農(nóng)林廢棄物制備環(huán)境友好型緩釋碳源生物膜載體材料

楊 磊，郭 軍，王 巖，次仁多吉

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.甘孜州新龍生態(tài)環(huán)境局，四川 甘孜藏族自治州 626800）

生物膜法是與活性污泥法并列的一類(lèi)廢水好氧生物處理方法，其核心部分為生物膜載體［1，2］。生物膜載體的材料、粗糙度、表面化學(xué)特性將直接影響微生物的附著，進(jìn)而影響生物膜法的污水處理效果［3，4］。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)與有機(jī)生物膜載體大多生物親和性差，掛膜時(shí)間長(zhǎng)，呈疏水性，生物掛膜效果不佳［5-8］。此外，對(duì)于有機(jī)物含量較低的特殊工業(yè)廢水，需要額外投加甲醇、葡萄糖等液態(tài)碳源，且碳源投加量難以控制，易造成水體的再污染［9］。尋找合適的新型外加碳源成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［10］。

已有許多學(xué)者對(duì)可作為緩釋碳源的生物膜載體材料進(jìn)行了研究。邵兵等［11］利用竹粉和荔枝核粉末等制備的新型緩釋碳源材料表面結(jié)構(gòu)粗糙，釋碳性能良好。王全勇等［12］探明了以淀粉與聚砜在1∶1的比例時(shí)制作出的載體材料反硝化效果最佳。楊平等［13］探明了6%NaOH處理后稻殼作為外加碳源時(shí)結(jié)構(gòu)性改性最佳。Xiong等［14］利用花生殼和聚乙內(nèi)酯等制備了新型固體緩釋碳源，其利用效率取決于有機(jī)物釋放速率與釋放的有機(jī)物消耗速率之比。因此，制備出表面特性適合微生物附著且碳源緩釋性能良好的生物膜載體材料，對(duì)生物膜法處理污水具有重要意義。本試驗(yàn)以農(nóng)林廢棄物小麥秸稈為原料，添加聚乙烯，制備環(huán)境友好型生物膜載體材料，并探討其物理性能、掛膜性能及營(yíng)養(yǎng)緩釋性能，以期為制備環(huán)境友好型緩釋碳源生物膜載體材料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

廢棄小麥秸稈，聚乙烯。

1.2 方法

1.2.1 生物膜載體材料的制備 將廢棄小麥秸稈晾干后超細(xì)粉碎過(guò)50、100、400目篩，與60目聚乙烯粉末不同比例混合，在45 MPa壓力下壓制成型，經(jīng)過(guò)150℃熱塑60 min定型得到成品的生物膜載體材料。

1.2.2 孔隙率的測(cè)定 以稱重法測(cè)定秸稈含量為30%、40%、50%、60%、70%、80%的載體材料的孔隙率。

1.2.3 力學(xué)性能的測(cè)定 強(qiáng)度測(cè)定步驟參考GB/T 14484—2008《塑料 承載強(qiáng)度的測(cè)定》，使用HJ20型寬頻拉-扭疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)定載體材料的強(qiáng)度。

1.2.4 比重測(cè)定 比重測(cè)定步驟參考GB/T 1033—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定》，使用MDJ-300A型固體比重測(cè)試儀測(cè)定載體材料的比重。

1.2.5 營(yíng)養(yǎng)緩釋性能測(cè)定 將不同比例的載體材料置于潔凈、滅菌的塑料瓶中，加入300 mL滅菌水密封浸泡，靜置于超凈工作臺(tái)，并設(shè)置2 g秸稈粉末作為對(duì)照。每隔一定時(shí)間，無(wú)菌條件下取浸出液測(cè)定其有機(jī)物及鐵、鎂等離子的含量。以快速消解分光光度法測(cè)定有機(jī)物含量；鐵、鎂等離子濃度測(cè)定用A900型原子吸收光譜儀，測(cè)樣時(shí)用0.45μm濾膜過(guò)濾。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性能分析

強(qiáng)度與比重是影響生物膜載體生產(chǎn)性能的重要條件。經(jīng)測(cè)定載體材料的平均抗拉-扭強(qiáng)度為4.5 MPa，能滿足污水處理過(guò)程中長(zhǎng)期曝氣沖擊的要求。如圖1所示，將載體材料于水中浸泡，浸泡一年后，載體材料仍維持原狀，可見(jiàn)載體材料強(qiáng)度較高，耐久性較好。

圖1 載體材料浸泡1年前后對(duì)比

不同因素對(duì)載體材料比重的影響見(jiàn)表1。不同秸稈顆粒粒徑下，秸稈含量對(duì)載體材料的比重影響不同，1號(hào)至5號(hào)隨著秸稈含量的增加，載體材料的平均比重也逐漸上升，10號(hào)至13號(hào)隨著秸稈含量變化，載體材料平均比重變化無(wú)明顯規(guī)律，這可能是由于在400目時(shí)秸稈粉末的密度要高于60目聚乙烯粉末，100目時(shí)秸稈粉末密度與60目聚乙烯粉末相近。對(duì)比7號(hào)與8號(hào)、10號(hào)與14號(hào)發(fā)現(xiàn)，熱塑溫度越高，載體材料的比重就越大。測(cè)定出的載體材料雖比重不同，但均小于水的比重，使得載體材料在水體中呈懸浮狀態(tài)，有利于生物膜在污水立體空間的均勻分布，提高處理效果。

表1 不同因素對(duì)載體材料比重的影響

2.2 掛膜性能分析

孔隙率和表面粗糙度是影響生物膜載體掛膜性能的重要因素。載體材料的孔隙率按ε=［（m-m*）-n×m*］/（ρ×V）×100%計(jì)算，ε表示載體材料的孔隙率（%）；m表示載體材料的濕重（kg）；m*表示載體材料的絕干質(zhì)量（kg）；n表示每克纖維素吸收的水分質(zhì)量（kg）；ρ表示水的密度（kg/m3）；V表示載體材料的潤(rùn)濕體積（m3）。

載體中秸稈含量與孔隙率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，載體材料孔隙率與秸稈含量成正比，秸稈含量越大，孔隙率越大。其中，秸稈含量為80%的載體材料，孔隙率達(dá)93.29%，秸稈含量為30%的載體材料，孔隙率為74.13%。秸稈含量與孔隙率的相關(guān)系數(shù)為0.995，呈極強(qiáng)的相關(guān)性。

圖2 秸稈含量對(duì)載體材料孔隙率的影響

由圖3可知，載體材料浸泡前，表面較粗糙，微孔多；載體材料浸泡后，表面粗糙度明顯增加，微孔增多。這可能是由于載體材料吸收水分以后膨脹所致。

圖3 載體材料浸泡前后對(duì)比

載體材料經(jīng)1年缺氧條件后的掛膜情況如圖4所示，載體材料上附有厚厚的一層膜，且外部較堅(jiān)固。

圖4 載體材料1年缺氧條件下的掛膜情況

2.3 營(yíng)養(yǎng)緩釋性能分析

為探究載體材料營(yíng)養(yǎng)緩釋性能，設(shè)置了浸出試驗(yàn)。對(duì)載體材料浸出液連續(xù)取樣一個(gè)月，測(cè)定浸出液中有機(jī)物含量與秸稈粉末含量的關(guān)系。經(jīng)試驗(yàn)（圖5）測(cè)定，浸出液有機(jī)物含量與秸稈粉末的含量成正比，當(dāng)浸泡8 d時(shí)，秸稈粉末含量為80%的載體材料可溶出的有機(jī)物含量最多，為79 mg/（L·g）；秸稈粉末含量為30%的載體材料可溶出的有機(jī)物含量最少，為20 mg/（L·g）。在浸泡前5 d，浸出液內(nèi)有機(jī)物含量較低，溶出量較少，但溶出速率較快；5 d后浸出液內(nèi)有機(jī)物溶出量增多，但溶出速率減慢；至8 d時(shí)，有機(jī)物溶出量最多，達(dá)到峰值后開(kāi)始減少；13 d時(shí)，有機(jī)物溶出量達(dá)到穩(wěn)定階段，近似保持不變；18 d后，有機(jī)物溶出量減少。這可能是由于在前期載體材料有機(jī)物浸出速率大于載體材料的吸附作用，載體材料以浸出有機(jī)物為主，此時(shí)浸出液內(nèi)有機(jī)物含量升高；達(dá)到峰值后，載體材料將前期浸出的有機(jī)物吸附后緩慢釋出，載體材料有機(jī)物浸出速率小于載體材料的吸附作用，最后二者趨于平衡狀態(tài)，浸出液內(nèi)有機(jī)物含量趨于穩(wěn)定。

圖5 載體材料有機(jī)物含量的變化

載體材料浸出液中不同元素的質(zhì)量濃度見(jiàn)表2。由表2可以看出，載體材料浸出液中主要含有鈣、鉀、鎂、鈉、硅、磷等微生物所需要的常量元素，也含有微生物所需要的鋇、鋅等微量元素，可促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)；而對(duì)微生物有毒害作用的銅、鎘、鉛、砷等有毒有害物質(zhì)則均在檢測(cè)限以下，或未檢出。

表2載體材料浸出液中不同元素的質(zhì)量濃度（單位：mg/L）

綜上所述，用農(nóng)林廢棄物制備的環(huán)境友好型緩釋碳源生物膜載體材料，有機(jī)物釋放持續(xù)穩(wěn)定，各類(lèi)微量元素能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，有較好的供碳能力和微生物吸附能力，是一種良好的反硝化碳源。

3 小結(jié)

1）利用廢棄小麥秸稈和聚乙烯為原料制備的環(huán)境友好型生物膜載體材料，平均抗拉-扭強(qiáng)度為4.5 MPa，能夠滿足污水處理過(guò)程中長(zhǎng)期曝氣沖擊的要求。成型壓力、熱塑時(shí)間、秸稈粒徑、秸稈含量均對(duì)載體材料的比重有影響，但載體材料比重均小于水，有利于生物膜在污水立體空間均勻分布。

2）載體材料的孔隙率與其秸稈含量成正比，秸稈含量越高，孔隙率越大。其中，秸稈含量為80%的載體材料孔隙率為93.29%，含量為30%的載體材料孔隙率為74.13%。此外，浸泡后的載體材料表面粗糙度增大，微孔增多。

3）測(cè)定載體材料的營(yíng)養(yǎng)緩釋性能發(fā)現(xiàn)，載體材料前期有機(jī)物溶出速率快，中、后期有機(jī)物溶出量多但溶出速率減緩，在8 d時(shí)有機(jī)物溶出量達(dá)到峰值；浸出液的有機(jī)物含量與其秸稈含量成正比，秸稈含量越高，載體材料浸出液有機(jī)物含量越高，在峰值時(shí)，秸稈含量為80%的載體材料有機(jī)物溶出量為79 mg/（L·g）。載體材料浸出液中微生物所需元素含量豐富，而具有毒害作用的物質(zhì)均在檢測(cè)限以下，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，提高掛膜性能。