不同生物親和改性劑對繩狀人工水草污染物削減率的影響研究

蘇苑君

(中工武大設(shè)計集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

隨著城市生活污水中的污染物濃度和種類的提升，傳統(tǒng)的活性污泥法難以匹配污染物削減的需求，而生物膜法處理污水負(fù)荷高、建設(shè)費用低、耗能少，逐漸在城市污水處理中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。繩狀人工水草對污染物的修復(fù)技術(shù)實質(zhì)上是生物膜技術(shù)，通過耐酸堿、耐污、結(jié)構(gòu)合理的繩狀人工水草形成由多種微生物組成的生物膜，有效削減污染物，提升水質(zhì)[2]。

繩狀人工水草材質(zhì)主要為滌綸，滌綸纖維因其具有比玻璃纖維、碳纖維和芳綸等更低的密度、更低廉的加工成本而被廣泛應(yīng)用，但是滌綸纖維分子結(jié)構(gòu)對稱呈直線型，缺乏極性基團(tuán)，分子間作用力大，導(dǎo)致其生物親和性較差[3]。研究表明有效地改善生物載體生物親和性，能提高掛膜速度，縮短掛膜啟動時間，進(jìn)而提高污染物削減率[4]。物理涂覆方式是將功能材料如生物親和物質(zhì)采用物理涂覆方式涂覆在滌綸表面，從而提高滌綸生物親和性等性能[5-7]。表面整理原理簡單、成本低、工藝比較成熟，且能夠在基本保持滌綸性能的基礎(chǔ)上賦予其生物親和性能[8-9]。如胡志文等[10]采用堿處理工藝對聚酯纖維進(jìn)行了表面改性研究，改性后纖維的回潮率、透濕性等有了顯著的提高；徐旭凡[11]利用殼聚糖對滌綸纖維進(jìn)行了表面枝接改性，處理后滌綸的吸濕性、抗靜電等性能顯著提升；張梁[12]通過烘焙方法對滌綸進(jìn)行了絲膠涂覆，結(jié)果表明，經(jīng)絲膠處理后纖維回潮率和透氣性均有所增加；鄭君紅等[13]先對滌綸織物進(jìn)行刻蝕，然后將羊毛角蛋白涂在織物上，織物被羊毛角蛋白整理后，最終回潮率增加到原來的3.3倍。以上研究均表明整理確實可以有效提升滌綸織物的物理性能，使其吸濕性、透氣性等明顯增強(qiáng)。

碳源不僅可作為生物親和整理劑對滌綸進(jìn)行生物親和改性，同時也是微生物所需的能量[14-15]，具有原材料來源廣泛、價格低、對環(huán)境無污染的特點。其中，殼聚糖作為生物親和劑對滌綸改性已有很多相關(guān)研究[16-18]，而白糖和淀粉作為生物親和劑對滌綸改性的研究較少。因此，本文采用新方法對白糖、殼聚糖、淀粉進(jìn)行處理，探索其作為生物親和整理劑對生物載體污染物削減效果的影響，并通過表征參數(shù)的測定找出產(chǎn)生不同結(jié)果的原因，以期為生物載體改性找到性價比更高的表面整理劑，為提高生物載體功效奠定基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)置

1.1 改性繩狀人工水草制備

1.1.1 生物親和改性劑制備

試驗所用生物親和改性劑及其來源見表1。由于直接購買的殼聚糖和淀粉不溶于水，因此需先對殼聚糖和淀粉進(jìn)行可溶解性處理，以備后續(xù)實驗使用。

表1 親水改性劑基本信息

1.1.2 生物親和改性繩狀人工水草制備

繩狀人工水草主要材質(zhì)為滌綸，具體見圖1。在繩狀人工水草基礎(chǔ)上分別對其進(jìn)行白糖、殼聚糖及可溶性淀粉改性處理，分別得到白糖處理組繩狀人工水草、殼聚糖處理組繩狀人工水草和可溶性淀粉處理組繩狀人工水草。

圖1 未改性繩狀人工水草

a.白糖處理組繩狀人工水草：配制質(zhì)量濃度2%的白砂糖溶液2.5L，將2.5m繩狀人工水草浸漬24h，取出脫水，然后置于50℃的真空干燥箱內(nèi)烘干，得到白糖改性繩狀人工水草。

b.殼聚糖處理組繩狀人工水草：攪拌配制質(zhì)量濃度2%的殼聚糖溶液2.5L，將2.5m繩狀人工水草浸漬整理24h，取出脫水，然后置于50℃的真空干燥箱內(nèi)烘干，得到殼聚糖改性繩狀人工水草。

c.可溶性淀粉處理組繩狀人工水草：可溶性淀粉在恒溫100℃下攪拌2h配制成質(zhì)量濃度2%的溶液2.5L，待其冷卻至室溫后，將2.5m繩狀人工水草浸漬24h，取出脫水，然后置于50℃的真空干燥箱內(nèi)烘干，得到淀粉改性繩狀人工水草。

1.2 試驗方案

試驗設(shè)置4個處理組，分別是未改性處理組、白糖處理組、殼聚糖處理組和可溶性淀粉處理組，每個處理組設(shè)置3個平行組，取其平均值作為各處理組濃度進(jìn)行削減率計算，最后比較結(jié)果。試驗用原水模擬高濃度生物污水；設(shè)計COD濃度為500.0mg/L，總氮為65.0mg/L，總磷為0.8mg/L；底泥采用市政污泥，采用自然掛膜法[14]掛膜。試驗用透明水箱尺寸為380mm×290mm×240mm，底泥厚度50mm，水深150mm，每只水箱中平行放置2排繩狀人工水草，每排3條繩狀人工水草，共6條繩狀人工水草，每條繩狀人工水草長度為10cm。具體布置見圖2。試驗開始后，每隔4天取一次水樣，保持試驗水深不變；每天拍照記錄各處理組繩狀人工水草掛膜情況。試驗過程中水溫為22℃左右，溶氧2mg/L左右。

圖2 試驗布置

1.3 測試指標(biāo)及方法

對各處理組繩狀人工水草接觸角、粗糙度進(jìn)行測定，并形成纖維表面形貌圖和紅外光譜圖。試驗過程中定期取樣測定COD、總磷、總氮等污染物濃度。

試驗主要檢測項目、分析方法及所用儀器見表2，水質(zhì)指標(biāo)采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[19]中的測試方法進(jìn)行測定。

表2 主要檢測項目方法及相關(guān)儀器

2 結(jié)果與分析

2.1 材質(zhì)性質(zhì)

2.1.1 接觸角

各處理組繩狀人工水草接觸角見表3，由表3可以看出，經(jīng)過生物親和性改性后的繩狀人工水草接觸角明顯變小，其中白糖處理組接觸角最小，其次是殼聚糖和可溶性淀粉處理組，分別較未改性處理組降低了70.32%、50.86%和43.59%。

表3 各處理組繩狀人工水草接觸角

2.1.2 粗糙度

由于纖維表面顆粒數(shù)和顆粒面積均對纖維的粗糙度有影響，因此取其乘積作為表征纖維表面粗糙度的綜合衡量指標(biāo)，即綜合粗糙度，其數(shù)值越大，則樣品粗糙度越大。

W=KS

式中：W為綜合粗糙度；K為纖維表面顆粒數(shù)；S為纖維表面顆粒面積百分比。

各繩狀人工水草處理組纖維電子顯微成像見圖3，由圖3可以看出，改性后繩狀人工水草纖維表面增加了各種溝回、褶皺，使得改性后的繩狀人工水草明顯較未改性處理組纖維表面更粗糙。各繩狀人工水草處理粗糙度見表4，由表4可以看出，各改性處理組繩狀人工水草不論是纖維表面顆粒面積百分比還是纖維表面顆粒數(shù)都較未改性處理組有了明顯增大，其中白糖處理組繩狀人工水草的綜合粗糙度最大，達(dá)到22.438，其次是殼聚糖和可溶性淀粉處理組繩狀人工水草，分別為8.540和1.811，相對于未改性處理組綜合粗糙度分別增加了59.32倍、21.96倍和3.87倍。

圖3 各繩狀人工水草處理組纖維電子顯微成像

表4 各繩狀人工水草處理組粗糙度

2.1.3 紅外光譜分析

繩狀人工水草各處理組紅外光譜分析圖見圖4，由圖4可以看出，各處理組繩狀人工水草均在3500cm-1處有羥基的伸縮振動峰，但是伸縮振動幅度存在一定差異，說明親水性均得到改善，且改善程度不一[20]。從振動峰的相對大小可以看出，親水性由好到一般分別為殼聚糖、可溶性淀粉、白糖、未改性處理組，且前兩者間差異不明顯，但均好于白糖處理組。

圖4 繩狀人工水草各處理組紅外光譜分析

2.2 污染物削減率

各繩狀人工水草處理組對污染物的削減率見圖5，由圖5(a)可以看出，試驗周期內(nèi)殼聚糖、可溶性淀粉、白糖及未改性處理組對COD的削減率分別為96.39%、95.34%、93.54%和86.48%，說明生物親和改性對提高繩狀人工水草對COD的削減率效果明顯，其中以殼聚糖和可溶性淀粉效果最好。由圖5(b)可以看出，生物親和改性后繩狀人工水草對總磷的削減率明顯增強(qiáng)，殼聚糖和可溶性淀粉處理組尤為明顯，試驗周期內(nèi)對總磷的削減率分別為96.36%和92.68%，其次是白糖處理組，對總磷的削減率為89.78%。由圖5(c)可以看出，殼聚糖改性處理組對總氮的削減率最大，達(dá)到61.63%，其次是白糖處理組和可溶性淀粉處理組，試驗周期內(nèi)對總氮的削減率分別為53.81%和51.76%，與未改性處理組差異不大。

2.3 掛膜情況

掛膜數(shù)量和質(zhì)量可以直接反映生物載體生物親和性、親水性等[21]。試驗第12天各繩狀人工水草處理組掛膜情況見圖6，由圖6可以看出，未改性處理組繩狀人工水草掛膜量最少，其次是白糖處理組，可溶性淀粉和殼聚糖處理組幾乎未見白色纖維，說明這兩個處理組繩狀人工水草纖維基本都掛膜了；從顏色上看，可溶性淀粉處理組繩狀人工水草呈黃綠色，而殼聚糖處理組繩狀人工水草呈深褐色，說明殼聚糖處理組掛膜效果更好。

圖6 試驗第12天各繩狀人工水草處理組掛膜情況

3 結(jié) 論

a.從污染物削減率和掛膜效果來看，生物親和改性處理組對污染物削減效果明顯好于未改性處理組，其中殼聚糖處理組對污染物的削減率最高，其次是可溶性淀粉處理組，然后是白糖處理組。這與各處理組繩狀人工水草掛膜效果相一致，即殼聚糖處理組掛模量最大，其次是可溶性淀粉處理組，然后是白糖處理組。

b.從表征參數(shù)來看，由于親水官能團(tuán)可直接反映纖維親水性[22]，親水官能團(tuán)增加情況越好，親水性越好，生物親和改性后各處理組繩狀人工水草親水官能團(tuán)均有了不同程度的增加，說明生物親和改性后繩狀人工水草親水性有了不同程度的提升，其中殼聚糖處理組繩狀人工水草親水性最好，可溶性淀粉處理組稍遜色，白糖處理組親水性一般。接觸角的大小可以部分反映親水性關(guān)系，接觸角過小則不遵循接觸角越小親水性越好的規(guī)律，這與李磊等人的結(jié)論不完全相同，可能是本次纖維接觸角更廣的原因[23]。生物親和改性后，各處理組繩狀人工水草粗糙度明顯增大，其中白糖處理組綜合粗糙度最大，達(dá)到22.438，其次是殼聚糖和可溶性淀粉處理組，分別為8.540和1.811，可見粗糙度與親水性無明顯相關(guān)關(guān)系，但是對微生物掛膜數(shù)量和質(zhì)量有一定影響，因為增加的比表面積可以負(fù)載更多的微生物，創(chuàng)造更為多變的生存環(huán)境，也更易附著豐度更多的微生物[24]。

c.結(jié)合污染物削減率、掛膜效果和表征參數(shù)來看，親水性越好，污染物削減率越高，掛膜量越大，掛膜啟動時間越早。而所有的改性處理組均能明顯提升生物載體粗糙度，有利于豐度更多、數(shù)量更大的微生物附著，但是相較于親水性帶來的影響，粗糙度影響力顯然更小，因此建議從提升親水性的角度來選擇改性材料和方法。