新型粉煤灰陶粒固定化有效微生物群落对模拟水产养殖废水净化效果

陈 爽，王良恺，文 涛，毛欣宇，许 明，邵孝侯

（1. 河海大学 农业工程学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学 南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3. 北京禹冰水利勘测规划设计有限公司江苏分公司，江苏 南京 210036；4. 江苏省环境科学研究院，江苏 南京 210036）

集约化水产养殖中饵料的大量投放使得养殖废水富含氮、磷有机物，这些有机物具有分散广和难以收集的特点，易造成水体富营养化，给农村生态环境甚至是饮水安全造成危害[1−2]。养殖废水微生物处理具有成本低、环境友好等优点，是削减污染水体氮、磷污染物的有效途径之一[3]，其中以硝化/反硝化为主要机理的微生物净水技术已在养殖废水的原位修复中得到了广泛应用。PAN等[4]将复合微生物制剂在水体形成的菌丝球用于高效收获藻类净化富营养水体。DENG等[5]利用具有反硝化特性的施氏假单胞菌Pseudomonas stutzeri与蜡样芽孢杆菌Bacillus cereus净化草鱼Ctenopharyngodon idellus鱼塘水体，发现水中氮污染物最高降低了54.8%。杜聪等[6]研究发现：微生物菌剂可以改善黑臭水体水质及修复生物多样性。受环境因素影响，外源微生物进入修复水体环境后活性和稳定性往往受到抑制[7]，利用载体对微生物进行固定可提升其适应能力，同时强化其对水体中氮、磷的去除效率[8]。常用的微生物固定化方法有包埋法、吸附法、交联法等，相较于吸附法，其他方法应用成本较高[9]，难以在养殖废水处理中推广。吸附法操作简便，微生物可在吸附材料表面2周左右自然成膜，是快速制备固定化微生物的有效方法，应用于养殖废水净化前景广阔[10−11]。粉煤灰具有较高比表面积且表面富含铝、硅等氧化物，是一种廉价且吸附性能优异的微生物载体材料[12−13]。邵青等[14]在质量比m(粉煤灰 )∶m(污泥)∶m(添加剂)=7∶2∶1，1 000 ℃条件下烧制的陶粒比表面积可达2.66，颗粒强度达143 N。此外，有效微生物群落(effective microorganisms，EM)是以光合菌为中心，与固氮菌并存、繁殖，混合后培养出的多功能微生物群落，已被广泛运用于富营养水体的修复。胡京等[15]发现EM可有效降低幼刺参Apostichopus japonicas养殖水体中化学需氧量(COD)、非离子氨等含量，水体净化效果显著。梅立永等[16]也发现：投加EM可有效降低水中溶解氧(DO)浓度，投加22 d后，水体中化学需氧量、氨氮、总氮、总磷的最大去除率分别可达52.4%、42.6%、41.6%和22.1%。笔者前期的研究结果表明：粉煤灰与活性底泥富含二氧化硅，制作陶粒易于成型并具有一定机械强度，且活性底泥与粉煤灰共同烧结可显著提升陶粒的比表面积和孔隙度，是吸附水体氮磷和固定EM的良好材料。此外，粉煤灰含有三氧化二铝、氧化镁、三氧化二铁等氧化物，可与污水中的磷酸盐生成沉淀，辅以EM的脱氮除磷功能，可强化水体营养盐污染物的去除。因此，本研究以粉煤灰与活性底泥为主要原料，与铁粉和碳酸钙粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通过制作陶粒的性能和其对氮、磷的吸附效果确定最佳配比粉煤灰陶粒。通过粉煤灰陶粒固定化EM联合修复模拟水产养殖废水，分析其对水体中氮磷的去除率，讨论相关净化机理，为EM粉煤灰陶粒在水产养殖废水净化中的应用提供理论和实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

粉煤灰取自某热电厂的干排粉煤灰。X射线荧光光谱(XRF)成分分析表明：粉煤灰中的主要成分(质量分数)：二氧化硅56.42%、三氧化二铝24.33%、三氧化二铁4.28%、氧化钙3.36%、氧化镁1.44%、氧化钾1.37%、其他8.80%；池塘底泥，取自淮安白马湖水产养殖池塘，黑色，具臭味，自然风干后，105 ℃烘干，粉碎后过100目筛；还原铁粉、碳酸钙粉末、EM原液(南京爱睦乐生物技术有限公司生产，有效菌数量约1.0×1012个·L−1)、糖蜜。

1.2 粉煤灰陶粒固定化EM的制备

将EM原液、糖蜜、去离子水、质量浓度为2%的钙离子(Ca2+)溶液按1∶1∶6∶2的体积比例混合，转入发酵瓶中，150～220 r·min−1恒温震荡发酵4～6 d(常温密闭条件)，制得含螯合态钙成分的EM菌液。将粉煤灰、活性底泥、铁粉 (氧化铁和二氧化三铁)、碳酸钙按一定质量百分比均匀混合(表1)，洗净、灭菌后烘干，将混合物放入造粒机中造粒，烘干，于1 100 ℃下烧结，制得粉煤灰陶粒。将粉煤灰陶粒与EM菌液混合浸泡2 d，使菌液均匀地吸附于粉煤灰陶粒表面，制成固定化EM粉煤灰陶粒 (0.3～0.5 g·粒−1)。

表1 粉煤灰陶粒各成分质量分数Table 1 Percentage of each component of the fly ash ceramsite

1.3 粉煤灰陶粒组分变化和投加量对氮、磷吸附的影响

分别称取1.17 g氯化铵，0.13 g磷酸二氢钾溶于1 L水中，制得氨氮质量浓度为30 mg·L−1、磷酸根质量浓度为30 mg·L−1的氮、磷溶液。取250 mL氮、磷溶液，分别加入不同组分的粉煤灰陶粒，设置处理为T1、T2、T3，每个处理粉煤灰陶粒投放量为7个梯度(0.2、0.4、0.8、1.0、2.0、5.0 g)。将混合溶液在室温 125 r·min−1条件下连续振荡 24 h，分别在 1、2、4、8、12、24 h 取水样，离心、0.45 μm滤膜过滤后，比色测定上清液总氮和总磷。

1.4 EM对粉煤灰陶粒吸附氮磷的强化效果

称取氯化铵1.19 g，硝酸钾0.04 g，磷酸二氢钾0.09 g，葡萄糖0.47 g，加入到1 L的水中，配制氨氮、总氮、总磷及化学需氧量质量浓度分别为50、55、20、500 mg·L−1的水产养殖污水。取250 mL配制水样，通过以上实验确定合适投加量，分别加入不同组分的粉煤灰固定化EM陶粒，常温条件下曝气培养6 d，隔1 d采集水样，测定氨氮、总氮、总磷质量浓度。

1.5 指标测定及数据统计方法

总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；电镜采用Hitach S-480型扫描电子显微镜(日本Hitach公司)。数据取3次重复的平均值，用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，各因素不同水平的差异采用LSD法进行多重比较，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同组分粉煤灰陶粒表征

由15 000倍下的扫描电子显微镜图(图1)可知：T1与T2相较于T3处理的表面孔隙较多，相对粗糙，其中T2表面最为粗糙，表面沟壑结构明显。根据表2粉煤灰陶粒性能可知，T3粉煤灰陶粒磨损率为1.78%，比表面积为1.42 m2·g−1，说明粉煤灰陶粒具有一定的耐久度以及较高的比表面积。进一步分析各组粉煤灰陶粒的元素组成，T1和T2的铁质量分数远高于T3。结合李亮等[17]的研究与表3可以判断，T1、T2表面的颗粒物质可能为铁氧化物，为粉煤灰陶粒吸附氮磷提供强化效果。

图1 不同配比粉煤灰陶粒扫描电子显微镜照片(15 000倍)Figure 1 SEM photo of fly ash ceramsite with different proportions (×15 000)

T1和T2在硅、镁、铝、钾等元素的质量分数也有明显差异，这应该是由于制作时添加的粉煤灰与池塘底泥配比不同造成的。粉煤灰陶粒含有硅、铝、铁、镁等金属氧化物，且富含羟基、羧基等含氧官能团，有效提高陶粒表面的亲水性，也促进了陶粒对氮、磷的吸附[18]。相较于T1与T2，T3的陶粒没有加入铁粉，而T1与T2的孔隙率高于T3，并且具有较大的比表面积，证明铁粉可改变粉煤灰陶粒表面的孔隙结构，缓解固液相间的阻力，促进毛细管作用对氮、磷的吸附，并通过表面张力将其束缚，强化粉煤灰陶粒对氮、磷理化吸附效果。

2.2 粉煤灰陶粒对氮、磷吸附特性

如图2所示：粉煤灰组分含量较低时，所制备陶粒对氮、磷具有一定吸附作用，但效果并不理想，吸附前2 h，氮、磷吸附速率最大，随后吸附趋于稳定。T1和T2中氮、磷的吸附效果远高于T3，表明陶粒中粉煤灰与氧化铁发生化学反应生成的结合体可强化对氮、磷的吸附。这与鲍腾等[19]、茹菁宇等[20]的研究结论一致。

表2 不同配比的粉煤灰陶粒性能Table 2 Properties of fly ash ceramsite with different proportions

表3 各组粉煤灰陶粒元素质量分数Table 3 Percentage of element composition of fly ash ceramsite in different groups

图2 投加5 g不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷随时间变化曲线Figure 2 Curve of nitrogen and phosphorus adsorbed by fly ash ceramsite on 5 g with different proportions under untreated conditions

进一步采用Langmuir和Freundlich吸附方程对实验数据进行拟合。Langmuir等温线是单层吸附，假设表面上有均匀的能量位点，其线性形式由以下方程表示[21]：

式(1)中：Qe(mg·kg−1)是粉煤灰陶粒上的平衡氮磷质量分数，Ce(mg·L−1)是溶液中的平衡氮磷质量浓度，Qm(mg·kg−1)是最大单层氮磷吸附容量，kL(L·mg−1)是吸附常数。

Freundlich等温线是用于描述非均质系统的经验吸附方程，其线性化形式写成[22]：

式 (2)中：KF[(mg·kg−1)·(mg·L−1)−1/n]和 1/n是 Freundlich 常数，分别与吸附容量和吸附强度有关。

模型拟合的结果及相关参数如图3和表4所示。结果显示：不同组分粉煤灰陶粒对氮磷的吸附特征均符合Langmuir(R2＞0.982)和Freundlich (R2＞0.971) 等温方程，表明吸附前期陶粒主要通过物理吸附方式吸附水体氮、磷，T2的粉煤灰陶粒最大单层氮磷吸附容量可分别达到1 652.0和1 113.7 mg·kg−1。

图3 各梯度不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷的Langmuir和Freundlich拟合曲线Figure 3 Langmuir and Freundlich fitting curves for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions under untreated conditions

表4 不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷的Langmuir和Freundlich数Table 4 Langmuir and Freundlich constants for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions

2.3 粉煤灰固定化EM陶粒去除氨氮、总氮和总磷的效果

根据等温吸附试验确定了粉煤灰陶粒的投加量5 g净化效果较好，加入5 g不同配比粉煤灰EM陶粒对模拟水产养殖废水的氨氮及总氮去除效果进行研究，结果如图4所示。处理6 d后，T1、T2和T3的氨氮去除率分别为90.50%、98.67%和83.81%，总氮去除率分别为92.18%、93.80%和70.91%。由此认为：EM可以提升粉煤灰陶粒对氨氮及总氮的去除效果，提升程度受粉煤灰陶粒中粉煤灰与铁粉的比例影响。T1较T2的粉煤灰陶粒的粉煤灰含量低10%，陶粒的孔隙较少，且生物相容性较差，吸附的微生物量较少，导致T1氨氮及总氮去除效果相对较差。此外，当铁粉比例较低时，陶粒表面铁氧化物质量分数减少，比表面积和含氧官能团含量下降，也会导致微生物负载量下降，因此，T3中的氨氮及总氮去除效果受到了一定影响。各处理氨氮质量浓度在3 d时大幅下降，氨氮去除率高达78.89% ～85.55%。这是由于实验初期分解氨氮的硝化细菌并未活化，随着时间推移，硝化细菌经过扩繁逐渐适应水体环境，进而开始发挥作用，大量分解氨氮。各处理总氮质量浓度在5 d后维持相对稳定，可能是由于微生物所需碳源匮乏，抑制了其脱氮功效，这与唐海芳[23]的研究结果一致。T2中氨氮及总氮的去除效果最好，说明添加铁粉并调节好其与粉煤灰的配比有利于提升粉煤灰EM菌陶粒的氮素净化效果。

图4 不同配比的5 g粉煤灰陶粒固定化EM菌处理下氨氮及总氮质量浓度随时间变化曲线Figure 4 Curves of NH4+ and TN Concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

图5 不同配比的5 g粉煤灰陶粒固定化EM菌处理下总磷质量浓度随时间变化曲线Figure 5 Curves of TP concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

不同配比EM粉煤灰陶粒对总磷的去除效果如图5所示。各处理总磷质量浓度随处理时间呈降低—升高—降低的变化规律。实验结束后，T1、T2和T3总磷去除率分别为37.35%、45.35%和29.00%。各时段T2的总磷去除效果最好，这主要与EM去除总磷的机理有关。EM中的聚磷菌在厌氧条件下可将聚磷酸盐以-P等形式释放，并在好氧条件下通过氧化分解反应将其脱除[24]。相比T1和T3，T2处理陶粒表面附着的有效微生物较多，因此总磷的去除效果最优。此外，由于在T2陶粒中添加了铁粉，其表面的氧化铁、三氧化二铁在水中的水解产物氢氧化铁可与游离态的磷酸根相结合形成沉淀，因而也促进了总磷的去除。本研究中，相较于氮，总磷去除率并不高。一方面由于微生物新陈代谢的持续进行大量消耗了水中的溶解氧导致被聚磷菌吸收的磷二次释放，另一方面微生物细胞的衰老破裂也会导致磷的二次释放。

由图4和图5还可看出：实验结束后，较空白处理，T2中的氨氮、总氮和总磷去除率分别提高了约70%、60%和25%，表明EM菌强化粉煤灰陶粒去除氮、磷的效果显著。尽管多孔结构，陶粒对氮、磷有一定吸附作用，但由于得不到降解，这部分被吸附的氮、磷依旧存在二次污染的风险，而通过将微生物固定化在粉煤灰陶粒中，可提高微生物对水体环境的适应能力，充分发挥其对氮磷污染物的降解作用，更加有效地提升对水质的净化效果。

3 结论

本研究以粉煤灰与活性底泥为主要原料，与铁粉和碳酸钙粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通过制作陶粒的性能和其对氮、磷的吸附效果确定最佳配比粉煤灰陶粒，并与EM联合净化模拟水产养殖废水得出以下结论。①通过等温吸附试验，发现前2 h吸附速率较快，比较对氮磷的去除率，筛选出最佳配比的煤灰陶粒中质量比为m(粉煤灰)∶m(活性底泥)∶m(碳酸钙)∶m(铁粉)=50∶40∶5∶5。② T2粉煤灰陶粒单独对总氮、总磷的去除率分别为29.89%和20.50%，在与EM联合作用后总氮、总磷去除率最大可达93.80%和45.35%。说明粉煤灰陶粒与EM联合作用下，微生物是水体中氮去除的主力军，对磷的去除亦有一定作用。将微生物固定化在粉煤灰陶粒中，能进一步发挥微生物对水体中氮磷的净化作用。③粉煤灰陶粒的磨损率和比表面积最高为1.78%和2.21 m2·g−1，表明利用粉煤灰烧制的陶粒具有较强的耐久性，且烧制表面孔隙成形较好；加入适量铁粉后，陶粒烧制过程中生成的铁氧化物能够改变粉煤灰陶粒的表面特征，增强对氮磷的吸附作用。④试验表明：陶粒浸泡在EM复壮液中，一段时间后能吸附微生物成膜，可作为生物滤池、生态湿地的生物填料部分，固定化微生物防止其流失、扩散到自然水体，造成潜在生态问题。今后研究中可选取特定微生物菌种来代替EM，进一步强化微生物对特定污染物的去除作用。