农林废弃物制备环境友好型缓释碳源生物膜载体材料

杨 磊，郭 军，王 岩，次仁多吉

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.甘孜州新龙生态环境局，四川 甘孜藏族自治州 626800）

生物膜法是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理方法，其核心部分为生物膜载体［1，2］。生物膜载体的材料、粗糙度、表面化学特性将直接影响微生物的附着，进而影响生物膜法的污水处理效果［3，4］。传统的无机与有机生物膜载体大多生物亲和性差，挂膜时间长，呈疏水性，生物挂膜效果不佳［5-8］。此外，对于有机物含量较低的特殊工业废水，需要额外投加甲醇、葡萄糖等液态碳源，且碳源投加量难以控制，易造成水体的再污染［9］。寻找合适的新型外加碳源成为目前研究的热点问题［10］。

已有许多学者对可作为缓释碳源的生物膜载体材料进行了研究。邵兵等［11］利用竹粉和荔枝核粉末等制备的新型缓释碳源材料表面结构粗糙，释碳性能良好。王全勇等［12］探明了以淀粉与聚砜在1∶1的比例时制作出的载体材料反硝化效果最佳。杨平等［13］探明了6%NaOH处理后稻壳作为外加碳源时结构性改性最佳。Xiong等［14］利用花生壳和聚乙内酯等制备了新型固体缓释碳源，其利用效率取决于有机物释放速率与释放的有机物消耗速率之比。因此，制备出表面特性适合微生物附着且碳源缓释性能良好的生物膜载体材料，对生物膜法处理污水具有重要意义。本试验以农林废弃物小麦秸秆为原料，添加聚乙烯，制备环境友好型生物膜载体材料，并探讨其物理性能、挂膜性能及营养缓释性能，以期为制备环境友好型缓释碳源生物膜载体材料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

废弃小麦秸秆，聚乙烯。

1.2 方法

1.2.1 生物膜载体材料的制备 将废弃小麦秸秆晾干后超细粉碎过50、100、400目筛，与60目聚乙烯粉末不同比例混合，在45 MPa压力下压制成型，经过150℃热塑60 min定型得到成品的生物膜载体材料。

1.2.2 孔隙率的测定 以称重法测定秸秆含量为30%、40%、50%、60%、70%、80%的载体材料的孔隙率。

1.2.3 力学性能的测定 强度测定步骤参考GB/T 14484—2008《塑料 承载强度的测定》，使用HJ20型宽频拉-扭疲劳试验机测定载体材料的强度。

1.2.4 比重测定 比重测定步骤参考GB/T 1033—2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定》，使用MDJ-300A型固体比重测试仪测定载体材料的比重。

1.2.5 营养缓释性能测定 将不同比例的载体材料置于洁净、灭菌的塑料瓶中，加入300 mL灭菌水密封浸泡，静置于超净工作台，并设置2 g秸秆粉末作为对照。每隔一定时间，无菌条件下取浸出液测定其有机物及铁、镁等离子的含量。以快速消解分光光度法测定有机物含量；铁、镁等离子浓度测定用A900型原子吸收光谱仪，测样时用0.45μm滤膜过滤。

2 结果与分析

2.1 物理性能分析

强度与比重是影响生物膜载体生产性能的重要条件。经测定载体材料的平均抗拉-扭强度为4.5 MPa，能满足污水处理过程中长期曝气冲击的要求。如图1所示，将载体材料于水中浸泡，浸泡一年后，载体材料仍维持原状，可见载体材料强度较高，耐久性较好。

图1 载体材料浸泡1年前后对比

不同因素对载体材料比重的影响见表1。不同秸秆颗粒粒径下，秸秆含量对载体材料的比重影响不同，1号至5号随着秸秆含量的增加，载体材料的平均比重也逐渐上升，10号至13号随着秸秆含量变化，载体材料平均比重变化无明显规律，这可能是由于在400目时秸秆粉末的密度要高于60目聚乙烯粉末，100目时秸秆粉末密度与60目聚乙烯粉末相近。对比7号与8号、10号与14号发现，热塑温度越高，载体材料的比重就越大。测定出的载体材料虽比重不同，但均小于水的比重，使得载体材料在水体中呈悬浮状态，有利于生物膜在污水立体空间的均匀分布，提高处理效果。

表1 不同因素对载体材料比重的影响

2.2 挂膜性能分析

孔隙率和表面粗糙度是影响生物膜载体挂膜性能的重要因素。载体材料的孔隙率按ε=［（m-m*）-n×m*］/（ρ×V）×100%计算，ε表示载体材料的孔隙率（%）；m表示载体材料的湿重（kg）；m*表示载体材料的绝干质量（kg）；n表示每克纤维素吸收的水分质量（kg）；ρ表示水的密度（kg/m3）；V表示载体材料的润湿体积（m3）。

载体中秸秆含量与孔隙率的关系如图2所示。由图2可以看出，载体材料孔隙率与秸秆含量成正比，秸秆含量越大，孔隙率越大。其中，秸秆含量为80%的载体材料，孔隙率达93.29%，秸秆含量为30%的载体材料，孔隙率为74.13%。秸秆含量与孔隙率的相关系数为0.995，呈极强的相关性。

图2 秸秆含量对载体材料孔隙率的影响

由图3可知，载体材料浸泡前，表面较粗糙，微孔多；载体材料浸泡后，表面粗糙度明显增加，微孔增多。这可能是由于载体材料吸收水分以后膨胀所致。

图3 载体材料浸泡前后对比

载体材料经1年缺氧条件后的挂膜情况如图4所示，载体材料上附有厚厚的一层膜，且外部较坚固。

图4 载体材料1年缺氧条件下的挂膜情况

2.3 营养缓释性能分析

为探究载体材料营养缓释性能，设置了浸出试验。对载体材料浸出液连续取样一个月，测定浸出液中有机物含量与秸秆粉末含量的关系。经试验（图5）测定，浸出液有机物含量与秸秆粉末的含量成正比，当浸泡8 d时，秸秆粉末含量为80%的载体材料可溶出的有机物含量最多，为79 mg/（L·g）；秸秆粉末含量为30%的载体材料可溶出的有机物含量最少，为20 mg/（L·g）。在浸泡前5 d，浸出液内有机物含量较低，溶出量较少，但溶出速率较快；5 d后浸出液内有机物溶出量增多，但溶出速率减慢；至8 d时，有机物溶出量最多，达到峰值后开始减少；13 d时，有机物溶出量达到稳定阶段，近似保持不变；18 d后，有机物溶出量减少。这可能是由于在前期载体材料有机物浸出速率大于载体材料的吸附作用，载体材料以浸出有机物为主，此时浸出液内有机物含量升高；达到峰值后，载体材料将前期浸出的有机物吸附后缓慢释出，载体材料有机物浸出速率小于载体材料的吸附作用，最后二者趋于平衡状态，浸出液内有机物含量趋于稳定。

图5 载体材料有机物含量的变化

载体材料浸出液中不同元素的质量浓度见表2。由表2可以看出，载体材料浸出液中主要含有钙、钾、镁、钠、硅、磷等微生物所需要的常量元素，也含有微生物所需要的钡、锌等微量元素，可促进微生物的生长；而对微生物有毒害作用的铜、镉、铅、砷等有毒有害物质则均在检测限以下，或未检出。

表2载体材料浸出液中不同元素的质量浓度（单位：mg/L）

综上所述，用农林废弃物制备的环境友好型缓释碳源生物膜载体材料，有机物释放持续稳定，各类微量元素能促进微生物的生长，有较好的供碳能力和微生物吸附能力，是一种良好的反硝化碳源。

3 小结

1）利用废弃小麦秸秆和聚乙烯为原料制备的环境友好型生物膜载体材料，平均抗拉-扭强度为4.5 MPa，能够满足污水处理过程中长期曝气冲击的要求。成型压力、热塑时间、秸秆粒径、秸秆含量均对载体材料的比重有影响，但载体材料比重均小于水，有利于生物膜在污水立体空间均匀分布。

2）载体材料的孔隙率与其秸秆含量成正比，秸秆含量越高，孔隙率越大。其中，秸秆含量为80%的载体材料孔隙率为93.29%，含量为30%的载体材料孔隙率为74.13%。此外，浸泡后的载体材料表面粗糙度增大，微孔增多。

3）测定载体材料的营养缓释性能发现，载体材料前期有机物溶出速率快，中、后期有机物溶出量多但溶出速率减缓，在8 d时有机物溶出量达到峰值；浸出液的有机物含量与其秸秆含量成正比，秸秆含量越高，载体材料浸出液有机物含量越高，在峰值时，秸秆含量为80%的载体材料有机物溶出量为79 mg/（L·g）。载体材料浸出液中微生物所需元素含量丰富，而具有毒害作用的物质均在检测限以下，有利于微生物的生长繁殖，提高挂膜性能。