低溫條件下組合式浮床脫氮效果研究

呂宣惠

(江蘇大眾水務(wù)集團(tuán)有限公司,江蘇 徐州 221111)

生態(tài)浮床是根據(jù)無土栽培技術(shù)，利用水陸生植物生長(zhǎng)修復(fù)黑臭水體、富營(yíng)養(yǎng)化水體生態(tài)工程技術(shù)。近些年來，生態(tài)浮床因維護(hù)簡(jiǎn)單、無占地、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和景觀美化效果好等特點(diǎn)受到普遍的關(guān)注[1]。傳統(tǒng)的生態(tài)浮床僅是依靠水生植物同化作用和根系微生物氧化分解作用去除水體中的污染物，個(gè)體植物矮小和枯黃，凈化效果較差。將污水生物處理中的生物載體引入生態(tài)浮床中并組建成組合式生態(tài)浮床，組合式生態(tài)浮床通過強(qiáng)化浮床系統(tǒng)中生物量的方法，增強(qiáng)了生態(tài)浮床的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效益，生態(tài)修復(fù)效果，并得到了大量的研究和工程應(yīng)用[2-6]。

因?yàn)榈乇硭w的低C/N比或內(nèi)源碳不易降解使地表水體中的氮磷污染較重，組合式生態(tài)浮床沒有很好的解決這個(gè)問題，導(dǎo)致水體中的氮磷植物性元素生物脫氮和生物除磷過程受阻，水體富營(yíng)養(yǎng)化不能得到有效控制和消除[6-7]。

但是目前國(guó)內(nèi)外已有的研究主要側(cè)重于生態(tài)浮床的設(shè)計(jì)和凈化、植物搭配和優(yōu)選、浮床凈化效果優(yōu)化以及浮床對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響等等領(lǐng)域[1，3，5，6，8，9]。而如何解決優(yōu)質(zhì)碳源缺乏提高水體脫氮除磷的效果鮮有報(bào)道，特別是低溫條件下的水體脫氮除磷難題。

基于低溫條件下生態(tài)浮床景觀和脫氮除磷效果雙重需要，本次試驗(yàn)結(jié)合固相反硝化原理、無土栽培原理、生物反硝化原理等耦合在一起，構(gòu)建了一種新型的組合式生態(tài)浮床[2]。改變了傳統(tǒng)組合式生態(tài)浮床植物根系和人工填料相對(duì)位置，將懸掛在浮體下面的填料調(diào)整作為植物生長(zhǎng)基質(zhì)，改善了植物根系生長(zhǎng)環(huán)境，提高了基質(zhì)表面微生物活性和微生物濃度，強(qiáng)化了植物生長(zhǎng)效果和增加了浮床系統(tǒng)內(nèi)的微生物量，提升了生態(tài)浮床的凈化效果和作用空間區(qū)域[2，5，10，11]。

本試驗(yàn)選的水芹是冬春季節(jié)凈化重污染河道的經(jīng)濟(jì)有效生物材料，水芹浮床在9.3～14℃水溫下對(duì)氮磷污染物都可以保持較高的去除率和較強(qiáng)的生命力[10-15]。同時(shí)選用玉米麩(農(nóng)業(yè)廢棄物)作為基質(zhì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微曝氣，改善傳質(zhì)效果。本試驗(yàn)旨在研究改良的組合式生態(tài)浮床在低溫條件下的脫氮效果和機(jī)理，為水體修復(fù)和浮床工藝完善提供參考。

1 材料和方法

1.1 浮床基質(zhì)

玉米麩：取自徐州市云龍區(qū)周邊農(nóng)村地區(qū)玉米棒芯通過人工剪裁成約為1cm×1cm×1cm方形，表面粗糙較好，用自來水連續(xù)浸泡兩周(每天換水1次)，消除玉米麩表面容易脫落的有機(jī)顆?；蚪M織內(nèi)含物，防止試驗(yàn)過程中出現(xiàn)二次污染，孔隙率約為68%，比表面積約為380m2/m3。輕質(zhì)陶粒：表面粗糙，粒徑為5～8mm、孔隙率約為65%、比表面積約為360m2/m3。

1.2 生態(tài)浮床植物的選取與種植

水芹( Oenanthe javanica)試驗(yàn)前將購(gòu)自植物培育基地的水芹根系洗凈，并曝氣培育15天，試驗(yàn)時(shí)將水芹育苗統(tǒng)一修剪為15cm，并移栽到生態(tài)浮床基質(zhì)中。水芹露出填料高度約為8cm，其余埋在基質(zhì)中，兩組生態(tài)浮床中水芹栽種間距(3cm)均相同。

1.3 原水

1.4 浮床組成和試驗(yàn)方法

生態(tài)浮床由床體框架、水芹、基質(zhì)組成。生態(tài)浮床床體框架使用能過水的塑料圓柱形水培籃，內(nèi)徑為20cm，深度為18cm，每個(gè)水培籃內(nèi)玉米麩或輕質(zhì)陶粒填充量分別為3.5升，共2個(gè)。將其移入有效容積為100L的長(zhǎng)方體水箱，構(gòu)建生態(tài)浮床系統(tǒng)。

每組生態(tài)浮床設(shè)置3個(gè)平行的生態(tài)浮床，每個(gè)生態(tài)浮床中的基質(zhì)、水芹、水質(zhì)等保持相同，其中一組是以玉米麩為基質(zhì)的組合式浮床(Integrated floating bed with corn flakes，簡(jiǎn)稱IFB-CF)，另一組是以輕質(zhì)陶粒為基質(zhì)的組合式浮床(Integrated floating bed with light ceramsite，簡(jiǎn)稱IFB-LC)。使用風(fēng)機(jī)進(jìn)行水面微曝氣，使溶解氧維持在2.23～3.25mg/L；采用序批式處理的方法，分別于每次換水后的12h，24h，48h，72h，96h，120h，144h，168h取樣測(cè)量。在水箱的5處不同位置采集表層水樣，取混合后水樣裝入已滅菌的采樣瓶中，2小時(shí)內(nèi)完成檢測(cè)分析。

1.5 樣品采集及分析

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010軟件處理后，運(yùn)用Origin 9.0軟件作圖，并應(yīng)用Origin對(duì)氮、磷降解過程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素轉(zhuǎn)化過程

2.1.1 生態(tài)浮床對(duì)氮素污染物去除效果

圖1 生態(tài)浮床系統(tǒng)中氮素污染物轉(zhuǎn)化和去除效果

由圖1(a)可見，隨著時(shí)間的推移，TN濃度顯著減少，而且IFB-CF對(duì)水體TN的去除效果要優(yōu)于IFB-LC，兩者TN去除效果存在顯著性差異(p<0.05)。7天后，IFB-LC對(duì)TN總?cè)コ蕿?1.37%，而FB - CF去除率達(dá)到67.55%。

2.2 總磷(TP)去除效果研究

兩種生態(tài)浮床內(nèi)TP的去除效果都呈現(xiàn)降低-增高-降低的變化趨勢(shì)(見圖2所示)。72h時(shí)，IFB-LC的TP濃度達(dá)到最低為0.86mg/L；96h時(shí)，IFB-CF的TP濃度達(dá)到最低為0.61mg/L。對(duì)比IFB-LC，F(xiàn)B-CF對(duì)TP的去除率最高點(diǎn)相對(duì)滯后。其主要原因是IFB-CF出現(xiàn)的Flavobacterium (解磷菌)豐度要高于IFB-LC。水芹對(duì)磷的吸收并非一直增加，當(dāng)水芹對(duì)磷的吸收達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，水芹自身不能對(duì)磷進(jìn)行吸收，該現(xiàn)象與水芹植株中磷含量的變化趨勢(shì)相吻合。

圖2 TP濃度變化曲線

2.3 COD去除效果及分析

COD濃度隨時(shí)間的變化如圖3所示。IFB-LC和IFB-CF對(duì)COD的平均去除率分別為86.89%和66.06%。相對(duì)于IFB-CF而言，IFB-LC的去除效果較好。IFB-CF中有機(jī)物在被水芹、玉米麩表面生物膜吸收和降解的同時(shí)，玉米麩自身釋放有機(jī)物，相比于IFB-LC，IFB-CF增加了有機(jī)物的產(chǎn)出量，所以IFB-LC比IFB-CF對(duì)COD的降解效果要明顯。

圖3 COD濃度變化曲線

3 結(jié)論

(2)在對(duì)TP的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，IFB-LC對(duì)TP的最大去除率為29%，IFB-CF對(duì)TP的最大去除率為49%。TP的含量變化呈現(xiàn)先降低后上升的現(xiàn)象。水芹對(duì)磷的吸收并非一直增加，需要探究在對(duì)水體脫氮的同時(shí)，還需找到脫氮與除磷同步的最適點(diǎn)。