新型粉煤灰陶粒固定化有效微生物群落對模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化效果

陳 爽，王良愷，文 濤，毛欣宇，許 明，邵孝侯

（1. 河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3. 北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210036；4. 江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036）

集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖中餌料的大量投放使得養(yǎng)殖廢水富含氮、磷有機(jī)物，這些有機(jī)物具有分散廣和難以收集的特點(diǎn)，易造成水體富營養(yǎng)化，給農(nóng)村生態(tài)環(huán)境甚至是飲水安全造成危害[1?2]。養(yǎng)殖廢水微生物處理具有成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是削減污染水體氮、磷污染物的有效途徑之一[3]，其中以硝化/反硝化為主要機(jī)理的微生物凈水技術(shù)已在養(yǎng)殖廢水的原位修復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用。PAN等[4]將復(fù)合微生物制劑在水體形成的菌絲球用于高效收獲藻類凈化富營養(yǎng)水體。DENG等[5]利用具有反硝化特性的施氏假單胞菌Pseudomonas stutzeri與蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus凈化草魚Ctenopharyngodon idellus魚塘水體，發(fā)現(xiàn)水中氮污染物最高降低了54.8%。杜聰?shù)萚6]研究發(fā)現(xiàn)：微生物菌劑可以改善黑臭水體水質(zhì)及修復(fù)生物多樣性。受環(huán)境因素影響，外源微生物進(jìn)入修復(fù)水體環(huán)境后活性和穩(wěn)定性往往受到抑制[7]，利用載體對微生物進(jìn)行固定可提升其適應(yīng)能力，同時(shí)強(qiáng)化其對水體中氮、磷的去除效率[8]。常用的微生物固定化方法有包埋法、吸附法、交聯(lián)法等，相較于吸附法，其他方法應(yīng)用成本較高[9]，難以在養(yǎng)殖廢水處理中推廣。吸附法操作簡便，微生物可在吸附材料表面2周左右自然成膜，是快速制備固定化微生物的有效方法，應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水凈化前景廣闊[10?11]。粉煤灰具有較高比表面積且表面富含鋁、硅等氧化物，是一種廉價(jià)且吸附性能優(yōu)異的微生物載體材料[12?13]。邵青等[14]在質(zhì)量比m(粉煤灰 )∶m(污泥)∶m(添加劑)=7∶2∶1，1 000 ℃條件下燒制的陶粒比表面積可達(dá)2.66，顆粒強(qiáng)度達(dá)143 N。此外，有效微生物群落(effective microorganisms，EM)是以光合菌為中心，與固氮菌并存、繁殖，混合后培養(yǎng)出的多功能微生物群落，已被廣泛運(yùn)用于富營養(yǎng)水體的修復(fù)。胡京等[15]發(fā)現(xiàn)EM可有效降低幼刺參Apostichopus japonicas養(yǎng)殖水體中化學(xué)需氧量(COD)、非離子氨等含量，水體凈化效果顯著。梅立永等[16]也發(fā)現(xiàn)：投加EM可有效降低水中溶解氧(DO)濃度，投加22 d后，水體中化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷的最大去除率分別可達(dá)52.4%、42.6%、41.6%和22.1%。筆者前期的研究結(jié)果表明：粉煤灰與活性底泥富含二氧化硅，制作陶粒易于成型并具有一定機(jī)械強(qiáng)度，且活性底泥與粉煤灰共同燒結(jié)可顯著提升陶粒的比表面積和孔隙度，是吸附水體氮磷和固定EM的良好材料。此外，粉煤灰含有三氧化二鋁、氧化鎂、三氧化二鐵等氧化物，可與污水中的磷酸鹽生成沉淀，輔以EM的脫氮除磷功能，可強(qiáng)化水體營養(yǎng)鹽污染物的去除。因此，本研究以粉煤灰與活性底泥為主要原料，與鐵粉和碳酸鈣粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通過制作陶粒的性能和其對氮、磷的吸附效果確定最佳配比粉煤灰陶粒。通過粉煤灰陶粒固定化EM聯(lián)合修復(fù)模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，分析其對水體中氮磷的去除率，討論相關(guān)凈化機(jī)理，為EM粉煤灰陶粒在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水凈化中的應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

粉煤灰取自某熱電廠的干排粉煤灰。X射線熒光光譜(XRF)成分分析表明：粉煤灰中的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：二氧化硅56.42%、三氧化二鋁24.33%、三氧化二鐵4.28%、氧化鈣3.36%、氧化鎂1.44%、氧化鉀1.37%、其他8.80%；池塘底泥，取自淮安白馬湖水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘，黑色，具臭味，自然風(fēng)干后，105 ℃烘干，粉碎后過100目篩；還原鐵粉、碳酸鈣粉末、EM原液(南京愛睦樂生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)，有效菌數(shù)量約1.0×1012個(gè)·L?1)、糖蜜。

1.2 粉煤灰陶粒固定化EM的制備

將EM原液、糖蜜、去離子水、質(zhì)量濃度為2%的鈣離子(Ca2+)溶液按1∶1∶6∶2的體積比例混合，轉(zhuǎn)入發(fā)酵瓶中，150～220 r·min?1恒溫震蕩發(fā)酵4～6 d(常溫密閉條件)，制得含螯合態(tài)鈣成分的EM菌液。將粉煤灰、活性底泥、鐵粉 (氧化鐵和二氧化三鐵)、碳酸鈣按一定質(zhì)量百分比均勻混合(表1)，洗凈、滅菌后烘干，將混合物放入造粒機(jī)中造粒，烘干，于1 100 ℃下燒結(jié)，制得粉煤灰陶粒。將粉煤灰陶粒與EM菌液混合浸泡2 d，使菌液均勻地吸附于粉煤灰陶粒表面，制成固定化EM粉煤灰陶粒 (0.3～0.5 g·粒?1)。

表1 粉煤灰陶粒各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Percentage of each component of the fly ash ceramsite

1.3 粉煤灰陶粒組分變化和投加量對氮、磷吸附的影響

分別稱取1.17 g氯化銨，0.13 g磷酸二氫鉀溶于1 L水中，制得氨氮質(zhì)量濃度為30 mg·L?1、磷酸根質(zhì)量濃度為30 mg·L?1的氮、磷溶液。取250 mL氮、磷溶液，分別加入不同組分的粉煤灰陶粒，設(shè)置處理為T1、T2、T3，每個(gè)處理粉煤灰陶粒投放量為7個(gè)梯度(0.2、0.4、0.8、1.0、2.0、5.0 g)。將混合溶液在室溫 125 r·min?1條件下連續(xù)振蕩 24 h，分別在 1、2、4、8、12、24 h 取水樣，離心、0.45 μm濾膜過濾后，比色測定上清液總氮和總磷。

1.4 EM對粉煤灰陶粒吸附氮磷的強(qiáng)化效果

稱取氯化銨1.19 g，硝酸鉀0.04 g，磷酸二氫鉀0.09 g，葡萄糖0.47 g，加入到1 L的水中，配制氨氮、總氮、總磷及化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度分別為50、55、20、500 mg·L?1的水產(chǎn)養(yǎng)殖污水。取250 mL配制水樣，通過以上實(shí)驗(yàn)確定合適投加量，分別加入不同組分的粉煤灰固定化EM陶粒，常溫條件下曝氣培養(yǎng)6 d，隔1 d采集水樣，測定氨氮、總氮、總磷質(zhì)量濃度。

1.5 指標(biāo)測定及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計(jì)法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；總磷采用鉬酸銨分光光度法測定；電鏡采用Hitach S-480型掃描電子顯微鏡(日本Hitach公司)。數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值，用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，各因素不同水平的差異采用LSD法進(jìn)行多重比較，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組分粉煤灰陶粒表征

由15 000倍下的掃描電子顯微鏡圖(圖1)可知：T1與T2相較于T3處理的表面孔隙較多，相對粗糙，其中T2表面最為粗糙，表面溝壑結(jié)構(gòu)明顯。根據(jù)表2粉煤灰陶粒性能可知，T3粉煤灰陶粒磨損率為1.78%，比表面積為1.42 m2·g?1，說明粉煤灰陶粒具有一定的耐久度以及較高的比表面積。進(jìn)一步分析各組粉煤灰陶粒的元素組成，T1和T2的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于T3。結(jié)合李亮等[17]的研究與表3可以判斷，T1、T2表面的顆粒物質(zhì)可能為鐵氧化物，為粉煤灰陶粒吸附氮磷提供強(qiáng)化效果。

圖1 不同配比粉煤灰陶粒掃描電子顯微鏡照片(15 000倍)Figure 1 SEM photo of fly ash ceramsite with different proportions (×15 000)

T1和T2在硅、鎂、鋁、鉀等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有明顯差異，這應(yīng)該是由于制作時(shí)添加的粉煤灰與池塘底泥配比不同造成的。粉煤灰陶粒含有硅、鋁、鐵、鎂等金屬氧化物，且富含羥基、羧基等含氧官能團(tuán)，有效提高陶粒表面的親水性，也促進(jìn)了陶粒對氮、磷的吸附[18]。相較于T1與T2，T3的陶粒沒有加入鐵粉，而T1與T2的孔隙率高于T3，并且具有較大的比表面積，證明鐵粉可改變粉煤灰陶粒表面的孔隙結(jié)構(gòu)，緩解固液相間的阻力，促進(jìn)毛細(xì)管作用對氮、磷的吸附，并通過表面張力將其束縛，強(qiáng)化粉煤灰陶粒對氮、磷理化吸附效果。

2.2 粉煤灰陶粒對氮、磷吸附特性

如圖2所示：粉煤灰組分含量較低時(shí)，所制備陶粒對氮、磷具有一定吸附作用，但效果并不理想，吸附前2 h，氮、磷吸附速率最大，隨后吸附趨于穩(wěn)定。T1和T2中氮、磷的吸附效果遠(yuǎn)高于T3，表明陶粒中粉煤灰與氧化鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的結(jié)合體可強(qiáng)化對氮、磷的吸附。這與鮑騰等[19]、茹菁宇等[20]的研究結(jié)論一致。

表2 不同配比的粉煤灰陶粒性能Table 2 Properties of fly ash ceramsite with different proportions

表3 各組粉煤灰陶粒元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Percentage of element composition of fly ash ceramsite in different groups

圖2 投加5 g不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷隨時(shí)間變化曲線Figure 2 Curve of nitrogen and phosphorus adsorbed by fly ash ceramsite on 5 g with different proportions under untreated conditions

進(jìn)一步采用Langmuir和Freundlich吸附方程對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。Langmuir等溫線是單層吸附，假設(shè)表面上有均勻的能量位點(diǎn)，其線性形式由以下方程表示[21]：

式(1)中：Qe(mg·kg?1)是粉煤灰陶粒上的平衡氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ce(mg·L?1)是溶液中的平衡氮磷質(zhì)量濃度，Qm(mg·kg?1)是最大單層氮磷吸附容量，kL(L·mg?1)是吸附常數(shù)。

Freundlich等溫線是用于描述非均質(zhì)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)吸附方程，其線性化形式寫成[22]：

式 (2)中：KF[(mg·kg?1)·(mg·L?1)?1/n]和 1/n是 Freundlich 常數(shù)，分別與吸附容量和吸附強(qiáng)度有關(guān)。

模型擬合的結(jié)果及相關(guān)參數(shù)如圖3和表4所示。結(jié)果顯示：不同組分粉煤灰陶粒對氮磷的吸附特征均符合Langmuir(R2＞0.982)和Freundlich (R2＞0.971) 等溫方程，表明吸附前期陶粒主要通過物理吸附方式吸附水體氮、磷，T2的粉煤灰陶粒最大單層氮磷吸附容量可分別達(dá)到1 652.0和1 113.7 mg·kg?1。

圖3 各梯度不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷的Langmuir和Freundlich擬合曲線Figure 3 Langmuir and Freundlich fitting curves for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions under untreated conditions

表4 不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷的Langmuir和Freundlich數(shù)Table 4 Langmuir and Freundlich constants for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions

2.3 粉煤灰固定化EM陶粒去除氨氮、總氮和總磷的效果

根據(jù)等溫吸附試驗(yàn)確定了粉煤灰陶粒的投加量5 g凈化效果較好，加入5 g不同配比粉煤灰EM陶粒對模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的氨氮及總氮去除效果進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示。處理6 d后，T1、T2和T3的氨氮去除率分別為90.50%、98.67%和83.81%，總氮去除率分別為92.18%、93.80%和70.91%。由此認(rèn)為：EM可以提升粉煤灰陶粒對氨氮及總氮的去除效果，提升程度受粉煤灰陶粒中粉煤灰與鐵粉的比例影響。T1較T2的粉煤灰陶粒的粉煤灰含量低10%，陶粒的孔隙較少，且生物相容性較差，吸附的微生物量較少，導(dǎo)致T1氨氮及總氮去除效果相對較差。此外，當(dāng)鐵粉比例較低時(shí)，陶粒表面鐵氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，比表面積和含氧官能團(tuán)含量下降，也會(huì)導(dǎo)致微生物負(fù)載量下降，因此，T3中的氨氮及總氮去除效果受到了一定影響。各處理氨氮質(zhì)量濃度在3 d時(shí)大幅下降，氨氮去除率高達(dá)78.89% ～85.55%。這是由于實(shí)驗(yàn)初期分解氨氮的硝化細(xì)菌并未活化，隨著時(shí)間推移，硝化細(xì)菌經(jīng)過擴(kuò)繁逐漸適應(yīng)水體環(huán)境，進(jìn)而開始發(fā)揮作用，大量分解氨氮。各處理總氮質(zhì)量濃度在5 d后維持相對穩(wěn)定，可能是由于微生物所需碳源匱乏，抑制了其脫氮功效，這與唐海芳[23]的研究結(jié)果一致。T2中氨氮及總氮的去除效果最好，說明添加鐵粉并調(diào)節(jié)好其與粉煤灰的配比有利于提升粉煤灰EM菌陶粒的氮素凈化效果。

圖4 不同配比的5 g粉煤灰陶粒固定化EM菌處理下氨氮及總氮質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線Figure 4 Curves of NH4+ and TN Concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

圖5 不同配比的5 g粉煤灰陶粒固定化EM菌處理下總磷質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線Figure 5 Curves of TP concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

不同配比EM粉煤灰陶粒對總磷的去除效果如圖5所示。各處理總磷質(zhì)量濃度隨處理時(shí)間呈降低—升高—降低的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，T1、T2和T3總磷去除率分別為37.35%、45.35%和29.00%。各時(shí)段T2的總磷去除效果最好，這主要與EM去除總磷的機(jī)理有關(guān)。EM中的聚磷菌在厭氧條件下可將聚磷酸鹽以-P等形式釋放，并在好氧條件下通過氧化分解反應(yīng)將其脫除[24]。相比T1和T3，T2處理陶粒表面附著的有效微生物較多，因此總磷的去除效果最優(yōu)。此外，由于在T2陶粒中添加了鐵粉，其表面的氧化鐵、三氧化二鐵在水中的水解產(chǎn)物氫氧化鐵可與游離態(tài)的磷酸根相結(jié)合形成沉淀，因而也促進(jìn)了總磷的去除。本研究中，相較于氮，總磷去除率并不高。一方面由于微生物新陳代謝的持續(xù)進(jìn)行大量消耗了水中的溶解氧導(dǎo)致被聚磷菌吸收的磷二次釋放，另一方面微生物細(xì)胞的衰老破裂也會(huì)導(dǎo)致磷的二次釋放。

由圖4和圖5還可看出：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，較空白處理，T2中的氨氮、總氮和總磷去除率分別提高了約70%、60%和25%，表明EM菌強(qiáng)化粉煤灰陶粒去除氮、磷的效果顯著。盡管多孔結(jié)構(gòu)，陶粒對氮、磷有一定吸附作用，但由于得不到降解，這部分被吸附的氮、磷依舊存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，而通過將微生物固定化在粉煤灰陶粒中，可提高微生物對水體環(huán)境的適應(yīng)能力，充分發(fā)揮其對氮磷污染物的降解作用，更加有效地提升對水質(zhì)的凈化效果。

3 結(jié)論

本研究以粉煤灰與活性底泥為主要原料，與鐵粉和碳酸鈣粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通過制作陶粒的性能和其對氮、磷的吸附效果確定最佳配比粉煤灰陶粒，并與EM聯(lián)合凈化模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水得出以下結(jié)論。①通過等溫吸附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前2 h吸附速率較快，比較對氮磷的去除率，篩選出最佳配比的煤灰陶粒中質(zhì)量比為m(粉煤灰)∶m(活性底泥)∶m(碳酸鈣)∶m(鐵粉)=50∶40∶5∶5。② T2粉煤灰陶粒單獨(dú)對總氮、總磷的去除率分別為29.89%和20.50%，在與EM聯(lián)合作用后總氮、總磷去除率最大可達(dá)93.80%和45.35%。說明粉煤灰陶粒與EM聯(lián)合作用下，微生物是水體中氮去除的主力軍，對磷的去除亦有一定作用。將微生物固定化在粉煤灰陶粒中，能進(jìn)一步發(fā)揮微生物對水體中氮磷的凈化作用。③粉煤灰陶粒的磨損率和比表面積最高為1.78%和2.21 m2·g?1，表明利用粉煤灰燒制的陶粒具有較強(qiáng)的耐久性，且燒制表面孔隙成形較好；加入適量鐵粉后，陶粒燒制過程中生成的鐵氧化物能夠改變粉煤灰陶粒的表面特征，增強(qiáng)對氮磷的吸附作用。④試驗(yàn)表明：陶粒浸泡在EM復(fù)壯液中，一段時(shí)間后能吸附微生物成膜，可作為生物濾池、生態(tài)濕地的生物填料部分，固定化微生物防止其流失、擴(kuò)散到自然水體，造成潛在生態(tài)問題。今后研究中可選取特定微生物菌種來代替EM，進(jìn)一步強(qiáng)化微生物對特定污染物的去除作用。