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不同濕地基質(zhì)生物膜法對混雜污濁水體氮磷的去除比較

2021-02-26 06:54朱小亮
化學工程師 2021年12期
關鍵詞:陶粒錐形瓶礫石

高 松,朱小亮

(1.宿遷市泗洪環(huán)境監(jiān)測站,江蘇 泗洪 223900;2.江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 宿遷 223800)

污染水體治理的目標是:截至2020 年,黑臭水體消除率達到90%以上,截至2030 年,達到100%。最近幾年研究顯示,我國對濁水處理的方式大面積采用人工建造的濕地處理系統(tǒng),處理效果顯著,盡管如此,混雜污濁水體中氮磷濃度偏高而且難以根除的問題仍然存在,比如磷吸附的問題,在達到飽和狀態(tài)之后,濁水中TP 濃度甚至會超過進水的TP 濃度。

Kube[1]研究表明,從廢水中去除營養(yǎng)物質(zhì)可減少濁水排放對環(huán)境的影響,并為填海造水提供機會。藻類能夠同時完成氮磷的去除,同時借助資源回收使得廢水處理過程增加價值。但藻類在廢水處理中的應用受到養(yǎng)分去除率低和藻類生物量回收困難的限制。Wang[2]研究表明,開發(fā)了一種小型電化學輔助垂直流人工建造的濕地,其-P(89.7%~99.4%)表現(xiàn)出良好的-N(82.7%~99.6%)和TN(Total nitrogen)(51.9%~93.7%)對三級廢水處理的去除率。Liu[3]研究表明,以污泥發(fā)酵產(chǎn)物是碳源,研制了厭氧-好氧-缺氧序批式發(fā)生器,以提高城市濁水的脫氮除磷效果,減少污泥產(chǎn)量。雖然有關濁水處理脫氮除磷的研究各有千秋,但氮磷濃度過高依然是現(xiàn)存濁水處理中亟待解決的問題。因此,本文希望從濕地不同填充基質(zhì)為研究方向,采用生物膜法對濁水氮磷去除問題開發(fā)新的思路。

本文采用模擬混雜污濁水體,創(chuàng)新點在于利用生物膜法,借助填料對氮磷的等溫吸附試驗以及微生物吸附效果研究,并借助數(shù)學方程對結(jié)果進行擬合,綜合分析不同基質(zhì)填料對氮磷的吸附性能,為濁水處理在基質(zhì)填料方向的研究奠定了基礎。

1 研究方法

1.1 人工建造的濕地基質(zhì)的清潔機理

人工建造的濕地是人為建造的利用植物、基質(zhì)和微生物三者的物質(zhì)循環(huán)和能量流動來處理濁水的生態(tài)系統(tǒng),植物、基質(zhì)和微生物對于混雜污濁物的轉(zhuǎn)化和降解具有重要作用[4]。一般用作人工建造濕地的基質(zhì)填料的代表包含:天然材料(比如礫石、土壤);工業(yè)副產(chǎn)品(比如粉煤灰、爐渣);以及人造產(chǎn)品(比如陶粒、塑料)等。隨著人工建造的濕地除污技術的進步,專家開始了對新型人工建造的濕地填料材料的開發(fā)探索[5]。基質(zhì)除了作為濕地填料的關鍵成分,也是微生物生長的介質(zhì),而基質(zhì)本身借助吸附水中的混雜污濁物質(zhì)來分離濁水[6],它的清潔作用有:基質(zhì)中的小型的原生生物、顯微藻類等微生物對污濁物質(zhì)的分解、變成微生物模式化的介質(zhì);基質(zhì)能夠吸取、沉降有機和無機塑料及難以分解的物質(zhì)。

(1)脫氮機理 濁水中含氮物質(zhì)的呈現(xiàn)方式關鍵是銨態(tài)氮和有機氮,人工建造的濕地對濁水中每種含氮化合物的消除關鍵方式有:能夠借助濕地微生物和植物的相互作用,轉(zhuǎn)化成生物體的內(nèi)部元素,然后借助對濕地所種植的植物定時收獲的途徑,來消除污水中的氨氮成分[7];在濁水的pH 值大于8 時,濁水中的銨態(tài)氮能夠變成氣態(tài)從水中跑到空氣中,但是借助這種方式所去除的銨態(tài)氮含量僅占銨態(tài)氮總含量的很小一部分[8];濁水中帶有氮類物質(zhì)的消除也能夠借助微生物的硝化和亞硝化功能,轉(zhuǎn)化成不同種類的硝酸有機物,最后在O2含量低的環(huán)境中,在反硝化細菌的作用下變成N2,進入空氣中[9];采用基質(zhì)去除含氮物質(zhì)的填料中,沸石和微生物相互作用,對銨態(tài)氮有很強的吸附作用。濁水處理脫氮機理見圖1。

圖1 濁水處理脫氮機理Fig.1 Denitrification mechanism of turbid water treatment

(2)除磷機理 人工建造的濕地濁水凈化系統(tǒng)中除磷機理關鍵是濕地填料的物理吸附和化學沉淀[10],微生物對去除污水中的磷效果不明顯,現(xiàn)有學術成果表明,通過微生物來吸附污水中的磷的含量僅占總的去磷含量的4.3%~18.7%[11]。在鎂鈣鐵等金屬元素和磷的吸附關系中能夠看到鈣和磷有更加親密的吸附關系。生活中CaCO3含量大的石灰石的去磷效果更為顯著[12],石灰石和沸石相融合在去除總磷(TP)、總氮(TN)的效果更加明顯。清潔濁水過程中,相對來說鈣鐵含量越高,凈化能力越強。但對于硅質(zhì)類的基質(zhì)來說,清潔能力減弱。研究表明,在偏堿性的濁水中,高含量的鈣能加速CaCO3的沉淀,從而達到較高的除磷效率。因此,鈣含量的高低在清潔濁水的過程中起關鍵作用[13]。但偏向酸性的濁水中,磷酸鹽沉淀作用更大的是鐵和鋁元素。濁水處理除磷過程見圖2。

圖2 濁水處理除磷過程Fig.2 Phosphorus removal process of turbid water treatment

1.2 供試材料和儀器

本文試驗進水是采用生物膜法[14]來處理氮磷廢水,試驗不同種類的濕地填料用作微生物的介質(zhì)?;|(zhì)不僅是微生物生存和生長的介質(zhì),也因為基質(zhì)表面擁有非常多的洞和空隙,因此,在恢復受污染的水源時起到很重要的催化作用,明顯減少水力剪切作用[15]。因此,介質(zhì)表面在進行生物化學反應的同時,污水中的氮磷同步得到去除,這些都歸功于微生物和液體之間不停進行的介質(zhì)交換作用。

本文選擇MBBR 移動生物膜發(fā)生器(Moving Bed Biofilm Reactor)填料、沸石、火山巖、陶粒和礫石,這5 種填料作為試驗對象,物理性質(zhì)和價格比較見表1。以上5 種填料均為市售產(chǎn)品,經(jīng)過50 目篩網(wǎng),填料粒徑選擇2~30mm,經(jīng)過洗凈烘干備用。試驗儀器采用:電熱鼓風干燥箱;小型水泵;250mL 的錐形瓶;恒溫振蕩器;30L 水槽模擬濁水池;分光光度計。

表1 5 種填料物理性質(zhì)和價格比較Tab.1 Comparison of physical properties and prices of five fillers

試驗用水采用自配濁水,在自來水中加入KNO3、(NH4)2SO4、KH2PO4和適量微量元素,模擬濁水中N、P 元素初始濃度。試驗濁水初始濃度是根據(jù)上海受混雜污濁生活用水中氮、磷的實際測定平均值來作為試驗初始值。使得銨態(tài)氮-N 濃度保持在15~30mg·L-1,總磷(TP)濃度保持在3~5mg·L-1,總氮(TN)濃度保持在35mg·L-1,pH 值保持在8.0 左右。

1.3 試驗方法

(1)硝化菌的培養(yǎng)及其負載 試驗于2020 年4~10 月在上海水源地建設發(fā)展有限公司試驗室進行。借助純無機養(yǎng)育方式,逐漸增加瓶內(nèi)已有硝化菌生長所需要的介質(zhì)含量,其中(NH4)2SO4、KNO3、KH2PO4的添加質(zhì)量比是1.18∶0.9∶3.19,分別將MBBR 填料、沸石、火山巖、陶粒和礫石5 種填料加入培養(yǎng)基中混合,在微曝氣條件下培養(yǎng),觀測介質(zhì)的表面變化。如果發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的表面顯現(xiàn)出類似膜狀物,及時對5 種填料微生物掛膜菌群的樣本序列進行統(tǒng)計,這個掛膜的過程大概需要12d 的時間,然后取掛膜完成的填料進行試驗。

(2)試驗方法 用天平分別稱取5 種已經(jīng)掛膜完成的填料各10g,置于5 個250mL 的錐形瓶中,加有試驗配置氮濃度為20mg·L-1的濁水150mL,溫度統(tǒng)一設定為25℃,THZ-98 型恒溫振蕩器轉(zhuǎn)速設為150r·min-1,連續(xù)震蕩48h,期間每隔5、18、24、40、48h 取出錐形瓶,用0.50μm 微孔水系濾膜過濾,對過濾后的水樣測定pH 值、銨態(tài)氮濃度、TP 濃度,計算填料的吸附量。

將5 種填料的錐形瓶分別放置在30L 的兩個水槽A 和水槽B 里,A 槽每次放入一種填料的錐形瓶,其他填料錐形瓶放在另一個水槽B 中,瓶子底部浸入水槽,每個錐形瓶配備一臺獨立的水泵用于水槽的抽水循環(huán),每種填料單獨放置水槽7d 后換下一種填料繼續(xù)試驗,在此期間定期檢測每種填料的水槽內(nèi)溫度、pH 值、銨態(tài)氮、TP、TN 含量。

1.4 實驗數(shù)據(jù)擬合方程

基質(zhì)填料對濁水中氮磷的等溫吸附通常情況下應用Langmuir 公式[16]和Freundlich 公式[17]來擬合,其中Langmuir 公式是針對單層分子使用的方程,F(xiàn)reundlich 公式用在單層和多層分子中間。

Langmuir 模型方程公式:

Freundlich 模擬方程公式:

式中 af:氮磷平衡的質(zhì)量濃度,mg·L-1;pn:不同填料對氮磷的吸附量的最大值,mg·kg-1;p:濁水中的氮磷濃度;d、m 和Kf是常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填料微生物掛膜菌群分析結(jié)果

采用分光光度計對掛膜微生物菌群的序列條數(shù)、序列堿基數(shù)及序列平均長度進行測定,結(jié)果見表2。

表2 各樣本序列統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of each sample sequence

由表2 可知,MBBR 填料在對氨氧化菌AOB(Ammonia Oxidizing Bacteria)和亞硝酸鹽氧化菌NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)的吸附方面占優(yōu)勢。

2.2 不同填料對氮磷的等溫吸附特性

實驗用5 種填料經(jīng)過0~48h 振蕩吸附后,模擬濁水的pH 值變化和不同填料對氮磷的吸附結(jié)果,繪制成等溫吸附時間曲線見圖3。

圖3 不同底部填料0~48h pH 值變化曲線及氮含量變化Fig.3 PH value change curve of different bottom fillers at 0~48h and change of nitrogen content in turbid water with different bottom fillers for 0~48h

由圖3(a)可知,5 種填料pH 值在48h 內(nèi)均有波動,在5h 時都有下降,其中沸石所在錐形瓶pH值下降的最多,在18h 除火山巖之外均又上升,在24h 達到最低值。40h 之后5 種填料pH 值均趨于穩(wěn)定。由圖3(b)可知,48h 期間濁水中含氮量在5h 呈現(xiàn)急劇下降且達到一個最小值。5 種填料濁水含氮量均有不同程度的波動。其中陶粒在5h 吸附量達到最大,但后面又呈現(xiàn)上升趨勢,說明陶粒在氮吸收過程中達到一個飽和狀態(tài)時,又會釋放吸收的氮,效果較差。而MBBR 填料在5h 吸收量達到最大且接近于0,除在18 和40h 有小范圍的波動,之后達到一個較穩(wěn)定的吸附狀態(tài)且吸附率較高。沸石吸附狀態(tài)整體較穩(wěn)定,吸附率僅次于MBBR 填料。

由圖4 可知,不同底部填料在0~48h 試驗期間,TP 值變化波動較大,礫石和陶粒在5h 時吸附狀態(tài)達到最佳,后續(xù)TP 值又呈現(xiàn)一個逐漸上升的趨勢,吸附效果不佳。其余4 種填料吸附效果較穩(wěn)定,其中以MBBR 填料吸附效果最佳,在同時段TP 值達到最低,在48h 濁水中含磷總量達到1.21mg·L-1。

圖4 不同底部填料0~48h 濁水中TP 值對比Fig.4 Comparison of TP values in 0~48h turbid water with different bottom fillers

由表3 可以看出,各填料在運行一周后,濁水各項指標均有波動,整體達到了一個動態(tài)平衡。其中陶粒對NH4-N 去除效果較好,均值達到0mg·L-1,幾乎全部吸收。MBBR 填料除磷效果最好,TP 值達到1.16mg·L-1,礫石脫氮效果較好,TN 值達到31.53mg·L-1。

表3 各填料單獨運行一周平均數(shù)據(jù)Tab.3 Average weekly data of each packing

2.3 48h 內(nèi)各填料對銨態(tài)氮的等溫吸附方程擬合結(jié)果

由圖5(a)中能夠看出,在Langmuir 公式中,d代表吸附常數(shù)值,填料和銨態(tài)氮的吸附能力與d 值呈現(xiàn)正相關,5 種填料的d 值由小到大依次為:礫石<陶粒<火山巖<沸石<MBBR 填料;pn表示吸附量的最大理論值,5 種填料pn由小到大依次為:礫石<陶粒<沸石<火山巖<MBBR 填料。在Freundlich 公式中,Kf為用來體現(xiàn)填料對銨態(tài)氮吸附功能大小的一個常數(shù),Kf數(shù)值和填料的吸附能力呈正相關。5 種填料中MBBR 填料的Kf較大,對銨態(tài)氮的吸附量也較大,其次是火山巖和沸石,較小的是陶粒和礫石。因此,5 種填料中MBBR 對銨態(tài)氮吸附效果最好,礫石吸附效果相對較差。圖5(b)中能夠看出,在Langmuir 公式中,5 種填料的d 由小到大依次為:礫石<陶粒<沸石<火山巖<MBBR 填料;pn大小依次是:礫石<陶粒<沸石<MBBR 填料<火山巖。在Freundlich公式中,5 種填料MBBR 的Kf較大,對磷的吸附能力最強,較小的是沸石、陶粒和礫石。綜上所述,從吸附能力的角度來看,礫石吸附效果相對較差,火山巖居中,MBBR 填料對磷吸附能力最強。

圖5 5 種填料對銨態(tài)氮及總磷的等溫吸附方程擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results of isothermal adsorption equationof ammonium nitrogen and total phosphorus with five fillers

3 結(jié)論

人工濕地擁有巨大的生態(tài)恢復能力,一方面能吸收SO2和CO2氣體,凈化空氣,另一方面還能為提供干凈水源、分解污濁物質(zhì)貢獻力量。本文借助試驗模擬生活濁水的微生物環(huán)境,對不同填料的濕地基質(zhì)中脫氮除磷效果進行對比,從而找出最優(yōu)的基質(zhì)填充物。雖然試驗結(jié)果得出MBBR 填料是最適合的填充物,但因MBBR 填料相對火山巖、陶粒、礫石等填充物造價較高,未來能夠?qū)Σ煌畛浠|(zhì)按一定比例混合使用,可能會發(fā)現(xiàn)更好的解決方案,是今后值得研究的方向。

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