PHBV/火山岩/黄铁矿协同强化处理养殖尾水效果分析

2024-02-22张海耿王芳颖曹鑫圆孙雅婷许中硕张宇雷

能源环境保护 2024年1期

张海耿, 王芳颖, 曹鑫圆, 孙雅婷, 许中硕, 张宇雷, *

(1. 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所, 上海 200092; 2. 大连海洋大学航海与船舶工程学院, 辽宁大连 116000; 3. 盐城工学院海洋与生物工程学院, 江苏盐城 224000; 4. 东华大学环境科学与工程学院, 上海 200092)

0 引言

我国是水产养殖大国,2022年全国水产养殖产量达到了5 565万t,比2021年增长了3.71%。随着水产养殖产业的逐渐扩大,在收获巨量优质蛋白质的同时,也面临着因养殖尾水无序排放带来的环境污染问题[1]。根据第二次全国污染源普查公报,淡水池塘养殖的年总悬浮物(TSS)、化学需氧量指数(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)直接排放量分别约为2 280、200、100和5.0 kg/hm[2]。水产养殖尾水中的有机废物和氮磷物质导致水体富营养化[3],不仅影响水生生物生存,也会对人类健康造成潜在的威胁[4]。为推进池塘养殖尾水达标排放或循环利用,强化渔业水域生态环境保护,江苏等省份出台了《池塘尾水排放标准》[5]等系列地方标准。

水产养殖尾水中的氮磷等污染物可通过物理或生物的手段进行处理。物理方法一般采用沉淀、机械过滤和泡沫分离等方法达到去除悬浮固体颗粒物的目的。生物修复主要通过功能性细菌分解和转化养殖水体中的营养物质,然而,由于养殖尾水中的氮碳比偏低,需额外添加碳源以实现同步硝化反硝化[6]。聚己内酯(Polycaprolactone, PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(Polybutylene succinate, PBS)[7]和PHBV等可被生物降解的高分子有机聚合物因其具有缓慢释放碳源的特性,常被用作碳源添加物。杨惠兰等[8]研究发现PCL/玉米淀粉能够实现生活污水长效稳定深度脱氮。对比PCL和PBS 2种材料的反硝化效果,发现PBS具有更高的脱氮效率[9]。杨帆等[10]采用双螺杆挤出机制备了5种缓释碳源复合材料,通过实验发现HBE的反硝化效果最佳,对硝酸盐氮去除率达到96%以上。PHBV[11]作为一种新型复合材料,其组成的脱氮系统具有更丰富的生物多样性,有利于硝化反硝化反应进行[12],在脱氮领域已被研究并广泛运用[13]。反硝化除磷(Denitrifying Phosphorus Removal, DPR)作为近年来热门的水处理工艺,该工艺是反硝化菌在厌氧/缺氧交替的环境中通过一系列反应完成除磷的过程[14]。与传统的除磷工艺相比,具有低曝气能耗、高效率利用碳源的优势,现阶段被广泛研究[15]。

现有的水产养殖尾水处理设施普遍存在处理效率低、占地面积大等问题,亟待研发高效合理的新型养殖尾水处理技术。作者团队前期研究发现PHBV具有较好的脱氮效果,火山岩和黄铁矿除了拥有一定的脱氮效果,还具有除磷的作用。然而,将PHBV、火山岩和黄铁矿耦合于一体开展脱氮除磷的试验鲜有开展。本试验创新构建了以PHBV、火山岩和黄铁矿为填料的生物过滤装置,探讨了不同填料质量比下装置处理养殖尾水效果的差异,旨在摸清装置运行时的最佳工艺参数,以期为解决养殖尾水高效脱氮除磷问题提供新思路和新方法。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本试验选用PHBV颗粒(3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物,Poly 3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate),火山岩和黄铁矿为填料(图1),各填料的理化性质如下:PHBV颗粒(P (HB-co-HV),1% Hydroxyvalerate content)购买于宁波天安生物科技有限公司,该颗粒呈圆柱形,直径约8 mm,高度约2 cm,干重约0.92 g/粒,表面积约16.4 cm2/g。火山岩是良好的生物膜载体,具有耐腐蚀,不参与生物膜反应,对微生物无毒无害、无抑制作用,并且亲水性强等特点。孔隙率能达80%左右,含铁、硅、铝等元素,平均规格1～3 cm。黄铁矿为铁的二硫化物,含较多二氧化硅,呈浅黄铜色,硬度大,性脆,受敲打时易破碎,破碎面参差不齐。

图1 填料实物图Fig. 1 Physical drawing of packing material

1.2 试验设计

试验设计了2组不同填料填充量的生物过滤装置(图2),一组生物过滤装置从上至下基质填充量依次为:黄铁矿填充高度15 cm,火山岩和500 g PHBV混合填充高度15 cm,火山岩高填充度5 cm,装置直径10 cm,总高40 cm,记为柱1;一组生物过滤装置从上至下基质填充量依次为:黄铁矿填充高度10 cm,火山岩和500 g PHBV混合填充填充高度15 cm,火山岩填充高度10 cm,装置直径10 cm,总高40 cm,记为柱2。

图2 生物过滤装置Fig. 2 Biological filtration device

1.3 水质测定方法与数据处理

采用SPSS 20.0数据分析软件对试验进出水水质指标数据进行方差分析。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

2.1.1 生物过滤装置进出水物理指标变化

图3显示了PHBV/火山岩/黄铁矿生物过滤装置进出水pH、DO、温度和ORP变化情况。由图3(a)可知,装置运行第一阶段,进水平均pH为7.66,出水pH低于进水,柱1和柱2的出水pH分别为7.37和7.16,第二阶段显示出相同的规律,但进出水差异值没有第一阶段大。

由图3(b)可知,进水DO浓度为9.00～11.00 mg/L,而出水DO浓度显著低于进水,在装置运行第一阶段,柱1和柱2的平均出水DO浓度分别仅为2.19、1.07 mg/L,且柱2出水平均DO浓度显著低于柱1,而第二阶段柱1和柱2的DO浓度差异不显著(p>0.05)。

由于本试验在冬天开展,气温较低,试验运行过程中,仅对空气进行了升温,未对模拟养殖废水进行控温,故进水水温显著低于出水(图3(c))。在装置运行第一阶段,出水水温维持在20～24 ℃之间,在第二阶段,出水最低水温下降至16 ℃。

由图3(d)可知,装置运行期间,进水平均ORP值为136～155 mV,装置运行前10 d,进出水ORP差异不大,而后出水平均ORP值显著低于进水。在第一阶段,柱1出水平均ORP值从221 mV下降至-121 mV,柱2出水平均ORP值从188 mV下降至-208 mV。第二阶段,柱1和柱2出水ORP值呈现相似的规律。

由图3(e)可知,柱1在第一阶段和第一阶段出水TOC变化不大,在6.00～13.00 mg/L之间,而柱2在第一阶段出水TOC呈现显著升高的趋势,最近升至58.65 mg/L,在第二阶段出水TOC呈现显著下降的趋势,最后数值与柱1浓度接近。