuò)散交換速率不同 (2#最快，3#最慢).試驗(yàn)中，4種生物柵表面膜層都可形成外層好氧(ORP=+313-+346 mV) 而內(nèi)層缺氧/厭氧(ORP=-189-+68 mV)狀態(tài)，致使TN污染物在好氧-缺氧/厭氧條件下發(fā)生硝化和反硝化反應(yīng)進(jìn)而削減去除[7，10].雖然2#內(nèi)層ORP=-79± 8 mV，未能達(dá)到嚴(yán)格厭氧，但由于固著膜厚度小 (0.4 μm)，使得TN通過(guò)膜層阻力小，能及時(shí)進(jìn)行物質(zhì)與能量交換[11]，硝化產(chǎn)物向內(nèi)層擴(kuò)散順利進(jìn)行反硝化(NO3-N與NO2-N累積濃度之和＜0.2 mg/L)，而反硝化產(chǎn)物 (如氣體) 在小阻力下通過(guò)膜層進(jìn)入水體和大氣，以實(shí)現(xiàn)TN污染物快速有效去除. 對(duì)于3#生物柵，內(nèi)層ORP=-189±6 mV，有利于TN的反硝化過(guò)程，但由于膜層較厚(2.2 μm)，導(dǎo)致TN通過(guò)膜層推動(dòng)力和時(shí)間增加，膜層內(nèi)外物質(zhì)與能量交換緩慢[11]，硝化產(chǎn)物不能快速在內(nèi)層反硝化 (NO3-N與NO2-N累積濃度之和=4.2±0.3 mg/L)，同時(shí)反硝化產(chǎn)物 (如氣體) 也很難通過(guò)膜層進(jìn)入水體和大氣[5，12]，這些均阻礙了水體中TN污染物的有效去除. 這一現(xiàn)象，與傳統(tǒng)生物膜ORP越低越有利于反硝化的結(jié)論不一致[5，8，13].

3 結(jié)論

1) 在不同HRT和填充率下，4種生物柵對(duì)KN都有明顯去除，且1#、2#、4#生物柵對(duì)KN去除與填充率無(wú)明顯相關(guān)性，3#生物柵在20%～80%填充率下，對(duì)KN去除呈現(xiàn)相應(yīng)增加.

2) 對(duì)TN，相同HRT和填充率條件下，2#生物柵處理效果最優(yōu)、1#生物柵和4#生物柵處理效果次之、3#生物柵處理效果最劣.

3) 除3#生物柵，其他生物柵填充率與TN凈化效果呈正相關(guān)，生物柵填充率在0%～60%時(shí)，水體TN去除隨著填充率增加而迅速增加，而填充率在60%～80%時(shí)，水體TN去除效果無(wú)明顯差異.

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(責(zé)任編輯：李 華)

Removal Effect of 4 Bio-grids on Nitrogenous Pollutants in Waters

YU Sheng，LI Bang-yu，CHEN Yi-hu
(School of Education and Humanities，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

In order to understand the removal effect of the 4 bio-fillers on Kjeldahl nitrogen (KN) and total nitrogen (TN) in river waters，the experiment is conducted under the conditions of 20%-80% of flling rate and 5-20 h of hydraulic retention time (HRT). The effect of 4 bio-fllers on KN and TN removal is obvious. Although the removal effect of 3# bio-fller on KN is promoted at 20%-80% of flling rates，the no correlation is found between the flling rates and the removal effect of 1#，2# and 4# bio-fllers on KN (p＜0.05). For TN，2# biofiller can eliminate more TN than 1# and 4# bio-fillers (the next in effect) and 3# bio-filler (the most inferior) with the same HRT and flling rates. Except 3# bio-fller，the positive correlations are observed between flling rates and the TN removal amounts to other bio-fillers. The concentration of microorganism is from 1.1 g/L to 3.4 g/L which makes the TN removal more rapid within 20-60% of filling rate. Meanwhile，when the concentration of microorganism is from 3.4 g/L to 4.5 g/L within 60-80% of flling rates，the fow resistance is increased to hinder some removal abilities which means that the internal bio-fillers can not have the chances to contact the contaminated waters directly. It is indicated that the removal effects of 4 bio-fllers on KN and TN are not more effcient at the 60% and 80% of flling rates (p＜0.05). Thus，the 60% of flling rates of the 4 bio-fllers are able to decrease and control the KN and TN pollutants of river water.

bio-fller；KN；TN；water purifcation

X52

A

1008-5475(2015)01-0013-05

2014-11-28；

2014-12-17

江蘇省企業(yè)博士聚集計(jì)劃項(xiàng)目資助(蘇人才辦-201004)；蘇州市職業(yè)大學(xué)校級(jí)課題資助項(xiàng)目(2013SZDQ11)

俞 晟(1981-)，男，江蘇蘇州人，博士，主要從事水體污染控制與修復(fù)及有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化研究.