生物炭固定菌強(qiáng)化人工濕地對(duì)低溫污水中氮素去除的模擬研究

詹鈞杰

【摘 要】人工濕地具有著良好的除氮素能力，但是在低溫環(huán)境中，人工濕地系統(tǒng)的除氮素能力有所下降，應(yīng)用生物炭固定菌加強(qiáng)其除氮素能力不失為一種有力的手段?；诖?，本文從模擬實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法、模擬實(shí)驗(yàn)過程分析、模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

【關(guān)鍵詞】生物炭固定菌；人工濕地；低溫污水；氮素去除；模擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0031-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.013

0 引言

生物炭具有著良好的吸附能力，在環(huán)境領(lǐng)域中常被用作吸附劑。人工濕地系統(tǒng)對(duì)于處理含氮化合物有著積極作用，其優(yōu)勢(shì)在于能夠處理高濃度氮素污水，但是在低溫環(huán)境中，微生物活性降低，數(shù)量減少，人工濕地系統(tǒng)的除氮效率被大大限制。因此，應(yīng)用生物炭固定菌劑加強(qiáng)除氮素性能，實(shí)現(xiàn)污水的良好凈化效果。

1 模擬實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法

人工濕地是由植物、微生物以及基質(zhì)構(gòu)成的人工自然系統(tǒng)，能夠達(dá)到自然濕地的效果，實(shí)現(xiàn)自然濕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用生物、化學(xué)以及物理三門學(xué)科的共同合作，通過沉淀、吸附等作用對(duì)污水進(jìn)行凈化處理。垂直流人工濕地系統(tǒng)就是近幾年新型的濕地系統(tǒng)，具有著特殊的水流方式。其中人工濕地能夠達(dá)到去除污水的效果主要依靠于微生物的使用，使用微生物固定化技術(shù)，讓難以降解的污水得到良好的處理效果。

進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的材料要在某濕地中冬季底泥內(nèi)將黃假單胞菌分離出來，將黃假單胞菌作為模擬實(shí)驗(yàn)所需要用到的實(shí)驗(yàn)菌株。還需要選擇水稻秸稈作為模擬實(shí)驗(yàn)的原料，將原料放在馬弗爐中，在700℃的條件下炭化三個(gè)小時(shí)，形成一種生物炭的載體。然后需要稱取一定數(shù)量的生物炭載體，放入到錐形瓶之內(nèi)，放入一定的菌懸液。最后將其放入到恒溫振蕩器之中，保持振蕩狀態(tài)8小時(shí)指導(dǎo)吸附平衡，經(jīng)過過濾處理之后的生物炭，也就得到了生物炭的固定化菌劑。

2 模擬實(shí)驗(yàn)過程分析

2.1 構(gòu)建人工濕地

模擬實(shí)驗(yàn)中使用到的人工濕地，使用的是垂直流的結(jié)構(gòu)，在其中設(shè)計(jì)出一個(gè)直徑為50厘米，深度為100厘米的池桶，在池桶的底部設(shè)置一個(gè)出水口，同時(shí)設(shè)置止水閥，實(shí)現(xiàn)控制出水流量的目的。在池桶內(nèi)部要自下而上的放置10厘米厚的鵝卵石、15厘米厚的粗砂粒、20厘米厚的細(xì)砂粒和25厘米厚的土壤。在人工濕地中還需要種植濕地中的香蒲，以每平方米8株的密度種植，在植物生長(zhǎng)情況達(dá)到穩(wěn)定的良好狀態(tài)，運(yùn)行一次，確保人工濕地能夠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中適應(yīng)下來[1]。

將污水以均勻的方式投配到人工濕地的表面系統(tǒng)中，讓污水能夠垂直下滲到濕地底部，經(jīng)過出水口排出去。人工濕地的進(jìn)水系統(tǒng)是來自于當(dāng)?shù)厣钗鬯到y(tǒng)，污水的pH值處于7到8的范圍之內(nèi)，污水的溫度處于6℃到8℃范圍之內(nèi)，污水總懸浮物的質(zhì)量濃度在每升2.毫克到2.5毫克范圍之內(nèi)，污水總氮的質(zhì)量濃度處于每升60毫克到66毫克范圍之內(nèi)，污水氨氮的質(zhì)量濃度處于每升10毫克到15毫克的范圍之內(nèi)。

2.2 氮素化合物的測(cè)定

在人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行之后，將生物炭投入進(jìn)去，對(duì)菌劑進(jìn)行固定化，水溫處于6℃到8℃的范圍之內(nèi)，接種量則處于每升12毫克到60毫克范圍之內(nèi)。設(shè)置A、B對(duì)照組，一組為未投放生物炭固定化菌劑以及生物炭，一組是投加生物炭以及菌劑，對(duì)人工濕地進(jìn)行NH-N等元素濃度的跟蹤測(cè)定，同時(shí)建構(gòu)出低溫環(huán)境中菌劑處理污水的動(dòng)力模型。TN濃度的測(cè)定使用過硫酸鉀氧化聯(lián)合紫外分光的光度法進(jìn)行測(cè)定，對(duì)NH-N濃度的測(cè)定使用的是納氏試劑的光度法進(jìn)行，NO-N的濃度測(cè)定需要使用紫外分光法測(cè)定，NH-N的測(cè)定則是需要使用乙二胺光度法進(jìn)行測(cè)定。

2.3 模擬實(shí)驗(yàn)分析

2.3.1 模擬實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理

在人工濕地處理含氮化合物的過程中，主要是依賴植物吸收效果，以及微生物進(jìn)行的正反硝化作用。在這個(gè)過程中，對(duì)NH-N的處理主要是通過對(duì)微生物進(jìn)行消化處理，將NH進(jìn)行氧化處理得到NO，然后再一次氧化成為NO。對(duì)NO-N、NH-N的處理則是通過將微生物進(jìn)行反硝化作用，讓NO、NH都被還原成為N2以及NO等氣體。去除掉有機(jī)氮?jiǎng)t需要經(jīng)過氨化反應(yīng)，將有機(jī)氮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)氮[2]。

2.3.2 生物炭對(duì)氮素去除率的影響

當(dāng)人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行五天之后，沒有加生物炭和菌劑的A組的出水檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)含氮化合物的去除率約為50%，人工濕地自身具有一定的去除含氮化合物的能力。在添加菌劑的B組出水檢測(cè)中，對(duì)于含氮化合物放入去除率達(dá)到了64%以上，對(duì)NH-N的去除率達(dá)到了65%以上，對(duì)NO-N去除率達(dá)到了62%以上，對(duì)NH-N的去除率達(dá)到了61%以上，這也說明了生物炭本身就具有一定的吸附能力，但是生物炭的吸附效率并不高，需要其他輔助試劑的協(xié)助，才能達(dá)到較為理想的吸附能力。

2.3.3 溫度對(duì)氮素去除率的影響

在微生物反應(yīng)中，溫度變化同樣是重要影響作用。在模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度處于3℃到4℃的情況中，對(duì)于氮素的去除率僅僅為23%。在3℃到4℃、8℃到16℃、21℃到27℃這三個(gè)溫度段上，氮素去除率和溫度之間的相關(guān)系數(shù)能夠達(dá)到0.95以上，這也說明了氮素去除率受到溫度的重要影響。將模擬實(shí)驗(yàn)的溫度設(shè)定在10℃以下，分析氮素化合物的去除率，發(fā)現(xiàn)去除率能夠達(dá)到21%。因此，為了保障人工濕地系統(tǒng)的去氮素效率，必須要在低溫環(huán)境中增加保溫設(shè)施，提高除氮素實(shí)際效果。

2.3.4 菌劑接種量對(duì)氮素去除率的影響

增加生物炭固定化菌劑之后，發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)中各個(gè)含量的去除效率都有了大幅度的升高。隨著接種量的逐漸增加，人工濕地系統(tǒng)在去除低溫污水中所包含的含氮化合物量有了明顯提高。在接種量從每升12毫克增加到每升60毫克的時(shí)候，人工濕地系統(tǒng)在整體去除效率上有著明顯的升高，但是其中當(dāng)接種量達(dá)到每升42毫克的時(shí)候，處理含氮化合物效率的漲幅并不明顯。但是在模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接種量達(dá)到每升60毫克的時(shí)候，去除效果達(dá)到最佳，若考慮到經(jīng)濟(jì)成本，那么每升42毫克的接種量是最為理想的接種量。

2.3.5 水力停留時(shí)間對(duì)氮素去除率的影響

在接種量為每升42毫克的時(shí)候，水溫維持在6℃到8℃，水力停留的時(shí)間在5天左右，在這樣的條件下，發(fā)現(xiàn)生物炭固定化菌劑的去除效率隨著時(shí)間的推移而逐漸增加。在人工濕地運(yùn)行5天之后，含氮化合物去除率最高可以達(dá)到95%左右。在接種量為每升42毫克的時(shí)候，含氮化合物的去除率能夠達(dá)到A組的近兩倍之多。在接種量達(dá)到每升60毫克的時(shí)候，水力的停留時(shí)間維持在10天左右，水溫保持在6℃到8℃條件的情況下，含氮化合物的去除率則能夠達(dá)到95%附近，這也說明了在人工濕地中，污水隨著時(shí)間推移，逐漸增加，污水和菌劑的接觸也就更加充分，氮素去除率也就越來越高。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，分析時(shí)間和去除率的關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)各個(gè)含氮化合物的去除率和時(shí)間存在一定的回歸關(guān)系。生物固定化菌劑能夠在很大程度上減少水力停留時(shí)間，讓含氮化合物去除效率得到穩(wěn)定提高，也更有利于穩(wěn)定人工濕地系統(tǒng)的去除性能。其中生物炭自身就具有著明顯的吸附能力，將生物炭作為固定化載體，讓菌體得到吸附和固定之后，最大程度上避免各種菌類的競(jìng)爭(zhēng)，避免外界因素影響到菌體，有利于保障菌體穩(wěn)定性。當(dāng)生物炭進(jìn)行菌體固定化處理之后，菌體濃度也會(huì)隨著水體流失出現(xiàn)大幅度降低，這也推動(dòng)了生物炭固定化的高效使用，讓人工濕地凈化效率得到保障。

2.4 動(dòng)力學(xué)模型

在模擬實(shí)驗(yàn)中，利用Monod的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)菌劑去除氮素過程進(jìn)行模擬[3]。首先先要假設(shè)降解過程是符合動(dòng)力學(xué)模型的，其中連續(xù)攪拌反應(yīng)器認(rèn)定為人工濕地系統(tǒng)中設(shè)置的主要反應(yīng)器，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算公式進(jìn)行分析。在生物炭固定化菌劑的一級(jí)降解反應(yīng)滿足動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)過對(duì)固定化菌劑投入量的分析，分析出含氮化合物發(fā)生反應(yīng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生物炭固定化菌劑降解氮素的與測(cè)試和觀測(cè)值是互相吻合的，也就是說明生物炭固定化菌劑對(duì)氮素的降解是符合動(dòng)力學(xué)模型的。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

生物炭固定化菌劑的接種量達(dá)到每升12毫克到60毫克的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)人工濕地系統(tǒng)良好的去氮素效果，綜合各方面因素，將接種量設(shè)定為每升42毫克，不僅能夠起到良好的凈化效果，也具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。在接種量為每升42毫克的時(shí)候，固定化菌劑對(duì)人工濕地系統(tǒng)氮素去除效果更好，且具有著穩(wěn)定的除氮素性能。在人工濕地系統(tǒng)中，生物炭固定化對(duì)含氮化合物的降解過程滿足動(dòng)力學(xué)模型。

結(jié)論：綜上所述，本文首先分析了模擬實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法，然后對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了分析，先構(gòu)建人工濕地，分析了生物炭固化菌劑對(duì)氮素化合物的凈化作用，分析了模擬實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理，生物炭、菌劑接種量、水力停留時(shí)間、溫度都對(duì)氮素去除率有著顯著影響，最后進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黎雪然，王凡，秦華鵬，曾祥飛.雨前干旱期對(duì)生物滯留系統(tǒng)氮素去除的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，41（03）：118-123+140.

[2]龔柔艷，諶宏偉，危潤(rùn)初，顏依寒，喬小坡，田偉，王兆成.低溫條件下投加碳源的垂直流人工濕地模擬裝置影響去除微污染水體氮素的試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（35）：310-315.

[3]李笑天，劉錦濤，王乙江，豐林花，衛(wèi)琦，徐俊增，楊士紅.不同濕地-稻田面積比下茭白-茨菇濕地系統(tǒng)對(duì)稻田排水中氮素去除效果的研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2016（11）：70-73.