废弃生物质强化生态袋脱氮除磷的效果

2021-02-22杨小丽周世娟李秋红

东南大学学报（自然科学版） 2021年1期

王琦石雷杨小丽周世娟李秋红

(东南大学土木工程学院，南京 211189)

我国农村水环境问题越来越引起重视.一方面，农村污水配套设施不完善，大量污废水未经有效处理直接入河，导致农村水体污染严重[1-2]；另一方面，有些农村水系岸坡脏、乱、差，也有部分岸坡经过驳岸硬化改造，隔断了土壤和水体的互相渗透，导致农村水系岸坡生态性不佳[3].生态袋护坡技术通过植物根系与土壤之间的锚固作用实现稳定护坡，同时具有良好的生态景观效果.此外，生态袋内微生物和植物的协同作用还具有净化水质的效果[4].因此，生态袋技术适用于农村水系的治理工程.然而，目前对生态袋边坡技术的研究主要集中在边坡的安全稳定性和边坡的景观效应等方面[5-6]，关于提高生态袋护坡对水体净化效果的研究较少.

近年来，废弃生物质能源化、生态化、材料化等资源化利用得以重视，其中强化水质净化的功能引起水处理领域研究者的广泛关注[7-9]，且已有相关报道将废弃生物质应用于水环境修复中[10].研究表明，蛋壳[11]、牡蛎壳[12]等具有高钙含量、高比表面积的生物质钙化物可以实现良好的磷去除效果.稻草、丝瓜络和玉米芯等也被发现作为固体碳源和生物膜载体可以促进生物脱氮作用[13].但鲜有研究组合利用废弃生物质实现同步脱氮除磷.

本文首次提出生态袋与废弃生物质的耦合，筛选了几种常见的生物质钙化物和农业废弃物进行组合，研究其同步强化脱氮除磷的水质净化效果与机理，并应用在农村水环境的修复实践中.

1 材料和方法

1.1 试验材料

生物质钙化物选取蛋壳、牡蛎壳和贻贝壳.陶粒是一种常见的除磷人工基质，具有较好的水体除磷效果[14]，作为磷吸附试验对照组.蛋壳取自学生餐厅厨房余料；牡蛎壳、贻贝壳取自南京某酒店厨房余料；陶粒购于南京市江宁区.试验前，用蒸馏水对4种材料进行多次洗涤，然后在60 ℃的烘箱中进行干燥处理.农业废弃物选取稻草、丝瓜络和玉米芯[13,15]，材料取自南京溧水农村.利用质量分数为2%的NaOH溶液将供试材料浸泡24 h后，再用蒸馏水洗涤至中性，最后置于35 ℃烘干备用.

1.2 生物质钙化物筛选试验

对粒径0.5～2 mm的鸡蛋壳、牡蛎壳、贻贝壳和陶粒进行比表面积和钙含量的测定，比表面积及孔隙率的测定采用ASA P2020比表面积及孔隙分析仪，钙质量分数测定采用X射线荧光光谱分析(XRF).如图1所示，鸡蛋壳、牡蛎壳和贻贝壳均具有较高的比表面积和钙含量，磷吸附潜力较好.

图1 待试生物质钙化物的比表面积和钙质量分数

采用正交试验法考察材料种类、材料含量、粒径、磷质量浓度4个影响因素对磷吸附效果的影响，确定磷吸附效果最优的生物质钙化物，试验选择的影响因子及其水平如表1所示.磷吸附试验中，取质量为M的待试材料(蛋壳、牡蛎壳、贻贝壳或陶粒)投加到体积V=200 mL的含磷废水(采用KH2PO4配置，质量浓度C0)中，再放置在恒温振动器中震荡(150 r/min，(20±1)℃)48 h后，测定残余磷质量浓度C1，单位材料的吸附量为

表1 磷吸附正交试验因素水平表

1.3 耦合生态袋试验系统

耦合生态袋试验装置由进水箱和工作水箱2部分组成.进水箱置于高位，容积为150 L；工作水箱容积为35 L，其中有效容积为12 L.在工作水箱中放置2个25 cm×10 cm生态袋，为模拟农村自然河道中生态袋护坡，工作水箱的液面淹没下部生态袋.试验采用重力连续流，水力停留时间2.5 d，水力负荷1.6 m3/(m2·d).耦合生态袋组成如图2(a)所示，袋体内填充天然土壤、农业废弃物和优选的生物质钙化物，表面种有植物，并设置对照组(未填充农业废弃物，其余相同).耦合生态袋试验装置示意图如图2(b)所示.

1.4 耦合生态袋试验方法

设置稻草组、丝瓜络组、玉米芯组(稻草、丝瓜络或玉米芯的投加量分别为100 g/袋)和对照组4个组别生态袋，每组别设置2组平行实验，每个生态袋中均投加50 g/L优选的生物质钙化物和植物，植物选择芦苇和狗牙根，种植密度分别为每袋10株和每袋100颗种子.

(a) 耦合生态袋组成

(b) 耦合生态袋试验装置示意图

为了强化生物脱氮作用，将稻草、丝瓜络和玉米芯投入完成3次扩培的脱氮菌富集培养基中，并置于摇床上挂膜(25 ℃，72 h)后，再加入生态袋袋体内.脱氮菌富集培养接种生物污泥取自南京江心洲污水处理厂二沉池，将生物污泥按体积分数1%的接种量接种到脱氮菌富集无菌培养基中进行扩培，置于30 ℃的培养箱中培养3 d，在波长600 nm下测得吸光度值约为0.1时，使用接种环取第1次扩培的菌液接种到新培养基中进行第2次扩培，同样的方法进行第3次扩培.

1.5 分析项目与方法

2 结果和讨论

2.1 磷吸附试验

磷吸附正交试验结果如表2所示.由表可知，极差R按照材料种类、磷质量浓度、材料质量浓度、粒径的顺序递减，表明4个因素中，材料种类对磷的去除起决定作用，其他因素的作用按照磷质量浓度、材料质量浓度、粒径顺序依次减弱.基于材料种类，K2值最大，即最佳水平为2(牡蛎壳)，表明4种材料中牡蛎壳磷吸附效果最佳.而鸡蛋壳的磷吸附量出现负值，这可能是由于鸡蛋壳在试验过程中出现磷解析.郭照冰等[17]也研究发现鸡蛋壳中的磷素会向外释放，导致水溶液磷质量浓度增高.

表2 正交试验结果

调研发现，农村水体中磷质量浓度普遍低于1.0 mg/L[18].为确定牡蛎壳的最佳投加量，对初始磷质量浓度(1.0±0.05)mg/L的水体进行最佳投加量单因素试验，结果如图3所示.由图可见，当牡蛎壳质量浓度小于50 g/L时，TP去除率随牡蛎壳质量浓度增加而快速增加；当牡蛎壳质量浓度为50 g/L时，TP去除率达到41.8%；但当牡蛎壳质量浓度大于50 g/L时，TP去除率增加趋缓，介于41%～45%之间.这可能是因为试验水体初始TP质量浓度较低，吸附推动力小，随着吸附过程的进行，水体中TP质量浓度进一步降低，导致在较低TP去除率下即达到吸附动态平衡.此外，过高的牡蛎壳质量浓度容易产生团聚现象，投加的牡蛎壳无法与水溶液中的TP充分接触，部分吸附位点未达到吸附平衡，导致TP去除率不随牡蛎壳质量浓度增加而增加[19-20].因此，对于模拟农村污染水体，牡蛎壳的最佳剂量为50 g/L.

图3 牡蛎壳质量浓度和TP去除率之间的关系

2.2 耦合生态袋对污染物的去除效果

通过磷吸附试验，确定向生态袋中添加质量浓度为50 g/L的牡蛎壳.耦合生态袋试验设置稻草组、丝瓜络组、玉米芯组和对照组4个组别，探究生物质基质对耦合生态袋净水效果的强化作用.

2.2.1 COD去除效果

生态袋对COD的去除效果如图4(a)所示.启动初期(0 ～25 d)，稻草组、丝瓜络组、玉米芯组和对照组的去除效果整体均呈上升趋势，但波动剧烈，甚至出现负去除率，这可能是由于初期稻草、丝瓜络、玉米芯或土壤所含有的有机物释放量较大所致[21].启动1个月以后，COD去除率开始逐渐趋于稳定，运行到70 d时，每组的COD去除率均保持在相对稳定的范围.

稳定阶段(70～184 d)，稻草组、丝瓜络组、玉米芯组的平均去除率分别为63.7%、65.4%和54.0%，均优于对照组(53.4%)，表明农业废弃物有助于有机物的去除.其中，稻草和丝瓜络的提升效果显著，分别比对照组高出10.3%和12.0%.这是因为丝瓜络经碱处理后表面细痕明显，有大量深浅不一的沟槽，具有较大的表面积，既可吸附水中的COD，也有利于微生物附着[22-23].而稻草经过碱处理后，释放的碳源可生物利用性更强，极易降解，促进微生物的生长[23].但是，玉米芯组与对照组差别不大，这可能是由于玉米芯堆积密度和孔隙率较小，与微生物接触面积小.

2.2.2 氮去除效果

(a) COD去除效果

(d) TP去除效果

2.2.3 TP去除效果

生态袋对TP的去除效果如图4(d)所示.实验启动期(1～20 d)，TP去除率呈现稳定增长的趋势，这主要是由于牡蛎壳和生态袋的吸附作用.在运行25～40 d时，生态袋的TP去除率略有降低，磷浓度回升，这可能是由于袋体内添加的农业废弃物所含磷的缓慢释放.稻草、丝瓜络和玉米芯经碱处理后，木质素和果胶成分被去除，被添加到生态袋中长期处于水饱和状态，会加速分解，更易导致磷素的释放.王君等[26]研究发现秸秆和玉米芯等农业废弃物中含有丰富的磷，可以通过分解释放到土壤中.

但随着系统的稳定(70～184 d)，牡蛎壳和生态袋的吸附作用趋于饱和，细菌、藻类、植物根系的贡献增大，与吸附作用协同除磷[27].稻草组、丝瓜络组、玉米芯组、对照组TP的去除趋于稳定，对应平均去除率分别为65.1%、62.2%、63.1%和56.9%，稻草组比对照组高出8.2%.因此，TP去除效果最佳的是稻草组.

2.3 微生物群落结构分析

为探究耦合生态袋中微生物对水质净化的作用机理，在试验运行稳定期间(70～184 d)，取4组生态袋中的基质样品，采用Illumina高通量测序分析生态袋中的微生物群落结构，结果如图5所示.由图可知，Proteobacteria作为水环境中主要的原核生物，在4组生态袋中的相对丰度最高.Bacteroidetes、Acidobacteria、Actinobacteria和Firmicutes是淡水湖泊水体和沉积物中丰度较高的菌门[28]，这4种菌门在生态袋中均有出现.系统中还检测出具有厌氧氨氧化活性的Planctomycetes菌，有利于促进脱氮效果[29]；而且添加农业废弃物的生态袋组Planctomycetes丰度均高于对照组，这与各组别对应的脱氮效果相一致.Chloroflexi也是生态袋样本中丰度较高的细菌(对照组2.84%、稻草组3.30%、丝瓜络组3.68%、玉米芯组3.95%)，且3种添加农业废弃物的生态袋组中Chloroflexi丰度高于对照组；对应的COD去除效果也均高于对照组.Zhao等[30]也研究发现，湖体底泥沉积物中有机物含量越高，对Chloroflexi细菌生长越有利.此外，添加农业废弃物的生态袋样本中均检测出Nitrospirae，且占比高于对照组(仅0.26%)，表明农业废弃物的添加有利于脱氮菌群富集增殖.