組合式浮床去除污染物特征及脫氮?jiǎng)恿W(xué)研究

陳華，胡新，吳松，曹文平，張永明，衡強(qiáng)強(qiáng)

(1.江蘇方正環(huán)保設(shè)計(jì)研究有限公司,江蘇 徐州 221002；2.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 徐州 221111；3.徐州鄱湖環(huán)保科技發(fā)展有限公司,江蘇 徐州 221111)

0 引 言

近年來(lái)，生態(tài)浮床因維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)占地、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和景觀美化效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到普遍關(guān)注并推廣應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的生態(tài)浮床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，不僅效果不好，而且浮床中植物矮小，葉子枯黃[2-3]，景觀較差。將污水生物處理中常用的生物載體(亦稱填料)引入生態(tài)浮床系統(tǒng)并組建組合式生態(tài)浮床，使浮床系統(tǒng)中生物量、微生物種群都得到了很大改善，從而提高了生態(tài)浮床的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效益和生態(tài)修復(fù)效果，因此，得到了大量研究和工程應(yīng)用[4-6]。無(wú)論是傳統(tǒng)生態(tài)浮床還是組合式生態(tài)浮床在地表水體脫氮除磷過(guò)程中都需要解決碳源供給難題，這是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵要素之一[5-9]。

基于低溫條件下生態(tài)浮床景觀造景和脫氮除磷雙重需要，將固相和生特反硝化技術(shù)以及組合生態(tài)浮床技術(shù)等耦合在一起，構(gòu)建一種新型的組合式生態(tài)浮床[2]。將生物載體作為植物生長(zhǎng)基質(zhì)，改善了植物根系生長(zhǎng)環(huán)境和復(fù)雜生境造就，提高基質(zhì)表面微生物活性、微生物濃度、植物生長(zhǎng)效果，增加浮床系統(tǒng)內(nèi)的微生物量，提升生態(tài)浮床的凈化效果和作用空間區(qū)域[2，5，10-11]。本課題組對(duì)比研究了稻草基質(zhì)和塑料基質(zhì)2種浮床脫氮效果，結(jié)果表明：稻草基質(zhì)生態(tài)浮床對(duì)TN去除率比塑料基質(zhì)生態(tài)浮床高26.06%[2]。

本次試驗(yàn)以輕質(zhì)陶粒為對(duì)照基質(zhì)，玉米芯作為組合式生態(tài)浮床基質(zhì)，并輔以表面微曝氣物理方法，研究低溫條件下改良的組合式生態(tài)浮床脫氮效果和機(jī)理，探討不同基質(zhì)表面指示性微生物的特性差異，并利用Monod模型方程擬合生態(tài)浮床降解脫氮的動(dòng)力學(xué)，掌握其生化動(dòng)力學(xué)特性。

1 材料和方法

1.1 基質(zhì)

玉米芯：取自徐州市云龍區(qū)周邊農(nóng)村。玉米棒芯人工剪裁成約1 cm×1 cm×1 cm的方形，用自來(lái)水連續(xù)浸泡兩周(每天換水1次)，消除玉米芯表面容易脫落的有機(jī)顆?；蚪M織內(nèi)含物，防止試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)二次污染。其孔隙率約68%，比表面積約380 m2/m3。輕質(zhì)陶粒：表面粗糙，粒徑5～8 mm、孔隙率約65%、比表面積約360 m2/m3。孔隙率和比表面積采用F-Sorb X400系列比表面儀測(cè)定。

1.2 生態(tài)浮床植物的選取與種植

試驗(yàn)前，將選購(gòu)于植物培育基地的水芹根系洗凈，并充氧培育15 d，試驗(yàn)時(shí)將水芹育苗統(tǒng)一修剪為15 cm，并移栽到生態(tài)浮床基質(zhì)中。水芹露出填料高度約8 cm，其余埋在基質(zhì)中，兩組生態(tài)浮床中水芹栽種間距(3 cm)均相同。

1.3 原水

1.4 浮床和試驗(yàn)方法

生態(tài)浮床由床體框架、水芹、基質(zhì)等3部分組成。生態(tài)浮床床體框架使用能濾水的塑料圓柱形水培籃子，內(nèi)徑20 cm，深度18 cm，每個(gè)水培籃內(nèi)玉米芯或輕質(zhì)陶粒填充量分別為3.5 L，共2個(gè)。將其移入有效容積100 L的長(zhǎng)方體水箱，構(gòu)建生態(tài)浮床系統(tǒng)(圖1)。

圖1 組合型生態(tài)浮床示意圖

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，其中一組以玉米芯為基質(zhì)的組合式浮床(integrated floating bed with corn flakes，簡(jiǎn)稱IFB-CF)，另一組以輕質(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3.23～4.25 mg/L；采用序批式處理的方法，分別于每次換水后的12，24，48，72，96，120，144，168 h取樣測(cè)量。在水箱的5個(gè)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 h內(nèi)完成檢測(cè)分析。試驗(yàn)過(guò)程中定期對(duì)基質(zhì)表面微生物膜進(jìn)行分析，分析基質(zhì)表面生物膜內(nèi)指示性微生物和菌膠團(tuán)特性以及測(cè)定生物膜厚度。在此基礎(chǔ)上，利用生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程解析不同基質(zhì)的組合式生態(tài)浮床脫氮效果和脫氮機(jī)理。

1.5 樣品采集及分析

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程

圖2 生態(tài)浮床系統(tǒng)中氮素污染物轉(zhuǎn)化和去除效果

由圖2(a)可見，TN質(zhì)量濃度隨著時(shí)間增加顯著減少，IFB-CF對(duì)TN的去除效果優(yōu)于IFB-LC，7 d后，IFB-LC對(duì)TN去除率為31.37%，而FB-CF去除率達(dá)到67.55%，兩者TN去除率存在顯著性差異(p<0.05)。兩組生態(tài)浮床均出現(xiàn)TN降低的原因有：玉米芯和陶粒為基質(zhì)的浮床中，基質(zhì)和植物在籃子中浮集在一起，籃子中的基質(zhì)內(nèi)由于溶解氧無(wú)法進(jìn)入或進(jìn)入相對(duì)困難，導(dǎo)致基質(zhì)內(nèi)部缺氧和厭氧顯著，使水體內(nèi)產(chǎn)生了反硝化脫氮的微環(huán)境，而在基質(zhì)表面由于充氧曝氣作用好，氧環(huán)境顯著，硝化效果強(qiáng)勁，從而生態(tài)浮床系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了TN的同步去除。

2.2 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平均去除率分別為86.89%和66.06%。相對(duì)IFB-CF而言，IFB-LC的去除效果較好。IFB-CF中有機(jī)物在被水芹、玉米芯表面生物膜吸收和降解的同時(shí)，玉米芯自身釋放有機(jī)物，相比于IFB-LC，IFB-CF釋放出有機(jī)物，所以IFB-LC比IFB-CF對(duì)COD的降解效果要明顯。

圖3 COD質(zhì)量濃度變化直方圖

此外，有機(jī)物去除與TN去除有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，TN去除是一個(gè)生物反硝化過(guò)程，生物反硝化過(guò)程則需要在缺氧條件下，以有機(jī)物為電子供體，硝酸鹽為電子受體，發(fā)生氧化還原反應(yīng)達(dá)到去除硝酸鹽的目的。資料顯示：每去除1 g硝酸鹽離子則需要消耗2.83 g的COD，可以看出，TN去除過(guò)程中對(duì)COD的去除效果也是十分顯著的。當(dāng)然，由于本生態(tài)浮床系統(tǒng)是一個(gè)好氧環(huán)境，所以好氧微生物降解也是去除COD的主要途徑。

2.3 指示性微生物特點(diǎn)

指示性微生物由于個(gè)體容易觀察、成本較低，在污水處理廠運(yùn)行管理和水體自凈等過(guò)程中得到了較多的應(yīng)用，通過(guò)分析指示性微生物特點(diǎn)可以在一定程度掌握污水凈化系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌的特點(diǎn)(包括種群種類、活性和增殖情況)[20]。從玉米芯表面和陶粒表面剝落的生物膜中均發(fā)現(xiàn)有活性良好的紅斑瓢體蟲、線蟲等水體凈化過(guò)程中的高等微型后生動(dòng)物(圖4)，相比于陶粒表面，玉米芯表面的紅斑瓢體蟲、線蟲數(shù)量和活性更好些，可能是試驗(yàn)過(guò)程中玉米芯和陶粒作為生物膜載體一直處于較為平靜的環(huán)境中，水面擾動(dòng)少，生物膜更新慢，紅斑瓢體蟲出現(xiàn)能對(duì)老化的生物膜進(jìn)行掃除和更新，保持微生物活性。

圖4 紅斑瓢體蟲、線蟲(×100)

另外，玉米芯和陶粒表面生物膜中均出現(xiàn)了大量的游泳型纖毛蟲(α-中污帶常常出現(xiàn)的微生物)，說(shuō)明浮床系統(tǒng)中的細(xì)菌數(shù)量充足且增殖量較大，足以維持原生動(dòng)物(如游泳型纖毛蟲)的生長(zhǎng)和繁殖,但是陶粒表面出現(xiàn)了少量的鐘蟲和輪蟲(寡污帶常常出現(xiàn)的指示性微生物)，而在玉米芯表面卻未發(fā)現(xiàn)，可能是因?yàn)橛衩仔驹谑褂眠^(guò)程中表面容易分泌較多的低分子有機(jī)物，在其表面形成一定輻射范圍的有機(jī)物濃度偏高區(qū)域，在輻射區(qū)域內(nèi)有機(jī)物質(zhì)量濃度較高，一些寡污帶的指示性微生物不能生存。與此同時(shí)，陶粒表面卻無(wú)有機(jī)物釋放出來(lái)，表面能形成較為清潔的水膜層或次水膜層，容易出現(xiàn)鐘蟲和輪蟲。

從玉米芯和陶粒表面生物膜的菌膠團(tuán)特性看，玉米芯表面生物膜內(nèi)的菌膠團(tuán)厚，不均勻，發(fā)黑區(qū)域較多；陶粒表面生物膜內(nèi)的菌膠團(tuán)量少且薄、均勻、，透明。分析認(rèn)為：玉米芯表面容易被自然形成的微生物氧化分解,形成較厚的生物膜(因?yàn)橛衩仔颈砻嫒菀仔纬梢欢ㄝ椛浞秶挠袡C(jī)物質(zhì)量濃度遞減區(qū)域，區(qū)域內(nèi)有機(jī)物質(zhì)量濃度較高，導(dǎo)致生物膜增殖較快，而且生物膜更新較慢，故而生物膜較厚)，有利于形成厭氧、缺氧和好氧微環(huán)境，從而有利于生物硝化/反硝化和碳源釋放同步進(jìn)行，故而玉米芯作為浮床基質(zhì)時(shí)能產(chǎn)生較好的脫氮效果。而陶粒卻不具備形成厭氧、缺氧和好氧微環(huán)境的條件，表面生物膜較少、較薄、成分單一，故而脫氮效果不好。

2.4 生態(tài)浮床脫氮?jiǎng)恿W(xué)模型

Monod動(dòng)力學(xué)模型基于微生物反應(yīng)變化規(guī)律，生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的一些參數(shù)，是體現(xiàn)微生物起主要作用的污染物降解過(guò)程的合理選擇，適合微生物系統(tǒng)的實(shí)際情況[7]。所以，低溫條件下濕地式浮床去除營(yíng)養(yǎng)鹽效果選用Monod動(dòng)力學(xué)模型模擬分析。

假設(shè)低溫條件下濕地式浮床降解營(yíng)養(yǎng)鹽的過(guò)程與其他生物系統(tǒng)一樣，符合Monod動(dòng)力學(xué)方程條件，即

(1)

式中：v為污染物的降解速率，mg/(L·d-1);k0，v為零級(jí)體積速率常數(shù)，mg/(L·d-1);k為半飽和常數(shù)，mg/L;c為污染物質(zhì)量濃度，mg/L。推導(dǎo)過(guò)程見式(2)～(5)。

(2)

變形為

(3)

兩邊積分得

(4)

積分變形得

(5)

將0，12，24，48，72，96，120，144，168 h取樣值編為1～9號(hào)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立Monod動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用origin9.0對(duì)低溫條件下濕地式浮床營(yíng)養(yǎng)鹽水體下TN變化進(jìn)行擬合分析，TN降解動(dòng)力學(xué)模型曲線如圖5～6所示，動(dòng)力學(xué)方程如表1所示。

圖5 IFB-LC 對(duì)TN去除效果擬合曲線

圖6 IFB-CF對(duì)TN去除效果擬合曲線

由圖5～6和表1可以得出，低溫條件下濕地式浮床對(duì)TN的降解過(guò)程描述的Monod動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)R2均在0.97左右，說(shuō)明擬合相關(guān)性良好，證明Monod動(dòng)力學(xué)方程適用于模擬低溫條件下濕地式浮床的反應(yīng)過(guò)程。從動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，IFB-CF具有比IFB-LC更快的TN去除效果和去除速率,說(shuō)明玉米芯作為浮床基質(zhì)有利于提高富營(yíng)養(yǎng)化水體的脫氮速度，也有利于農(nóng)業(yè)廢棄物(玉米芯)的資源化利用。

表1 生化動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

(2)玉米芯和陶粒表面均有較豐富的指示性微生物群體，但是兩者之間存在一定的差異，包括生物膜厚度、微生物種類和底物供給，等等。但是從指示性微生物看，玉米芯表面的生物膜內(nèi)微生物群體更利于生物脫氮過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

(3)利用Monod動(dòng)力學(xué)方程對(duì)低溫條件下濕地式浮床初期降解氮素過(guò)程進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97，相關(guān)性良好。而且明顯看出，IFB-CF具有比IFB-LC更好的TN去除效果和更快的去除速率。生態(tài)浮床系統(tǒng)是一種準(zhǔn)濕地系統(tǒng)，符合濕地系統(tǒng)的一般特征。