王 尉， 常雅軍， 崔 鍵， 劉曉靜， 杜鳳鳳， 姚東瑞

江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所， 江蘇 南京 210014

絲瓜絡(luò)是葫蘆科植物絲瓜成熟以后的維管束，具有比表面積大、天然網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]. 目前，絲瓜絡(luò)已作為生物膜載體或碳源被廣泛應(yīng)用于多種水處理領(lǐng)域，所涉及的方向包括重金屬吸附[2-4]、纖維改性[5-6]、再生纖維制備方法[7]、石油類污染物吸附[8-9]、生物接觸氧化床載體[10]、復(fù)合材料及制備方法[11]、天然中空纖維的應(yīng)用[12]、水污染原位凈化方法[13-14]、多孔微生物載體[15-16]等.

生物膜法是一種集生物絮凝作用、過(guò)濾截留作用和生物氧化作用于一體的新型水處理技術(shù)[17]. 然而，生物膜技術(shù)經(jīng)常存在反硝化脫氮所需的碳源供給不充足、處理效果不穩(wěn)定的問(wèn)題[18-19]. 因此，生物膜反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)常被添加相應(yīng)的碳源作為反硝化的電子供體[20]. 添加秸稈類的碳源會(huì)因纖維快速分解導(dǎo)致碳源在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，引起下游水體CODCr污染[21-22].

絲瓜絡(luò)作為一種自然界普遍存在的天然維管束，由65.5%的纖維素、17.5%的半纖維素和15.2%的木質(zhì)素構(gòu)成，具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和多羥基化學(xué)結(jié)構(gòu)[23]. 該研究以絲瓜絡(luò)維管束為材料，探究對(duì)其進(jìn)行改性處理的適宜條件，并將其制備成一種可持續(xù)供給碳源的緩釋填料，使其兼顧微生物掛膜的載體和提供反硝化脫氮所需的碳源兩方面功能，以實(shí)現(xiàn)生物膜技術(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性. 采用不同濃度NaOH溶液浸泡法制備改性絲瓜絡(luò)填料，構(gòu)建處理富營(yíng)養(yǎng)化水體的BDBR(生物膜原位脫氮系統(tǒng))，研究不同濃度NaOH溶液制備的改性絲瓜絡(luò)填料所構(gòu)建的BDBR的掛膜效果(生物量、硝化及反硝化菌數(shù)量)和脫氮效能，并從脫氮系統(tǒng)生物量、硝化反硝化菌數(shù)量角度對(duì)其脫氮機(jī)理進(jìn)行解析，以期為富營(yíng)養(yǎng)化水體的原位脫氮技術(shù)開(kāi)辟新途徑.

1 材料與方法

1.1 改性絲瓜絡(luò)填料的制備

采用NaOH溶液浸泡法對(duì)絲瓜絡(luò)進(jìn)行改性處理. 將規(guī)格大小相對(duì)一致的絲瓜絡(luò)段分別放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、5%和10%的NaOH溶液中，完全浸沒(méi). 若絲瓜絡(luò)上浮，可放置重物將其下壓至完全浸沒(méi). 浸泡30 min后取出，先用大量自來(lái)水沖洗，后用去離子水漂洗至漂洗液呈中性.

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

將制備好的改性絲瓜絡(luò)自然風(fēng)干至恒質(zhì)量. 采用投加改性絲瓜絡(luò)填料(填充比50%)的序批式生物膜反應(yīng)器，其材質(zhì)為有機(jī)玻璃，有效容積為5 L(見(jiàn)圖1). 在各反應(yīng)器中一次性接種來(lái)自于江蘇省南京市棲霞區(qū)十里溝的底泥350 g(鮮質(zhì)量). 接種底泥中w(TN)、w(TP)平均值分別為3.05、0.72 mgg，w(有機(jī)質(zhì))平均值為4.48%. 反應(yīng)器的試驗(yàn)進(jìn)水也取自于江蘇省南京市棲霞區(qū)十里溝，進(jìn)水的ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)、ρ(TN)、ρ(TP)分別為191.88、24.68、32.92、6.99 mgL. 底泥與試驗(yàn)進(jìn)水完全混合后開(kāi)始曝氣，進(jìn)行間歇式進(jìn)水掛膜. 生物膜反應(yīng)器內(nèi)溫度由加熱棒和溫度控制器維持在25 ℃. 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)：進(jìn)水0.25 h、好氧7.5 h、缺氧4 h、沉淀排水0.25 h，一個(gè)周期為12 h.

圖1 以改性絲瓜絡(luò)為填料的BDBR試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus of BDBR with modified loofah fillers

將2%、5%和10%的NaOH溶液處理的絲瓜絡(luò)填料填充的反應(yīng)器(各3個(gè)重復(fù))依次命名為2%組、5%組和10%組，且3個(gè)重復(fù)無(wú)NaOH溶液處理的絲瓜絡(luò)填料所填充的反應(yīng)器作為對(duì)照組. 在生物膜的掛膜試驗(yàn)中，用生物膜上原生動(dòng)物的出現(xiàn)指示生物膜的成功構(gòu)建[24-25]. 當(dāng)生物膜成功構(gòu)建后，每?jī)蓚€(gè)運(yùn)行周期(24 h)對(duì)各組反應(yīng)器的進(jìn)、出水ρ(CODCr)、ρ(TN) 和ρ(NH3-N)進(jìn)行檢測(cè). 同時(shí)，在與上述反應(yīng)器同體積的有機(jī)玻璃缸中，放入同質(zhì)量和體積的河道底泥和污染水(設(shè)3個(gè)重復(fù))，在無(wú)絲瓜絡(luò)填料和曝氣處理的條件下作為該研究的自然凈化組. 同時(shí)，在生物膜成功構(gòu)建后，反應(yīng)器運(yùn)行的第8天，剪取各組合填料，對(duì)上面的生物量、硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行分析.

1.3 測(cè)試方法

1.3.1表面結(jié)構(gòu)變化

使用JSM-7600F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM，日本電子株式會(huì)社)對(duì)絲瓜絡(luò)纖維改性前、后的形貌變化進(jìn)行觀察. 在SEM樣品臺(tái)上貼上一層碳導(dǎo)電膠，將改性完成的絲瓜絡(luò)試樣于45 ℃低溫干燥后，平整放置于此導(dǎo)電膠面上，然后于離子濺射儀內(nèi)真空噴鍍金60 s(約100 μ)，濺射電流為10 mA，SEM觀察并拍照.

使用VERTEX 80V型傅里葉變換紅外光譜儀(德國(guó)布魯克公司)觀察改性前、后的絲瓜絡(luò)表面基團(tuán)的變化. 稱取0.5～2 mg過(guò)0.15 mm尼龍篩的試樣粉末樣，將樣品與KBr粉末以1∶100的比例混合于瑪瑙研缽中，充分研磨混勻，壓片機(jī)壓片后，立刻置于傅里葉變換紅外光譜儀上測(cè)定. 掃描范圍為 4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描次數(shù)為64次.

1.3.2生物膜生物相

在各組反應(yīng)器啟動(dòng)掛膜的第6天，剪取各組合填料，通過(guò)CX31型三目生物顯微鏡(日本奧林巴斯株式會(huì)社)進(jìn)行生物膜生物相分析.

1.3.3生物膜生物量和硝化、反硝化菌數(shù)量

確認(rèn)各反應(yīng)器的生物膜已成功構(gòu)建后，啟動(dòng)為期28 d的試驗(yàn). 每天對(duì)各反應(yīng)器進(jìn)、出口水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，在各反應(yīng)器運(yùn)行至第8天時(shí)，剪取載有生物膜的組合填料，測(cè)定膜生物量和硝化、反硝化菌數(shù)量. 膜生物量采用脂磷法測(cè)試[26]. 該方法是用每g干質(zhì)量填料(DW)上的磷脂含量表示活性微生物數(shù)量，即1 nmol 的磷含量約等于108個(gè)大腸桿菌大小的微生物，生物量的單位用nmol表示. 硝化、反硝化菌數(shù)量采用MNP-Griess法測(cè)定[27].

1.3.4水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

ρ(CODCr)采用重鉻酸鉀法測(cè)定；ρ(NH3-N)采用納氏試劑比色法測(cè)定；ρ(TN)采用紫外分光光度法測(cè)定；ρ(TP)采用分光光度法測(cè)定[28].

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office 2010和OriginLab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用平均值進(jìn)行圖表制作.

污染物的去除率為

η=(C0-Ci)C0×100%

式中：η為CODCr、TN、TP、NH3-N的去除率，%；C0為進(jìn)水ρ(CODCr)、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NH3-N)，mgL；Ci為出水ρ(CODCr)、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NH3-N)，mgL.

2 結(jié)果與討論

2.1 改性絲瓜絡(luò)材料的表面結(jié)構(gòu)變化

利用掃描電鏡對(duì)不同改性處理的絲瓜絡(luò)進(jìn)行形貌觀察，結(jié)果如圖2所示. 由圖2可見(jiàn)，對(duì)照組中的絲瓜絡(luò)纖維表面光滑，經(jīng)NaOH溶液(2%、5%、10%)浸泡后，絲瓜絡(luò)表面蠟質(zhì)層和粘性物質(zhì)減少，表面單纖維暴露、變得粗糙. 經(jīng)NaOH溶液浸泡處理后的絲瓜絡(luò)纖維表面細(xì)痕明顯，大量深淺不一的溝槽使其具有較大的表面積，并能產(chǎn)生毛細(xì)管效應(yīng)，更有利于物質(zhì)吸附和微生物附著，并且隨NaOH溶液濃度的增加，纖維暴露、受損的程度也越明顯，這與Tanobe等[29-30]在化學(xué)處理絲瓜絡(luò)時(shí)的發(fā)現(xiàn)一致. Gupta等[31]使用有機(jī)原料丙烯酸處理絲瓜絡(luò)也得到類似結(jié)果，但與NaOH浸泡相比，使用丙烯酸處理的溫度和時(shí)間等條件(35 ℃、60 min、pH=7.0)更為嚴(yán)格.

圖2 不同濃度NaOH處理的改性絲瓜絡(luò)表面掃描電鏡Fig.2 Scanning electron micrograph of modified loofah surface treated with different NaOH concentrations

圖3 對(duì)天然(對(duì)照組)和改性(2%組)絲瓜絡(luò)基團(tuán)結(jié)構(gòu)的紅外光譜圖分析Fig.3 Infrared spectrum analysis of the group structure of modified loofah

2.2 改性絲瓜絡(luò)填料構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)內(nèi)生物膜的生物相觀察

采用密閉循環(huán)法對(duì)對(duì)照組、2%組、5%組和10%組BDBR反應(yīng)器進(jìn)行掛膜. 在進(jìn)水0.25 h、好氧7.5 h、缺氧4 h、沉淀排水0.25 h的運(yùn)行情況(合計(jì)12 h)下，在各組反應(yīng)器啟動(dòng)掛膜的第6天，各組反應(yīng)器的組合填料上附著一層厚厚的微生物黏液，即為生物膜[35]. 生物膜可包含多種不同微生物(如細(xì)菌、古菌、原生動(dòng)物、真菌和藻類)，且每組種類的微生物執(zhí)行專業(yè)化的代謝功能[36-37]. 通過(guò)生物顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)均有較高等的原生動(dòng)物如草履蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、線蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)和輪蟲(chóng)等頻繁出現(xiàn)(見(jiàn)圖4)，表明生物膜已成熟，試驗(yàn)隨即啟動(dòng).

2.3 改性絲瓜絡(luò)填料構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)內(nèi)生物膜生物量和硝化、反硝化菌數(shù)量

在確認(rèn)各組反應(yīng)器的生物膜掛膜成熟后，啟動(dòng)試驗(yàn)，即開(kāi)始對(duì)各組反應(yīng)器的進(jìn)、出水質(zhì)進(jìn)行為期28 d的測(cè)定. 與此同時(shí)，在水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)的第8天剪取各組生物膜，對(duì)膜上生物量、硝化和反硝化菌數(shù)量進(jìn)行分析. 由表1可見(jiàn)，改性處理的絲瓜絡(luò)反應(yīng)器(2%組、5%組和10%組)的膜生物量均顯著高于對(duì)照組，其中2%組反應(yīng)器的膜生物量為12.12×106nmol(以每g干質(zhì)量磷脂計(jì)，下同)，相當(dāng)于每g填料表面生長(zhǎng)了與大腸桿菌相似大小的微生物12.12×1014個(gè)，表明改性處理有助于提高絲瓜絡(luò)填料的膜生物量. 并且隨著NaOH濃度從2%增至10%，對(duì)應(yīng)的膜生物量從12.12×106nmol增至24.02×106nmol. 這是由于生物膜的形成主要依靠微生物分泌的EPS(胞外聚合物)而吸附在填料表面[38]，改性絲瓜絡(luò)表面粗糙和富含羥基有利于EPS與其結(jié)合，且NaOH濃度越高，改性后的絲瓜絡(luò)表面越粗糙，越有利于微生物附著[39-41].

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)改性處理的絲瓜絡(luò)表面生物膜上的硝化、反硝化菌數(shù)量均顯著高于對(duì)照組(見(jiàn)表1). 就改性處理組而言，2%的NaOH溶液處理的絲瓜絡(luò)構(gòu)建的反應(yīng)器的生物膜的硝化、反硝化菌數(shù)量顯著高于其他兩個(gè)處理組. 這可能是由于2%的NaOH溶液浸泡絲瓜絡(luò)，對(duì)維管束天然網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破損小，造成孔隙度和比表面積增大(見(jiàn)圖2)，更利于氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附[42]，在間歇性曝氣的條件下有利于硝化和反硝化菌的大量繁殖和生長(zhǎng). 絲瓜絡(luò)填料也緩慢地降解，纖維素中的碳元素可作為碳源供應(yīng)反硝化作用，而B(niǎo)oeije等[43]在聚丙烯填料構(gòu)建的生物膜系統(tǒng)中，因人工模擬的河道中碳源不足，反硝化作用效率初始很高之后很快降低.

表1 膜生物量、硝化及反硝化菌數(shù)量

2.4 改性絲瓜絡(luò)填料構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中CODCr的去除

各組反應(yīng)器的生物膜掛膜穩(wěn)定后，對(duì)各組反應(yīng)器的進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定. 由圖5可見(jiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組和處理組(2%組、5%組和10%組)反應(yīng)器對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河道水中CODCr的去除率無(wú)顯著差異. 在反應(yīng)器運(yùn)行的前3 d，各反應(yīng)器中的ρ(CODCr)均下降較快. 當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第4天時(shí)，對(duì)照組、2%組、5%組和10%組反應(yīng)器的出水ρ(CODCr)分別為40.0、44.1、36.5和49.5 mgL，對(duì)應(yīng)的CODCr去除率也趨于穩(wěn)定，分別為78.9%、76.8%、80.8%和73.9%，表明各組絲瓜絡(luò)填料反應(yīng)器對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河道水中CODCr均具有較高的去除效果. 分析認(rèn)為，這是由于絲瓜絡(luò)具有天然的多孔性和較大的比表面積，可吸附進(jìn)水中的CODCr、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在填料周圍形成較高濃度的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，而底泥微生物經(jīng)曝氣活化和懸浮后，傾向于聚集在營(yíng)養(yǎng)物豐富的絲瓜絡(luò)空隙中進(jìn)行迅速的生長(zhǎng)和繁殖[44-45]，因而各組生物膜反應(yīng)器在運(yùn)行至第8天時(shí)，膜上存在大量的微生物，其生物量在12.12×106～24.02×106nmol之間(見(jiàn)表1)，這些微生物的大量存在有利于CODCr的去除. 與CAO等[21-22]在利用秸稈作為反應(yīng)器填料的研究相比，改性絲瓜絡(luò)作為填料沒(méi)有出現(xiàn)ρ(CODCr)隨著填料分解而突然大量增加的情況.

圖5 改性絲瓜絡(luò)填料構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)中ρ(CODCr)隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.5 CODCr concentration change with run time in BDBR system constructed by modified loofah fillers

2.5 改性絲瓜絡(luò)填料構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮和氨氮的去除

由圖6(a)可見(jiàn)，在4個(gè)試驗(yàn)組中，2%和5%組反應(yīng)器中的ρ(TN)下降最快，運(yùn)行至第6天時(shí)ρ(TN)分別為9.0和7.5 mgL，對(duì)應(yīng)的TN去除率為67.5%和72.9%. 各組反應(yīng)器運(yùn)行至14 d后，TN去除率趨于穩(wěn)定，其中，2%組和5%組TN去除率維持在90.8%和91.9%左右，10%組為83.2%，而對(duì)照組維持在67.2%左右. 同時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，處理組反應(yīng)器TN去除率均顯著高于對(duì)照組，這是由于2%組和5%組反應(yīng)器的生物膜上的反硝化菌數(shù)量顯著高于對(duì)照組膜上的反硝化菌數(shù)量引起(見(jiàn)表1). 此外，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至14 d后，2%組和5%組反應(yīng)器的TN去除率均高于10%組，這可能是因?yàn)?0%組反應(yīng)器中反硝化菌數(shù)量減少導(dǎo)致反硝化效率下降. 與BioMTM載體(一種應(yīng)用較多的彈性填料)構(gòu)建的反應(yīng)器(需外加甲醇作為碳源)相比，以2%和5%的NaOH溶液處理的絲瓜絡(luò)為填料構(gòu)建的反應(yīng)器TN去除率(90.8%和91.9%)顯著高于BioMTM填料反應(yīng)器的84.5%(外加甲醇作為碳源)或80.6%(外加葡萄糖作為碳源)，而10%的NaOH溶液處理的絲瓜絡(luò)反應(yīng)器的TN去除率(83.2%)與之接近[20]. 說(shuō)明改性絲瓜絡(luò)填料是一種可持續(xù)供給碳源的緩釋填料，可兼顧微生物掛膜的載體和供給碳源兩方面的功能.

由圖6(b)可見(jiàn)，反應(yīng)器運(yùn)行10 d后，2%組和5%組反應(yīng)器NH3-N去除率高達(dá)82.8%和88.4%. 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組反應(yīng)器的NH3-N去除率維持在68.1%左右，而無(wú)絲瓜絡(luò)填料的空白組僅為25.8%. 這是由于2%和5%的NaOH溶液處理后的絲瓜絡(luò)對(duì)應(yīng)的膜上硝化菌數(shù)量(以每g干質(zhì)量大腸菌群計(jì))分別為9.8×104和5.2×104個(gè)，顯著高于對(duì)照組(0.56×104個(gè))和10%組(2.2×104個(gè))，因?yàn)橄趸鷶?shù)量越多越有利于BDBR系統(tǒng)中NH3-N的去除.

圖6 改性絲瓜絡(luò)填料構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)中ρ(TN)、ρ(NH3-N)隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.6 TN and NH3-N concentration change with run time in BDBR system constructed by modified loofah fillers

綜上，2%和5%的NaOH溶液處理的改性絲瓜絡(luò)不僅可以有效提高BDBR系統(tǒng)的硝化菌數(shù)量，也有利于反應(yīng)系統(tǒng)硝化速率的提高和穩(wěn)定運(yùn)行. 但是隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的推移，更多的微生物及底泥被吸附在填料表面，使得生物膜厚度增大，過(guò)大的生物膜厚度會(huì)影響膜內(nèi)溶氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)效果和生物膜活性[46]. 因此，反應(yīng)器生物膜上的硝化、反硝化菌數(shù)數(shù)量隨著NaOH溶液濃度的增大而減少. 綜合考慮，利用2%的NaOH溶液處理的絲瓜絡(luò)所構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的膜上生物量、增大硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量均比5%和10%的NaOH溶液處理的要高，脫氮效果也最好.

3 結(jié)論

a) 用NaOH溶液浸泡法對(duì)絲瓜絡(luò)進(jìn)行改性處理，絲瓜絡(luò)表面蠟質(zhì)層和粘性物質(zhì)減少，木質(zhì)素和半纖維素脫去，多羥基特性的纖維素暴露出來(lái)，造成絲瓜絡(luò)基團(tuán)結(jié)構(gòu)的紅外光譜圖區(qū)波峰變寬.

b) 采用密閉循環(huán)法對(duì)各組BDBR反應(yīng)器進(jìn)行掛膜，在進(jìn)水0.25 h、好氧7.5 h、缺氧4 h、沉淀排水0.25 h的運(yùn)行情況下(合計(jì)12 h)，6 d可完成生物膜的構(gòu)建.

c) 利用NaOH溶液浸泡法進(jìn)行改性處理，有助于提高絲瓜絡(luò)填料的膜生物量和硝化、反硝化菌數(shù)量，但硝化、反硝化菌數(shù)量會(huì)隨著改性處理的NaOH溶液濃度的增大而減少.

d) 利用絲瓜絡(luò)填料所構(gòu)建的BDBR反應(yīng)器，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河道水中的CODCr均具有較高的去除能力，這與絲瓜絡(luò)是否進(jìn)行改性處理無(wú)關(guān). 但是，利用低濃度NaOH溶液(2%)對(duì)絲瓜絡(luò)進(jìn)行改性處理后所構(gòu)建的BDBR系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)出了最高的生物膜硝化、反硝化菌數(shù)量，還體現(xiàn)出了最好的TN和NH3-N的去除效果，可應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的BDBR中，以實(shí)現(xiàn)生物膜的快速構(gòu)建和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.