摘要：現(xiàn)場(chǎng)小試模擬研究了鋁污泥生物填料、聚丙烯纖維生物填料以及二者分別與狐尾藻組合在黑臭河道水體中的治理效果。結(jié)果表明:鋁污泥生物填料能夠調(diào)節(jié)水體pH,狐尾藻可提高水體溶解氧(DO)濃度,營(yíng)造有利于微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境;鋁污泥生物填料出水水質(zhì)優(yōu)于聚丙烯纖維生物填料,出水水質(zhì)基本達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);鋁污泥-狐尾藻組合對(duì)水體污染物的整體去除效果最好,出水水質(zhì)優(yōu)于GB 3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)CODCr、TP、TN和NH3-N去除率分別為74.62%、93.59%、93.19%和96.46%。

關(guān)鍵詞：鋁污泥;狐尾藻;脫氮;除磷;黑臭水體

近年來(lái),由于工業(yè)廢水以及生活污水大量排入河道,河道水體黑臭現(xiàn)象日漸加重,嚴(yán)重影響了城市形象和居民身體健康,因此,如何有效凈化黑臭河道水體已成為城市健康發(fā)展的重中之重[1,2,3]。生態(tài)-生物修復(fù)技術(shù)因其費(fèi)用低,管理方便,兼具美化環(huán)境的特點(diǎn),成為近年來(lái)研究和應(yīng)用的重點(diǎn)[4,5]。生態(tài)-生物修復(fù)技術(shù)的處理效率受很多因素影響,其中填料是最核心也是最基本的組成部分,是黑臭河道修復(fù)效果的關(guān)鍵因素,填料的篩選、改進(jìn)和合理配置關(guān)系到這一技術(shù)能否正常發(fā)揮污染治理效能的關(guān)鍵[6]。作為給水廠生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物,鋁污泥含有大量鋁離子及其聚合物,用作生物填料時(shí)可有效提高脫氮除磷效果[7,8]。筆者將鋁污泥生物填料與具有高效凈化作用的狐尾藻相結(jié)合,以常見(jiàn)的生物填料聚丙烯纖維作為對(duì)照,模仿天然河道構(gòu)建生物填料系統(tǒng),研究并分析該系統(tǒng)的脫氮除磷效果,以期為河道黑臭水體治理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋁污泥取自給水廠,主要成分為Al2O3,濃度為38.62%~45.84%,體積密度為(1.18±0.10)g∕cm3,孔隙率為40%,比表面積為21.54~36.50 m2∕g,電導(dǎo)率為0.010 4~0.014 0 S∕m。

鋁污泥原料經(jīng)過(guò)攪拌、造粒后,在105~120 ℃下烘干2~3 h,以去除水分;在500~600 ℃無(wú)氧焙燒6~8 h,自然冷卻后裝入40 cm×8 cm×8 cm尼龍網(wǎng)袋,制備成鋁污泥生物填料。

聚丙烯纖維生物填料從市場(chǎng)上購(gòu)得,密度為0.90~0.92 g∕cm3,長(zhǎng)度為40 cm,直徑為8 cm。

狐尾藻取自南京市某湖泊,將狐尾藻置于有機(jī)玻璃柜中用自來(lái)水曝氣培養(yǎng),每隔3 d換1次水,保證植物表面吸附的懸浮物被氣流沖洗干凈。

1.2 水質(zhì)分析

試驗(yàn)用水取自南京市江寧區(qū)外港河,河道寬為10 m,流速為0.54 m∕d,CODCr為120 mg∕L,TP濃度為4 mg∕L,TN濃度為20 mg∕L,NH3-N濃度為10 mg∕L,pH為5.5~6.5。

1.3 生物填料小試系統(tǒng)

在河邊構(gòu)建生物填料小試系統(tǒng),如圖1所示。

小試系統(tǒng)主要包括進(jìn)水池、控制區(qū)、生物填料區(qū)等單元,其中生物填料區(qū)由4種處理組組成,即聚丙烯纖維生物填料組、鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組,各組均另設(shè)1個(gè)平行試驗(yàn),取平均;承載聚丙烯纖維生物填料和鋁污泥生物填料的網(wǎng)架均采用鋼結(jié)構(gòu);生物膜掛膜采用自然掛膜,網(wǎng)架置于水面以下,將生物填料沿池體長(zhǎng)邊間隔8 cm依次系掛于網(wǎng)架上,水流平行方向設(shè)7行,垂直方向設(shè)4行;狐尾藻種植于生物填料區(qū)的上部,種植密度為100株∕m2。小試系統(tǒng)各部分規(guī)格如表1所示,生物填料與孤尾藻組合組剖面如圖2所示。

為保證小試系統(tǒng)中狐尾藻的穩(wěn)定生長(zhǎng)和生物膜的自然掛膜,在運(yùn)行1個(gè)月后正式開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水方式,通過(guò)蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)進(jìn)水流速,均由頂部進(jìn)水和出水。該小試系統(tǒng)處理水量為360 L∕d,表面水力負(fù)荷為0.3 m3∕(m2·d),水力停留時(shí)間為2 d。測(cè)定系統(tǒng)出水水質(zhì),主要檢測(cè)TP、TN、NH3-N濃度及CODCr。CODCr采用重鉻酸鹽法測(cè)定;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),UV1200,MAPADA)測(cè)定;TN和NH3-N濃度采用氣相分子吸收光譜法(氣相分子吸收光譜儀,GMA3510,森普)測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 溶解氧濃度

選取出水口水深10 cm處作為溶解氧(DO)濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn),考察小試系統(tǒng)運(yùn)行期間不同處理組出水DO濃度隨時(shí)間的變化,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,試驗(yàn)運(yùn)行期間,各處理組DO濃度分別為:聚丙烯纖維生物填料組,3.2~4.3 mg∕L;鋁污泥生物填料組,3.5~4.4 mg∕L;聚丙烯纖維-狐尾藻組,6.2~7.1 mg∕L;鋁污泥-狐尾藻組,6.1~7.2 mg∕L。2個(gè)組合組DO濃度變化趨勢(shì)一致,且水體DO濃度遠(yuǎn)高于生物填料組。生物填料組和組合組水體DO濃度均達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 pH

系統(tǒng)運(yùn)行期間不同處理組的出水pH隨時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可知,不同處理組的出水pH差異較大,其中鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH較為穩(wěn)定,在7附近波動(dòng);聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH隨時(shí)間變化波動(dòng)范圍較大,聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH維持在6.5以上,而聚丙烯纖維生物填料組出水pH基本在6.5以下,與進(jìn)水pH相差不大。

2.3 CODCr的去除效果

系統(tǒng)運(yùn)行期間不同處理組的出水CODCr隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可知,不同處理組對(duì)CODCr的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組對(duì)CODCr的去除效果最好,平均去除率為74.62%;聚丙烯纖維-狐尾藻組次之,平均去除率為69.71%;鋁污泥生物填料組對(duì)CODCr去除效果較差,平均去除率為65.96%;聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差,平均去除率僅為59.94%。鋁污泥-狐尾藻組的出水平均CODCr可達(dá)到GB 3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<30 mg∕L),聚丙烯纖維-狐尾藻組、鋁污泥生物填料組的出水平均CODCr達(dá)到GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(<40 mg∕L),聚丙烯纖維生物填料組對(duì)CODCr有一定的去除效果,但其出水平均CODCr處于較高水平,未達(dá)到GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 TP的去除效果

系統(tǒng)運(yùn)行期間不同處理組出水TP濃度隨時(shí)間的變化如圖6所示。由圖6可知,不同處理組對(duì)TP的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組TP去除效果較好,平均去除率分別達(dá)93.59%和93.38%;其次是聚丙烯纖維-狐尾藻組,平均去除率為90.55%;聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差,平均去除率為84.04%。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組出水TP平均濃度達(dá)到GB 3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<0.3 mg∕L),聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TP平均濃度達(dá)到GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(<0.4 mg∕L),而聚丙烯纖維生物填料組出水TP平均濃度劣于GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 TN、NH3-N的去除效果

系統(tǒng)運(yùn)行期間不同處理組TN和NH3-N濃度隨時(shí)間的變化如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知,含有鋁污泥的處理組出水TN、NH3-N濃度隨時(shí)間變化較含聚丙烯纖維的穩(wěn)定。鋁污泥-狐尾藻組對(duì)TN和NH3-N的去除效果最好,平均去除率分別達(dá)93.19%和96.46%;鋁污泥生物填料組去除效果次之,平均去除率分別為91.25%和94.42%;聚丙烯纖維-狐尾藻組TN和NH3-N平均去除率分別為91.29%和91.45%;聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差,平均去除率分別為84.17%和88.39%。鋁污泥-狐尾藻組出水TN平均濃度達(dá)到GB 3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<1.5 mg∕L),鋁污泥生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TN平均濃度均達(dá)到GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(<2.0 mg∕L),而聚丙烯纖維生物填料組出水TN平均濃度劣于GB 3838—2002 Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。生物填料組和組合組出水NH3-N平均濃度均優(yōu)于GB 3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<1.5 mg∕L),尤其鋁污泥-狐尾藻組出水NH3-N平均濃度達(dá)到GB 3838—2002的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(<0.5 mg∕L)。

3 討論

3.1 水體DO濃度和pH對(duì)脫氮除磷的影響

DO濃度的高低直接影響著河道生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部好氧和厭氧微生物的活性,而微生物的硝化∕反硝化作用是主要的脫氮途徑[9,10]。當(dāng)DO濃度高于1.7 mg∕L時(shí),硝化細(xì)菌可將水體中的NH3-N全部轉(zhuǎn)化成硝酸鹽;DO濃度低于0.5 mg∕L時(shí),硝化細(xì)菌活性被抑制,水體中的NH3-N濃度逐漸增加;DO濃度為0.5 mg∕L左右時(shí),反硝化細(xì)菌大量富集,與藻類形成有利共生關(guān)系[11]。本試驗(yàn)中生物填料組出水DO濃度處于較高水平,這可能與生物填料組的整個(gè)水面均與空氣接觸有關(guān),空氣中的氧氣自由進(jìn)入生物填料系統(tǒng)使水體DO濃度增加[12]。生長(zhǎng)茂盛的植物會(huì)影響空氣中的氧進(jìn)入水中,但組合組上部水體DO濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生物填料組,這是由于狐尾藻的根系泌氧等[13]作用保證了系統(tǒng)上部的DO濃度,說(shuō)明在試驗(yàn)運(yùn)行期間,組合組水體上部DO濃度可滿足系統(tǒng)中硝化細(xì)菌對(duì)DO的需求,有利于硝化作用的進(jìn)行。同時(shí),組合組系統(tǒng)中部至下部的厭氧環(huán)境以及填料大量的孔洞空間為聚磷菌和反硝化細(xì)菌提供了良好生存環(huán)境,好氧與厭氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變和結(jié)合,使污水經(jīng)歷完整的吸附去除過(guò)程,從而使組合組獲得更好的脫氮除磷效果。

pH影響生物填料系統(tǒng)中微生物的存在形式[14,15]。當(dāng)pH為4.0~6.0或大于9.5時(shí),硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制[11]。試驗(yàn)運(yùn)行期間,聚丙烯纖維生物填料組的pH低于6.5,不利于反硝化作用的進(jìn)行。由于鋁污泥含有大量具有緩沖作用的鋁離子及其聚合物[16],且狐尾藻也有升高水體pH的作用[17],因此鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH維持在6.5~7.5,有利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖[18],促進(jìn)系統(tǒng)脫氮過(guò)程的進(jìn)行。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,鋁污泥生物填料組對(duì)水體CODCr、氮、磷的去除較聚丙烯纖維生物填料組強(qiáng),這可能是因?yàn)殇X污泥填料提供了更有利于微生物活動(dòng)的微環(huán)境,如較大的比表面積[19,20],適宜的pH、DO濃度,以及較好的緩沖性能;狐尾藻聯(lián)合生物填料增強(qiáng)了對(duì)水體中CODCr、氮、磷的去除效果,其原因除了植物吸附吸收外,還可能與狐尾藻根系良好的微環(huán)境有關(guān)。

3.2 脫氮除磷機(jī)理探討

聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組對(duì)CODCr去除的主要途徑有微生物的吸附降解、植物的吸附吸收和生物膜吸附沉淀等[21,22]?？扇苄杂袡C(jī)污染物大多通過(guò)狐尾藻根系的吸附吸收被去除[17],非溶性有機(jī)污染物則被系統(tǒng)填料和植物根系截留,進(jìn)一步被微生物分解利用[21]。

聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組對(duì)磷的去除主要依靠生物膜中微生物和植物作用[23,24,25]。相比聚丙烯纖維生物填料,鋁污泥生物填料自身對(duì)磷的吸附也占據(jù)重要作用。鋁污泥固定磷的途徑主要有離子交換作用[23,26]、絡(luò)合作用[16,20]、靜電作用[19,20]。鋁污泥等電點(diǎn)約為6.4,系統(tǒng)進(jìn)水時(shí)的pH為5.5~6.5,說(shuō)明此時(shí)鋁污泥表面主要帶正電荷,易于吸附水中的陰離子,此時(shí)水溶液中的磷主要以H2PO?4O4-形式存在,有利于H2PO?4O4-通過(guò)靜電作用被吸附在鋁污泥上。鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH相對(duì)原水的增大,與鋁污泥中大量—OH基團(tuán)與PO3?4O43-發(fā)生離子交換作用有關(guān)。另外,鋁污泥中的鋁主要以無(wú)定形形態(tài)存在,增大了對(duì)水體中磷的吸附能力[26],且鋁離子作為一種絮凝劑,能夠與水體中的陰離子反應(yīng)形成絮狀物,這些絮狀物對(duì)PO3?4O43-也有吸附絡(luò)合作用[25]。

生物填料與水生植物(狐尾藻)組合系統(tǒng)對(duì)氮的轉(zhuǎn)化途徑主要包括微生物作用和水生植物吸收作用。微生物將水體中的有機(jī)氮化合物分解為銨態(tài)氮,同時(shí)吸收銨態(tài)氮或硝態(tài)氮作為營(yíng)養(yǎng);硝化和反硝化細(xì)菌將水體中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮,使水體中的氮得到有效且徹底的去除[27]。水生植物在系統(tǒng)脫氮過(guò)程中也有著重要作用,其可直接吸收污染水體中的銨態(tài)氮或硝態(tài)氮作為營(yíng)養(yǎng),合成自身組織結(jié)構(gòu)所必需的物質(zhì),使水體中的氮得到去除[18];水生植物具有間接脫氮作用,其龐大的根系可為微生物提供巨大的附著面積,其根部泌氧作用可增加系統(tǒng)內(nèi)的DO濃度,在根系附近形成氧化態(tài)的微環(huán)境,為脫氮微生物提供有利條件[13,17]。另外,鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組運(yùn)行期間靠近出水口區(qū)域pH的增大,使OH-與NH+4H4+發(fā)生中和反應(yīng),且此時(shí)鋁污泥表面帶負(fù)電荷,亦可通過(guò)靜電作用吸附部分氮。

4 結(jié)論

(1)鋁污泥生物填料能調(diào)節(jié)水體pH,系統(tǒng)中加入狐尾藻可提高水體DO濃度,營(yíng)造有利于微生物生存的微環(huán)境,強(qiáng)化對(duì)黑臭水體的脫氮除磷效果。

(2)鋁污泥生物填料組出水水質(zhì)優(yōu)于聚丙烯纖維生物填料組,出水水質(zhì)基本達(dá)到GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);鋁污泥-狐尾藻組對(duì)水體污染物的整體去除效果最好,出水水質(zhì)達(dá)到GB 3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

(3)氮主要通過(guò)硝化∕反硝化細(xì)菌的分解轉(zhuǎn)化和植物的吸收轉(zhuǎn)化途徑去除,鋁污泥生物填料能營(yíng)造良好的微生物生存環(huán)境,強(qiáng)化微生物降解作用;磷主要通過(guò)填料-植物-微生物的聯(lián)合作用去除,其中鋁污泥除了強(qiáng)化微生物作用外,其自身對(duì)磷的吸附配位交換、絡(luò)合和靜電作用使系統(tǒng)達(dá)到更好的除磷效果。