生物炭固定菌强化人工湿地对低温污水中氮素去除的模拟研究

詹钧杰

【摘 要】人工湿地具有着良好的除氮素能力，但是在低温环境中，人工湿地系统的除氮素能力有所下降，应用生物炭固定菌加强其除氮素能力不失为一种有力的手段。基于此，本文从模拟实验材料以及实验方法、模拟实验过程分析、模拟实验结果总结进行了详细的研究。

【关键词】生物炭固定菌；人工湿地；低温污水；氮素去除；模拟实验

中图分类号： X703 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0031-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.013

0 引言

生物炭具有着良好的吸附能力，在环境领域中常被用作吸附剂。人工湿地系统对于处理含氮化合物有着积极作用，其优势在于能够处理高浓度氮素污水，但是在低温环境中，微生物活性降低，数量减少，人工湿地系统的除氮效率被大大限制。因此，应用生物炭固定菌剂加强除氮素性能，实现污水的良好净化效果。

1 模拟实验材料以及实验方法

人工湿地是由植物、微生物以及基质构成的人工自然系统，能够达到自然湿地的效果，实现自然湿地系统的结构，利用生物、化学以及物理三门学科的共同合作，通过沉淀、吸附等作用对污水进行净化处理。垂直流人工湿地系统就是近几年新型的湿地系统，具有着特殊的水流方式。其中人工湿地能够达到去除污水的效果主要依靠于微生物的使用，使用微生物固定化技术，让难以降解的污水得到良好的处理效果。

进行模拟实验的材料要在某湿地中冬季底泥内将黄假单胞菌分离出来，将黄假单胞菌作为模拟实验所需要用到的实验菌株。还需要选择水稻秸秆作为模拟实验的原料，将原料放在马弗炉中，在700℃的条件下炭化三个小时，形成一种生物炭的载体。然后需要称取一定数量的生物炭载体，放入到锥形瓶之内，放入一定的菌悬液。最后将其放入到恒温振荡器之中，保持振荡状态8小时指导吸附平衡，经过过滤处理之后的生物炭，也就得到了生物炭的固定化菌剂。

2 模拟实验过程分析

2.1 构建人工湿地

模拟实验中使用到的人工湿地，使用的是垂直流的结构，在其中设计出一个直径为50厘米，深度为100厘米的池桶，在池桶的底部设置一个出水口，同时设置止水阀，实现控制出水流量的目的。在池桶内部要自下而上的放置10厘米厚的鹅卵石、15厘米厚的粗砂粒、20厘米厚的细砂粒和25厘米厚的土壤。在人工湿地中还需要种植湿地中的香蒲，以每平方米8株的密度种植，在植物生长情况达到稳定的良好状态，运行一次，确保人工湿地能够在实验环境中适应下来[1]。

将污水以均匀的方式投配到人工湿地的表面系统中，让污水能够垂直下渗到湿地底部，经过出水口排出去。人工湿地的进水系统是来自于当地生活污水系统，污水的pH值处于7到8的范围之内，污水的温度处于6℃到8℃范围之内，污水總悬浮物的质量浓度在每升2.毫克到2.5毫克范围之内，污水总氮的质量浓度处于每升60毫克到66毫克范围之内，污水氨氮的质量浓度处于每升10毫克到15毫克的范围之内。

2.2 氮素化合物的测定

在人工湿地系统稳定运行之后，将生物炭投入进去，对菌剂进行固定化，水温处于6℃到8℃的范围之内，接种量则处于每升12毫克到60毫克范围之内。设置A、B对照组，一组为未投放生物炭固定化菌剂以及生物炭，一组是投加生物炭以及菌剂，对人工湿地进行NH-N等元素浓度的跟踪测定，同时建构出低温环境中菌剂处理污水的动力模型。TN浓度的测定使用过硫酸钾氧化联合紫外分光的光度法进行测定，对NH-N浓度的测定使用的是纳氏试剂的光度法进行，NO-N的浓度测定需要使用紫外分光法测定，NH-N的测定则是需要使用乙二胺光度法进行测定。

2.3 模拟实验分析

2.3.1 模拟实验反应原理

在人工湿地处理含氮化合物的过程中，主要是依赖植物吸收效果，以及微生物进行的正反硝化作用。在这个过程中，对NH-N的处理主要是通过对微生物进行消化处理，将NH进行氧化处理得到NO，然后再一次氧化成为NO。对NO-N、NH-N的处理则是通过将微生物进行反硝化作用，让NO、NH都被还原成为N2以及NO等气体。去除掉有机氮则需要经过氨化反应，将有机氮逐渐转变为无机氮[2]。

2.3.2 生物炭对氮素去除率的影响

当人工湿地稳定运行五天之后，没有加生物炭和菌剂的A组的出水检测中，发现含氮化合物的去除率约为50%，人工湿地自身具有一定的去除含氮化合物的能力。在添加菌剂的B组出水检测中，对于含氮化合物放入去除率达到了64%以上，对NH-N的去除率达到了65%以上，对NO-N去除率达到了62%以上，对NH-N的去除率达到了61%以上，这也说明了生物炭本身就具有一定的吸附能力，但是生物炭的吸附效率并不高，需要其他辅助试剂的协助，才能达到较为理想的吸附能力。

2.3.3 温度对氮素去除率的影响

在微生物反应中，温度变化同样是重要影响作用。在模拟实验中发现，当温度处于3℃到4℃的情况中，对于氮素的去除率仅仅为23%。在3℃到4℃、8℃到16℃、21℃到27℃这三个温度段上，氮素去除率和温度之间的相关系数能够达到0.95以上，这也说明了氮素去除率受到温度的重要影响。将模拟实验的温度设定在10℃以下，分析氮素化合物的去除率，发现去除率能够达到21%。因此，为了保障人工湿地系统的去氮素效率，必须要在低温环境中增加保温设施，提高除氮素实际效果。

2.3.4 菌剂接种量对氮素去除率的影响

增加生物炭固定化菌剂之后，发现人工湿地系统中各个含量的去除效率都有了大幅度的升高。随着接种量的逐渐增加，人工湿地系统在去除低温污水中所包含的含氮化合物量有了明显提高。在接种量从每升12毫克增加到每升60毫克的时候，人工湿地系统在整体去除效率上有着明显的升高，但是其中当接种量达到每升42毫克的时候，处理含氮化合物效率的涨幅并不明显。但是在模拟实验中，发现当接种量达到每升60毫克的时候，去除效果达到最佳，若考虑到经济成本，那么每升42毫克的接种量是最为理想的接种量。

2.3.5 水力停留时间对氮素去除率的影响

在接种量为每升42毫克的时候，水温维持在6℃到8℃，水力停留的时间在5天左右，在这样的条件下，发现生物炭固定化菌剂的去除效率随着时间的推移而逐渐增加。在人工湿地运行5天之后，含氮化合物去除率最高可以达到95%左右。在接种量为每升42毫克的时候，含氮化合物的去除率能够达到A组的近两倍之多。在接种量达到每升60毫克的时候，水力的停留时间维持在10天左右，水温保持在6℃到8℃条件的情况下，含氮化合物的去除率则能够达到95%附近，这也说明了在人工湿地中，污水随着时间推移，逐渐增加，污水和菌剂的接触也就更加充分，氮素去除率也就越来越高。

在模拟实验中，分析时间和去除率的关系，能够发现各个含氮化合物的去除率和时间存在一定的回归关系。生物固定化菌剂能够在很大程度上减少水力停留时间，让含氮化合物去除效率得到稳定提高，也更有利于稳定人工湿地系统的去除性能。其中生物炭自身就具有着明显的吸附能力，将生物炭作为固定化载体，让菌体得到吸附和固定之后，最大程度上避免各种菌类的竞争，避免外界因素影响到菌体，有利于保障菌体稳定性。当生物炭进行菌体固定化处理之后，菌体浓度也会随着水体流失出现大幅度降低，这也推动了生物炭固定化的高效使用，让人工湿地净化效率得到保障。

2.4 动力学模型

在模拟实验中，利用Monod的动力学模型对菌剂去除氮素过程进行模拟[3]。首先先要假设降解过程是符合动力学模型的，其中连续搅拌反应器认定为人工湿地系统中设置的主要反应器，根据动力学模型的计算公式进行分析。在生物炭固定化菌剂的一级降解反应满足动力学模型，经过对固定化菌剂投入量的分析，分析出含氮化合物发生反应的变化规律，发现生物炭固定化菌剂降解氮素的与测试和观测值是互相吻合的，也就是说明生物炭固定化菌剂对氮素的降解是符合动力学模型的。

3 模拟实验结果总结

生物炭固定化菌剂的接种量达到每升12毫克到60毫克的时候，能够实现人工湿地系统良好的去氮素效果，综合各方面因素，将接种量设定为每升42毫克，不仅能够起到良好的净化效果，也具有一定的经济意义。在接种量为每升42毫克的时候，固定化菌剂对人工湿地系统氮素去除效果更好，且具有着稳定的除氮素性能。在人工湿地系统中，生物炭固定化对含氮化合物的降解过程满足动力学模型。

结论：综上所述，本文首先分析了模拟实验材料以及实验方法，然后对模拟实验过程进行了分析，先构建人工湿地，分析了生物炭固化菌剂对氮素化合物的净化作用，分析了模拟实验反应原理，生物炭、菌剂接种量、水力停留时间、温度都对氮素去除率有着显著影响，最后进行了模拟实验结果总结。

【参考文献】

[1]黎雪然，王凡，秦华鹏，曾祥飞.雨前干旱期对生物滞留系统氮素去除的影响[J].環境科学与技术，2018，41（03）：118-123+140.

[2]龚柔艳，谌宏伟，危润初，颜依寒，乔小坡，田伟，王兆成.低温条件下投加碳源的垂直流人工湿地模拟装置影响去除微污染水体氮素的试验研究[J].科学技术与工程，2016，16（35）：310-315.

[3]李笑天，刘锦涛，王乙江，丰林花，卫琦，徐俊增，杨士红.不同湿地-稻田面积比下茭白-茨菇湿地系统对稻田排水中氮素去除效果的研究[J].中国农村水利水电，2016（11）：70-73.