组合式浮床去除污染物特征及脱氮动力学研究

2020-06-08陈华胡新吴松曹文平张永明衡强强

河南理工大学学报(自然科学版) 2020年4期

陈华，胡新，吴松，曹文平，张永明，衡强强

(1.江苏方正环保设计研究有限公司,江苏徐州 221002；2.徐州工程学院环境工程学院,江苏徐州 221111；3.徐州鄱湖环保科技发展有限公司,江苏徐州 221111)

0 引言

近年来，生态浮床因维护简单、无占地、太阳能驱动和景观美化效果好等诸多优点而受到普遍关注并推广应用[1]。传统的生态浮床是依靠水生植物同化作用和根系微生物氧化分解作用去除水体中的污染物，不仅效果不好，而且浮床中植物矮小，叶子枯黄[2-3]，景观较差。将污水生物处理中常用的生物载体(亦称填料)引入生态浮床系统并组建组合式生态浮床，使浮床系统中生物量、微生物种群都得到了很大改善，从而提高了生态浮床的生态效应、环境效益和生态修复效果，因此，得到了大量研究和工程应用[4-6]。无论是传统生态浮床还是组合式生态浮床在地表水体脱氮除磷过程中都需要解决碳源供给难题，这是控制水体富营养化的关键要素之一[5-9]。

基于低温条件下生态浮床景观造景和脱氮除磷双重需要，将固相和生特反硝化技术以及组合生态浮床技术等耦合在一起，构建一种新型的组合式生态浮床[2]。将生物载体作为植物生长基质，改善了植物根系生长环境和复杂生境造就，提高基质表面微生物活性、微生物浓度、植物生长效果，增加浮床系统内的微生物量，提升生态浮床的净化效果和作用空间区域[2，5，10-11]。本课题组对比研究了稻草基质和塑料基质2种浮床脱氮效果，结果表明：稻草基质生态浮床对TN去除率比塑料基质生态浮床高26.06%[2]。

本次试验以轻质陶粒为对照基质，玉米芯作为组合式生态浮床基质，并辅以表面微曝气物理方法，研究低温条件下改良的组合式生态浮床脱氮效果和机理，探讨不同基质表面指示性微生物的特性差异，并利用Monod模型方程拟合生态浮床降解脱氮的动力学，掌握其生化动力学特性。

1 材料和方法

1.1 基质

玉米芯：取自徐州市云龙区周边农村。玉米棒芯人工剪裁成约1 cm×1 cm×1 cm的方形，用自来水连续浸泡两周(每天换水1次)，消除玉米芯表面容易脱落的有机颗粒或组织内含物，防止试验过程中出现二次污染。其孔隙率约68%，比表面积约380 m2/m3。轻质陶粒：表面粗糙，粒径5～8 mm、孔隙率约65%、比表面积约360 m2/m3。孔隙率和比表面积采用F-Sorb X400系列比表面仪测定。

1.2 生态浮床植物的选取与种植

试验前，将选购于植物培育基地的水芹根系洗净，并充氧培育15 d，试验时将水芹育苗统一修剪为15 cm，并移栽到生态浮床基质中。水芹露出填料高度约8 cm，其余埋在基质中，两组生态浮床中水芹栽种间距(3 cm)均相同。

1.3 原水

1.4 浮床和试验方法

生态浮床由床体框架、水芹、基质等3部分组成。生态浮床床体框架使用能滤水的塑料圆柱形水培篮子，内径20 cm，深度18 cm，每个水培篮内玉米芯或轻质陶粒填充量分别为3.5 L，共2个。将其移入有效容积100 L的长方体水箱，构建生态浮床系统(图1)。

图1 组合型生态浮床示意图

每组生态浮床设置3个平行的生态浮床，每个生态浮床中的基质、水芹、水质等保持相同，其中一组以玉米芯为基质的组合式浮床(integrated floating bed with corn flakes，简称IFB-CF)，另一组以轻质陶粒为基质的组合式浮床(integrated floating bed with light ceramsite，简称IFB-LC)。使用风机进行水面微曝气，使溶解氧维持在3.23～4.25 mg/L；采用序批式处理的方法，分别于每次换水后的12，24，48，72，96，120，144，168 h取样测量。在水箱的5个不同位置采集表层水样，取混合后水样装入已灭菌的采样瓶中，2 h内完成检测分析。试验过程中定期对基质表面微生物膜进行分析，分析基质表面生物膜内指示性微生物和菌胶团特性以及测定生物膜厚度。在此基础上，利用生化反应动力学方程解析不同基质的组合式生态浮床脱氮效果和脱氮机理。

1.5 样品采集及分析

1.6 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 氮素转化过程

图2 生态浮床系统中氮素污染物转化和去除效果

由图2(a)可见，TN质量浓度随着时间增加显著减少，IFB-CF对TN的去除效果优于IFB-LC，7 d后，IFB-LC对TN去除率为31.37%，而FB-CF去除率达到67.55%，两者TN去除率存在显著性差异(p<0.05)。两组生态浮床均出现TN降低的原因有：玉米芯和陶粒为基质的浮床中，基质和植物在篮子中浮集在一起，篮子中的基质内由于溶解氧无法进入或进入相对困难，导致基质内部缺氧和厌氧显著，使水体内产生了反硝化脱氮的微环境，而在基质表面由于充氧曝气作用好，氧环境显著，硝化效果强劲，从而生态浮床系统内实现了TN的同步去除。

2.2 COD去除效果及分析

COD浓度随时间的变化如图3所示。IFB-LC和IFB-CF对COD平均去除率分别为86.89%和66.06%。相对IFB-CF而言，IFB-LC的去除效果较好。IFB-CF中有机物在被水芹、玉米芯表面生物膜吸收和降解的同时，玉米芯自身释放有机物，相比于IFB-LC，IFB-CF释放出有机物，所以IFB-LC比IFB-CF对COD的降解效果要明显。

图3 COD质量浓度变化直方图

此外，有机物去除与TN去除有一定的对应关系，TN去除是一个生物反硝化过程，生物反硝化过程则需要在缺氧条件下，以有机物为电子供体，硝酸盐为电子受体，发生氧化还原反应达到去除硝酸盐的目的。资料显示：每去除1 g硝酸盐离子则需要消耗2.83 g的COD，可以看出，TN去除过程中对COD的去除效果也是十分显著的。当然，由于本生态浮床系统是一个好氧环境，所以好氧微生物降解也是去除COD的主要途径。

2.3 指示性微生物特点

指示性微生物由于个体容易观察、成本较低，在污水处理厂运行管理和水体自净等过程中得到了较多的应用，通过分析指示性微生物特点可以在一定程度掌握污水净化系统内细菌的特点(包括种群种类、活性和增殖情况)[20]。从玉米芯表面和陶粒表面剥落的生物膜中均发现有活性良好的红斑瓢体虫、线虫等水体净化过程中的高等微型后生动物(图4)，相比于陶粒表面，玉米芯表面的红斑瓢体虫、线虫数量和活性更好些，可能是试验过程中玉米芯和陶粒作为生物膜载体一直处于较为平静的环境中，水面扰动少，生物膜更新慢，红斑瓢体虫出现能对老化的生物膜进行扫除和更新，保持微生物活性。

图4 红斑瓢体虫、线虫(×100)

另外，玉米芯和陶粒表面生物膜中均出现了大量的游泳型纤毛虫(α-中污带常常出现的微生物)，说明浮床系统中的细菌数量充足且增殖量较大，足以维持原生动物(如游泳型纤毛虫)的生长和繁殖,但是陶粒表面出现了少量的钟虫和轮虫(寡污带常常出现的指示性微生物)，而在玉米芯表面却未发现，可能是因为玉米芯在使用过程中表面容易分泌较多的低分子有机物，在其表面形成一定辐射范围的有机物浓度偏高区域，在辐射区域内有机物质量浓度较高，一些寡污带的指示性微生物不能生存。与此同时，陶粒表面却无有机物释放出来，表面能形成较为清洁的水膜层或次水膜层，容易出现钟虫和轮虫。

从玉米芯和陶粒表面生物膜的菌胶团特性看，玉米芯表面生物膜内的菌胶团厚，不均匀，发黑区域较多；陶粒表面生物膜内的菌胶团量少且薄、均匀、，透明。分析认为：玉米芯表面容易被自然形成的微生物氧化分解,形成较厚的生物膜(因为玉米芯表面容易形成一定辐射范围的有机物质量浓度递减区域，区域内有机物质量浓度较高，导致生物膜增殖较快，而且生物膜更新较慢，故而生物膜较厚)，有利于形成厌氧、缺氧和好氧微环境，从而有利于生物硝化/反硝化和碳源释放同步进行，故而玉米芯作为浮床基质时能产生较好的脱氮效果。而陶粒却不具备形成厌氧、缺氧和好氧微环境的条件，表面生物膜较少、较薄、成分单一，故而脱氮效果不好。

2.4 生态浮床脱氮动力学模型

Monod动力学模型基于微生物反应变化规律，生化反应动力学方面的一些参数，是体现微生物起主要作用的污染物降解过程的合理选择，适合微生物系统的实际情况[7]。所以，低温条件下湿地式浮床去除营养盐效果选用Monod动力学模型模拟分析。

假设低温条件下湿地式浮床降解营养盐的过程与其他生物系统一样，符合Monod动力学方程条件，即

(1)

式中：v为污染物的降解速率，mg/(L·d-1);k0，v为零级体积速率常数，mg/(L·d-1);k为半饱和常数，mg/L;c为污染物质量浓度，mg/L。推导过程见式(2)～(5)。

(2)

变形为

(3)

两边积分得

(4)

积分变形得

(5)

将0，12，24，48，72，96，120，144，168 h取样值编为1～9号，利用试验数据建立Monod动力学模型，运用origin9.0对低温条件下湿地式浮床营养盐水体下TN变化进行拟合分析，TN降解动力学模型曲线如图5～6所示，动力学方程如表1所示。

图5 IFB-LC 对TN去除效果拟合曲线

图6 IFB-CF对TN去除效果拟合曲线

由图5～6和表1可以得出，低温条件下湿地式浮床对TN的降解过程描述的Monod动力学方程的相关系数R2均在0.97左右，说明拟合相关性良好，证明Monod动力学方程适用于模拟低温条件下湿地式浮床的反应过程。从动力学参数可以发现，IFB-CF具有比IFB-LC更快的TN去除效果和去除速率,说明玉米芯作为浮床基质有利于提高富营养化水体的脱氮速度，也有利于农业废弃物(玉米芯)的资源化利用。