廢棄生物質強化生態(tài)袋脫氮除磷的效果

王 琦 石 雷 楊小麗 周世娟 李秋紅

(東南大學土木工程學院，南京 211189)

我國農村水環(huán)境問題越來越引起重視.一方面，農村污水配套設施不完善，大量污廢水未經有效處理直接入河，導致農村水體污染嚴重[1-2]；另一方面，有些農村水系岸坡臟、亂、差，也有部分岸坡經過駁岸硬化改造，隔斷了土壤和水體的互相滲透，導致農村水系岸坡生態(tài)性不佳[3].生態(tài)袋護坡技術通過植物根系與土壤之間的錨固作用實現(xiàn)穩(wěn)定護坡，同時具有良好的生態(tài)景觀效果.此外，生態(tài)袋內微生物和植物的協(xié)同作用還具有凈化水質的效果[4].因此，生態(tài)袋技術適用于農村水系的治理工程.然而，目前對生態(tài)袋邊坡技術的研究主要集中在邊坡的安全穩(wěn)定性和邊坡的景觀效應等方面[5-6]，關于提高生態(tài)袋護坡對水體凈化效果的研究較少.

近年來，廢棄生物質能源化、生態(tài)化、材料化等資源化利用得以重視，其中強化水質凈化的功能引起水處理領域研究者的廣泛關注[7-9]，且已有相關報道將廢棄生物質應用于水環(huán)境修復中[10].研究表明，蛋殼[11]、牡蠣殼[12]等具有高鈣含量、高比表面積的生物質鈣化物可以實現(xiàn)良好的磷去除效果.稻草、絲瓜絡和玉米芯等也被發(fā)現(xiàn)作為固體碳源和生物膜載體可以促進生物脫氮作用[13].但鮮有研究組合利用廢棄生物質實現(xiàn)同步脫氮除磷.

本文首次提出生態(tài)袋與廢棄生物質的耦合，篩選了幾種常見的生物質鈣化物和農業(yè)廢棄物進行組合，研究其同步強化脫氮除磷的水質凈化效果與機理，并應用在農村水環(huán)境的修復實踐中.

1 材料和方法

1.1 試驗材料

生物質鈣化物選取蛋殼、牡蠣殼和貽貝殼.陶粒是一種常見的除磷人工基質，具有較好的水體除磷效果[14]，作為磷吸附試驗對照組.蛋殼取自學生餐廳廚房余料；牡蠣殼、貽貝殼取自南京某酒店廚房余料；陶粒購于南京市江寧區(qū).試驗前，用蒸餾水對4種材料進行多次洗滌，然后在60 ℃的烘箱中進行干燥處理.農業(yè)廢棄物選取稻草、絲瓜絡和玉米芯[13,15]，材料取自南京溧水農村.利用質量分數(shù)為2%的NaOH溶液將供試材料浸泡24 h后，再用蒸餾水洗滌至中性，最后置于35 ℃烘干備用.

1.2 生物質鈣化物篩選試驗

對粒徑0.5～2 mm的雞蛋殼、牡蠣殼、貽貝殼和陶粒進行比表面積和鈣含量的測定，比表面積及孔隙率的測定采用ASA P2020比表面積及孔隙分析儀，鈣質量分數(shù)測定采用X射線熒光光譜分析(XRF).如圖1所示，雞蛋殼、牡蠣殼和貽貝殼均具有較高的比表面積和鈣含量，磷吸附潛力較好.

圖1 待試生物質鈣化物的比表面積和鈣質量分數(shù)

采用正交試驗法考察材料種類、材料含量、粒徑、磷質量濃度4個影響因素對磷吸附效果的影響，確定磷吸附效果最優(yōu)的生物質鈣化物，試驗選擇的影響因子及其水平如表1所示.磷吸附試驗中，取質量為M的待試材料(蛋殼、牡蠣殼、貽貝殼或陶粒)投加到體積V=200 mL的含磷廢水(采用KH2PO4配置，質量濃度C0)中，再放置在恒溫振動器中震蕩(150 r/min，(20±1)℃)48 h后，測定殘余磷質量濃度C1，單位材料的吸附量為

表1 磷吸附正交試驗因素水平表

1.3 耦合生態(tài)袋試驗系統(tǒng)

耦合生態(tài)袋試驗裝置由進水箱和工作水箱2部分組成.進水箱置于高位，容積為150 L；工作水箱容積為35 L，其中有效容積為12 L.在工作水箱中放置2個25 cm×10 cm生態(tài)袋，為模擬農村自然河道中生態(tài)袋護坡，工作水箱的液面淹沒下部生態(tài)袋.試驗采用重力連續(xù)流，水力停留時間2.5 d，水力負荷1.6 m3/(m2·d).耦合生態(tài)袋組成如圖2(a)所示，袋體內填充天然土壤、農業(yè)廢棄物和優(yōu)選的生物質鈣化物，表面種有植物，并設置對照組(未填充農業(yè)廢棄物，其余相同).耦合生態(tài)袋試驗裝置示意圖如圖2(b)所示.

1.4 耦合生態(tài)袋試驗方法

設置稻草組、絲瓜絡組、玉米芯組(稻草、絲瓜絡或玉米芯的投加量分別為100 g/袋)和對照組4個組別生態(tài)袋，每組別設置2組平行實驗，每個生態(tài)袋中均投加50 g/L優(yōu)選的生物質鈣化物和植物，植物選擇蘆葦和狗牙根，種植密度分別為每袋10株和每袋100顆種子.

(a) 耦合生態(tài)袋組成

(b) 耦合生態(tài)袋試驗裝置示意圖

為了強化生物脫氮作用，將稻草、絲瓜絡和玉米芯投入完成3次擴培的脫氮菌富集培養(yǎng)基中，并置于搖床上掛膜(25 ℃，72 h)后，再加入生態(tài)袋袋體內.脫氮菌富集培養(yǎng)接種生物污泥取自南京江心洲污水處理廠二沉池，將生物污泥按體積分數(shù)1%的接種量接種到脫氮菌富集無菌培養(yǎng)基中進行擴培，置于30 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d，在波長600 nm下測得吸光度值約為0.1時，使用接種環(huán)取第1次擴培的菌液接種到新培養(yǎng)基中進行第2次擴培，同樣的方法進行第3次擴培.

1.5 分析項目與方法

2 結果和討論

2.1 磷吸附試驗

磷吸附正交試驗結果如表2所示.由表可知，極差R按照材料種類、磷質量濃度、材料質量濃度、粒徑的順序遞減，表明4個因素中，材料種類對磷的去除起決定作用，其他因素的作用按照磷質量濃度、材料質量濃度、粒徑順序依次減弱.基于材料種類，K2值最大，即最佳水平為2(牡蠣殼)，表明4種材料中牡蠣殼磷吸附效果最佳.而雞蛋殼的磷吸附量出現(xiàn)負值，這可能是由于雞蛋殼在試驗過程中出現(xiàn)磷解析.郭照冰等[17]也研究發(fā)現(xiàn)雞蛋殼中的磷素會向外釋放，導致水溶液磷質量濃度增高.

表2 正交試驗結果

調研發(fā)現(xiàn)，農村水體中磷質量濃度普遍低于1.0 mg/L[18].為確定牡蠣殼的最佳投加量，對初始磷質量濃度(1.0±0.05)mg/L的水體進行最佳投加量單因素試驗，結果如圖3所示.由圖可見，當牡蠣殼質量濃度小于50 g/L時，TP去除率隨牡蠣殼質量濃度增加而快速增加；當牡蠣殼質量濃度為50 g/L時，TP去除率達到41.8%；但當牡蠣殼質量濃度大于50 g/L時，TP去除率增加趨緩，介于41%～45%之間.這可能是因為試驗水體初始TP質量濃度較低，吸附推動力小，隨著吸附過程的進行，水體中TP質量濃度進一步降低，導致在較低TP去除率下即達到吸附動態(tài)平衡.此外，過高的牡蠣殼質量濃度容易產生團聚現(xiàn)象，投加的牡蠣殼無法與水溶液中的TP充分接觸，部分吸附位點未達到吸附平衡，導致TP去除率不隨牡蠣殼質量濃度增加而增加[19-20].因此，對于模擬農村污染水體，牡蠣殼的最佳劑量為50 g/L.

圖3 牡蠣殼質量濃度和TP去除率之間的關系

2.2 耦合生態(tài)袋對污染物的去除效果

通過磷吸附試驗，確定向生態(tài)袋中添加質量濃度為50 g/L的牡蠣殼.耦合生態(tài)袋試驗設置稻草組、絲瓜絡組、玉米芯組和對照組4個組別，探究生物質基質對耦合生態(tài)袋凈水效果的強化作用.

2.2.1 COD去除效果

生態(tài)袋對COD的去除效果如圖4(a)所示.啟動初期(0 ～25 d)，稻草組、絲瓜絡組、玉米芯組和對照組的去除效果整體均呈上升趨勢，但波動劇烈，甚至出現(xiàn)負去除率，這可能是由于初期稻草、絲瓜絡、玉米芯或土壤所含有的有機物釋放量較大所致[21].啟動1個月以后，COD去除率開始逐漸趨于穩(wěn)定，運行到70 d時，每組的COD去除率均保持在相對穩(wěn)定的范圍.

穩(wěn)定階段(70～184 d)，稻草組、絲瓜絡組、玉米芯組的平均去除率分別為63.7%、65.4%和54.0%，均優(yōu)于對照組(53.4%)，表明農業(yè)廢棄物有助于有機物的去除.其中，稻草和絲瓜絡的提升效果顯著，分別比對照組高出10.3%和12.0%.這是因為絲瓜絡經堿處理后表面細痕明顯，有大量深淺不一的溝槽，具有較大的表面積，既可吸附水中的COD，也有利于微生物附著[22-23].而稻草經過堿處理后，釋放的碳源可生物利用性更強，極易降解，促進微生物的生長[23].但是，玉米芯組與對照組差別不大，這可能是由于玉米芯堆積密度和孔隙率較小，與微生物接觸面積小.

2.2.2 氮去除效果

(a) COD去除效果

(c) TN去除效果

(d) TP去除效果

2.2.3 TP去除效果

生態(tài)袋對TP的去除效果如圖4(d)所示.實驗啟動期(1～20 d)，TP去除率呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，這主要是由于牡蠣殼和生態(tài)袋的吸附作用.在運行25～40 d時，生態(tài)袋的TP去除率略有降低，磷濃度回升，這可能是由于袋體內添加的農業(yè)廢棄物所含磷的緩慢釋放.稻草、絲瓜絡和玉米芯經堿處理后，木質素和果膠成分被去除，被添加到生態(tài)袋中長期處于水飽和狀態(tài)，會加速分解，更易導致磷素的釋放.王君等[26]研究發(fā)現(xiàn)秸稈和玉米芯等農業(yè)廢棄物中含有豐富的磷，可以通過分解釋放到土壤中.

但隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定(70～184 d)，牡蠣殼和生態(tài)袋的吸附作用趨于飽和，細菌、藻類、植物根系的貢獻增大，與吸附作用協(xié)同除磷[27].稻草組、絲瓜絡組、玉米芯組、對照組TP的去除趨于穩(wěn)定，對應平均去除率分別為65.1%、62.2%、63.1%和56.9%，稻草組比對照組高出8.2%.因此，TP去除效果最佳的是稻草組.

2.3 微生物群落結構分析

為探究耦合生態(tài)袋中微生物對水質凈化的作用機理，在試驗運行穩(wěn)定期間(70～184 d)，取4組生態(tài)袋中的基質樣品，采用Illumina高通量測序分析生態(tài)袋中的微生物群落結構，結果如圖5所示.由圖可知，Proteobacteria作為水環(huán)境中主要的原核生物，在4組生態(tài)袋中的相對豐度最高.Bacteroidetes、Acidobacteria、Actinobacteria和Firmicutes是淡水湖泊水體和沉積物中豐度較高的菌門[28]，這4種菌門在生態(tài)袋中均有出現(xiàn).系統(tǒng)中還檢測出具有厭氧氨氧化活性的Planctomycetes菌，有利于促進脫氮效果[29]；而且添加農業(yè)廢棄物的生態(tài)袋組Planctomycetes豐度均高于對照組，這與各組別對應的脫氮效果相一致.Chloroflexi也是生態(tài)袋樣本中豐度較高的細菌(對照組2.84%、稻草組3.30%、絲瓜絡組3.68%、玉米芯組3.95%)，且3種添加農業(yè)廢棄物的生態(tài)袋組中Chloroflexi豐度高于對照組；對應的COD去除效果也均高于對照組.Zhao等[30]也研究發(fā)現(xiàn)，湖體底泥沉積物中有機物含量越高，對Chloroflexi細菌生長越有利.此外，添加農業(yè)廢棄物的生態(tài)袋樣本中均檢測出Nitrospirae，且占比高于對照組(僅0.26%)，表明農業(yè)廢棄物的添加有利于脫氮菌群富集增殖.

圖5 微生物相對豐度分布圖(門水平)

2.4 示范工程效果分析

示范工程所在地為南京市溧水區(qū)洪藍鎮(zhèn)傅家邊村澗東自然村受污染水體，主要污染源為生活垃圾和生活污水，岸坡部分為拋石護岸，其余為原始土坡.生態(tài)袋護坡建設施工長度為78 m，護坡寬度為1.5～2.5 m，整理邊坡高度為2～3 m，同時輔以清淤措施.施工前后水質指標變化見表3.

表3 示范工程施工前后水質指標

施工前，岸坡狀況不佳，水華現(xiàn)象嚴重，水質較差.其中COD和TP為《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ類，TN質量濃度為3.08 mg/L，已經屬于劣Ⅴ類.治理后，池塘岸坡穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境顯著改善，水體水質明顯提升，整體達到地表水Ⅲ類標準，示范工程取得了較好的生態(tài)效應和水質凈化效果.

3 結論

1) 磷吸附正交試驗結果表明，磷吸附效果影響因素重要性依次為：材料種類、磷質量濃度、材料質量濃度、粒徑.牡蠣殼具有較好的磷吸附效果，當水體中磷質量濃度在1.0 mg/L左右時，其適宜添加量為50 g/L.

3) 澗東示范工程采用廢棄生物質強化生態(tài)袋護坡技術，岸坡生態(tài)得到極大改善，水質整體提升到了地表水Ⅲ類.示范工程證實該生態(tài)袋技術用于農村水體治理有較好的脫氮除磷效果，也為同類型高氮磷污染的農村水體修復提供了借鑒與指導.