浮床技術(shù)組合工藝凈化人工廢水中氮素的試驗研究

張擇瑞，田 創(chuàng)，方 超，汪家權(quán)

(合肥工業(yè)大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009)

隨著水環(huán)境污染以及生態(tài)環(huán)境的日趨惡化，污染水域的生態(tài)凈化技術(shù)受到普遍關(guān)注。其中生態(tài)浮床作為一種水體生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境治理兼顧的技術(shù)是比較有效的方法之一[1]，該技術(shù)具有無環(huán)境風(fēng)險和二次污染，材料來源廣，且可產(chǎn)生經(jīng)濟效益和營造水面景觀等優(yōu)點[2]。生態(tài)浮床技術(shù)在國外研究較早，并取得了一系列研究成果[3-5]。國內(nèi)宋祥甫等[6]1998年利用水稻作為浮床植物治理富營養(yǎng)化水體，在收獲作物的同時對水體中氮、磷的去除率分別達58.7%和49.1%。目前，我國生態(tài)浮床技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用處于快速發(fā)展時期，并對各種污染水體取得了較好的治理效果[7-10]。

氮素是水體污染的主要指標(biāo)之一，對氮素降解相關(guān)技術(shù)的處理效果研究具有重要意義。普通水生植物浮床僅種植水生植物，其生物要素單一，構(gòu)成完整生態(tài)系統(tǒng)的水生動物及微生物等的構(gòu)建環(huán)節(jié)較為薄弱，限制了生態(tài)功能的發(fā)揮，也制約了其水質(zhì)凈化效能的進一步提高[11-12]。為提高生態(tài)浮床對污染水體的處理效率，本課題組設(shè)計了新型的生態(tài)浮床[13]并發(fā)掘了高效新型浮床植物。曝氣復(fù)氧是目前國內(nèi)外常用的修復(fù)污染水體的方法之一，根據(jù)水體污染后缺氧的特點，人工向水體充入空氣或氧氣，加速水體復(fù)氧過程，以提高水體DO(溶解氧)含量[14]。薛彥君等[15]研究曝氣對水中營養(yǎng)鹽的影響，發(fā)現(xiàn)曝氣量2.4 m3/(m2·d)，曝氣4 h/d時水體中營養(yǎng)鹽的去除效果最佳；羅固源等[16]在污染河水脫氮試驗中發(fā)現(xiàn)風(fēng)車草、香根草和菖蒲浮床對TN(總氮)的平均去除率分別達到45.6%，38.9%和36.1%；吳慧群等[17]比較阿克曼生態(tài)基和人工水草(綠色纖維地毯)對有機廢水的處理效果，發(fā)現(xiàn)兩者效果相當(dāng)。

目前，常采用曝氣、投加污泥、增設(shè)人工水草等工藝來處理氮素，采用浮床技術(shù)與曝氣、添加污泥、增設(shè)人工水草等工藝相結(jié)合處理污水并比較其處理效果方面的研究較少?；诖耍P者以自行配制的人工廢水為研究對象，采用浮床技術(shù)與曝氣、污泥、人工水草等輔助工藝相組合，比較分析不同條件下對人工廢水處理的效果，以期強化浮床技術(shù)，使其能進一步提高相關(guān)水體的處理效率。

1 試驗

1.1 人工廢水的配制

試驗用水為校園斛兵塘湖水與自來水按體積比1∶1混合，湖水中0.11 mg/L，且根據(jù)植物營養(yǎng)液配方[18]，配制人工廢水。其中，ρ(TOC)=22.0~23.6 mg/L，達《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的劣Ⅴ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)[19]。

1.2 試驗設(shè)備與材料

1)浮床

使用自行設(shè)計、組裝的生態(tài)浮床，如圖1。浮床框架為長方形，長60 cm、寬40 cm，材質(zhì)為PVC管(管徑3 cm)、方形格漁網(wǎng)和尼龍線等。將截斷的PVC管用彎頭和PVC膠連接，形成框架。該浮床框架中空，所用PVC材質(zhì)較輕，故框架具有傳統(tǒng)浮床框架和浮體的雙重功能。用尼龍線將漁網(wǎng)固定在框架上，并將兩層框架垂直固定在一起形成浮床。若在浮床中種植植物，可將植物種植在兩層網(wǎng)的網(wǎng)格中，生物填料掛在浮床下。

圖1 試驗所用浮床實物圖Fig.1 Photo of the floating bed used for the experiment

2)水箱

4個，為白色聚乙烯材料制成的長方體結(jié)構(gòu)，無臭無毒，穩(wěn)定性好，體積180 L（60 cm×60 cm×50 cm）。

3)其他設(shè)備

曝氣設(shè)備為增氧泵，在增氧泵上連接氣管和氣石，氣石為高溫?zé)Y(jié)的硅酸鹽材料，可使氣泡均勻分散在水箱中，以提高氧氣的溶解量和利用率。試驗曝氣量為2.0 m3/(m2·d)，采用連續(xù)曝氣的方式。另外，還有為接通曝氣增氧泵所用的電線和插板等器材。

4)人工水草

為市場上銷售的普通化纖地毯[17]，地毯正面為豎形條紋、有絨毛，反面編織精密，具有一定的孔隙度、易吸水，表觀質(zhì)地與阿科蔓生態(tài)基相似，且價格便宜。地毯顏色為綠色，與水草顏色相近。

5)活性污泥

取自合肥王小郢污水處理廠曝氣池中泥水混合液，為好氧活性污泥，質(zhì)量濃度約為3 000 mg/L。所取活性污泥是絮狀顆粒物，呈黃褐色，有土腥味，且具黏性；菌膠團結(jié)構(gòu)致密，形狀不規(guī)則，細(xì)菌種類繁多；含水率大于99%，pH為7.0左右；污泥表面凸凹不平，粒徑較小，粒徑小則比表面積大，吸附量也就大。

1.3 試驗過程

試驗于2017年6月1日—2017年7月25日進行，試驗周期為54 d，氣溫在18~35℃之間。試驗場地通風(fēng)透氣，光照充足。并列放置4個同一規(guī)格容積為180 L的白色長方體水箱(1~4號)，水箱內(nèi)既不易落入灰塵，也不會濺入雨水，可避免外部條件對試驗結(jié)果的影響。浮床置于水箱內(nèi)，人工水草懸掛在浮床下，為微生物生長提供場所。為避免不同組合條件下植物生長狀況對試驗結(jié)果造成的干擾，水箱內(nèi)均不種植植物。

往每個水箱里加入120 L濃度相同的自配人工廢水，接通曝氣裝置。其中，1號水箱內(nèi)的試驗工藝為曝氣+污泥+人工水草，2號水箱為曝氣+污泥(無人工水草)，3號水箱為曝氣+人工水草(無污泥)，4號水箱為污泥+人工水草(不曝氣)，4個水箱內(nèi)污泥投加量均為10 L。對各水箱定期(前期兩天一次、后期三天一次)、定時(中午12：00)、定量(200 mL)取樣，采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》[20]中的方法測定的含量，其中氨氮和亞硝酸鹽氮采用氣相分子吸收光譜法，硝酸鹽氮采用紫外分光光度法。為避免水分蒸發(fā)和植物蒸騰消耗水分導(dǎo)致的水面降低引起的水體三氮濃度升高(每次從水箱中取出用于檢測的人工廢水體積比整箱水的體積小得多，故每次取水導(dǎo)致水箱中污染物濃度的變化可忽略)，在水箱上畫上水位線，當(dāng)水箱水位下降時，向水箱中加入去離子水保持水位不變，但不會影響水箱內(nèi)各污染指標(biāo)總量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氨氮凈化效果的比較

圖2 各水箱內(nèi)量的變化趨勢Fig.2 Change trend of the content of in each water tank

4個水箱內(nèi)氨氮的變化趨勢如圖2。由圖2可知：4個水箱內(nèi)氨氮的初始質(zhì)量濃度相同，約為27 mg/L；曝氣的3個水箱試驗結(jié)束時，氨氮的降解率均達97.6%。生態(tài)浮床去除的主要途徑有植物吸收、硝化反應(yīng)和氨發(fā)揮等[21]，且大部分依賴于微生物的硝化過程[22-23]，合適的曝氣可提高了水體中DO的含量，為好氧微生物的生長提供良好環(huán)境，同時增強硝化細(xì)菌對氨氮的轉(zhuǎn)化作用；曝氣能夠提高植物浮床根系硝化細(xì)菌的數(shù)量和活性，增強氨氮的去除效果[24]，而人工水草具有與植物根系相似的作用，故曝氣對人工廢水中氫氮的去除具有良好的促進作用。試驗初期，曝氣+污泥+人工水草的1號水箱在試驗進行第6 d時氨氮降解率為89.9%，第39 d時氨氮質(zhì)量濃度為0.71 mg/L，降解率為97.4%，水質(zhì)達到Ⅱ類；曝氣+污泥(無人工水草)的2號水箱氨氮降解速率略低于有人工水草的1號水箱，試驗進行12 d氨氮降解率為88.3%。活性污泥處理過程中氮素的轉(zhuǎn)化包括有機氮的礦化和氨態(tài)氮的硝化[25]。有機氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為，部分和有機氮，部分以氣態(tài)揮發(fā)[26]。活性污泥中含多種好氧和厭氧生物，這些生物在好氧條件下會大量繁殖并利用氨氮將其分解轉(zhuǎn)化為自身機體的一部分；與此同時，活性污泥將大量氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)吸附在其表面。所以在曝氣條件下，在投加活性污泥的1、2號水箱里，氨氮濃度迅速下降，而加入人工水草的1號水箱內(nèi)氨氮濃度的下降比無人工水草的快，這是因為人工水草有巨大的比表面積和粗糙的表面，微生物易于在其上附著，為微生物的生長提供了更多的生長空間，有利于微生物的生長繁殖，而無人工水草的水箱內(nèi)微生物大多附著、沉淀在水箱四周內(nèi)側(cè)和底部，限制了氨氮的降解。

由圖2還可看出：投加污泥不曝氣的4號水箱和曝氣無污泥的3號水箱在試驗進行20 d前氨氮濃度變化較?。辉囼炦M行20 d后，3號曝氣無污泥的水箱氨氮濃度出現(xiàn)較為明顯的下降，50 d左右降至最低，而加污泥不曝氣的4號水箱內(nèi)氨氮濃度稍有下降，但不明顯。無污泥的3號水箱微生物含量少，在曝氣條件下，微生物形成較大的群落需一定時間，所以在試驗進行20 d前氨氮濃度下降不明顯；當(dāng)微生物數(shù)量達到一定值時，可加快氨氮的降解速率，直至將其耗盡，所以20 d后氨氮濃度降低明顯，至50 d時降至最低。投加污泥但不曝氣的4號水箱內(nèi)雖有大量微生物，但水箱內(nèi)氧氣不夠充分，大量微生物在厭氧條件下死亡，故氨氮降解不明顯。

2.2 亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮變化情況

4個水箱內(nèi)亞硝酸鹽氮變化趨勢如圖3。由圖3可看出：曝氣但并未投加污泥的3號水箱內(nèi)，亞硝酸鹽氮濃度呈先增加后降低的趨勢，試驗進行16 d后，濃度逐漸增加，最大質(zhì)量濃度達9.27 mg/L；30 d后亞硝酸鹽氮濃度逐漸降低，直至為0。這是因為沒有投加活性污泥的3號水箱內(nèi)初始硝化細(xì)菌較少，試驗進行16 d后，在曝氣的條件下，好氧的硝化細(xì)菌逐漸增多，氨氮在硝化細(xì)菌的作用下逐漸轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，由于曝氣，水箱中溶解氧含量充足，隨即將亞硝酸鹽氮氧化成硝酸鹽氮。隨著試驗的進行，氨氮幾乎全部被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，繼而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，水箱內(nèi)亞硝酸鹽氮濃度降低，而硝酸鹽氮濃度隨亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化的積累而增加。在好氧條件下，3號水箱缺少活性污泥絮凝體提供的微環(huán)境，致使厭氧的反硝化細(xì)菌生長繁殖受到限制，反硝化反應(yīng)速率很低，大量硝酸鹽氮不能通過反硝化作用除去。圖4為圖3的局部放大，由圖4可知，1，2，4號水箱內(nèi)亞硝酸鹽濃度變化趨勢也是先增加后降低，但在整個試驗過程中均較低，最高質(zhì)量濃度為0.20 mg/L。

圖3 各水箱含量變化趨勢Fig.3 Change trend of the contentin each water tank

圖4 各部水箱含量變化趨勢Fig.4 Change trend of the content ofin some water tanks

圖5 各水箱含量變化趨勢3Fig.5 Change trend of the contene ofin each water tank

圖5為4個水箱內(nèi)硝酸鹽氮變化趨勢。從圖5可看出：在曝氣和投加活性污泥的，2號水箱內(nèi)硝酸鹽氮濃度呈先高后低的變化趨勢；有人工水草的1號水箱內(nèi)硝酸鹽氮濃度比無人工水草的水箱高；曝氣但未投加活性污泥的3號水箱內(nèi)硝酸鹽氮濃度逐漸升高；投加活性污泥并未曝氣的4號水箱內(nèi)硝酸鹽氮濃度一直很低，試驗后期濃度有所升高。這是由于曝氣并投加活性污泥的1，2號水箱內(nèi)存在大量硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，在曝氣條件下，由氨氮硝化作用轉(zhuǎn)化的亞硝酸鹽氮迅速轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，在這兩個水箱內(nèi)沒有亞硝酸鹽氮的積累。有人工水草的水箱內(nèi)，氨氮降解速率大于無人工水草的水箱，水箱內(nèi)氨氮濃度低，說明有更多的氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。由于活性污泥的存在，硝化作用進行的同時進行著反硝化作用，在大量反硝化細(xì)菌的作用下，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮并迅速轉(zhuǎn)化為一氧化氮，最終轉(zhuǎn)化為氮氣溢出水體，致使氮素從水中去除。投加活性污泥但不曝氣的4號水箱，因好氧的硝化細(xì)菌生長受到限制，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮的量很少，硝酸鹽氮濃度也就較低，在厭氧條件下，反硝化細(xì)菌的生長并未受到限制，故亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度都處于較低水平。、

2.3 三氮之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律

圖6 1號水箱內(nèi)三氮之間含量的轉(zhuǎn)化Fig.6 Conversion of the content among the three kinds of nitrogen in tank 1

3 結(jié) 論

采用浮床曝氣、投加活性污泥、添加人工水草等不同組合搭配的工藝處理人工廢水，研究各工藝對人工廢水中氮素降解效果的影響，主要結(jié)論如下。

1)曝氣并投加活性污泥的2號水箱內(nèi)氨氮下降迅速，試驗進行12 d氨氮降解率為88.3%，曝氣、投加活性污泥且添加人工水草的1號水箱內(nèi)氨氮降解更快，試驗進行第6 d氨氮降解率為89.9%；曝氣、添加人工水草、無活性污泥的3號水箱內(nèi)試驗進行20 d后氨氮濃度下降明顯，但水箱內(nèi)硝酸鹽氮不斷積累，整體氮素去除效果不明顯。

2)曝氣并投加活性污泥的水箱內(nèi)進行著強烈的硝化和反硝化作用，在硝化與反硝化的共同作用下，三氮含量均減小，致使氮素的最終去除。

3)曝氣的水箱內(nèi)氨氮降解率均達97.6%，不曝氣水箱內(nèi)氨氮降解不明顯，而無活性污泥的水箱內(nèi)硝酸鹽氮積累很多，曝氣與污泥的結(jié)合可有效降解污水中的氮素。故在池塘、湖泊等有污泥存在的條件下，可通過曝氣與浮床技術(shù)結(jié)合來凈化含氮污水。