铝污泥生物填料对黑臭水体的脱氮除磷效果研究

铝污泥生物填料对黑臭水体的脱氮除磷效果研究摘要：现场小试模拟讨论了铝污泥生物填料、聚丙烯纤维生物填料以及二者分别与狐尾藻组合在黑臭河道水体中的治理效果。结果表明:铝污泥生物填料能够调整水体pH,狐尾藻可提高水体溶解氧(DO)浓度,营造有利于微生物生长的微环境;铝污泥生物填料出水水质优于聚丙烯纤维生物填料,出水水质基本达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准;铝污泥-狐尾藻组合对水体污染物的整体去除效果最好,出水水质优于GB3838—2002的Ⅳ类标准,对CODCr、TP、TN和NH3-N去除率分别为74.62%、93.59%、93.19%和96.46%。关键词：铝污泥;狐尾藻;脱氮;除磷;黑臭水体近年来,由于工业废水以及生活污水大量排入河道,河道水体黑臭现象日渐加重,严峻影响了城市形象和居民身体健康,因此,如何有效净化黑臭河道水体已成为城市健康进展的重中之重[1,2,3]。生态-生物修复技术因其费用低,管理便利,兼具美化环境的特点,成为近年来讨论和应用的重点[4,5]。生态-生物修复技术的处理效率受许多因素影响,其中填料是最核心也是最基本的组成部分,是黑臭河道修复效果的关键因素,填料的筛选、改进和合理配置关系到这一技术能否正常发挥污染治理效能的关键[6]。作为给水厂生产过程中的副产物,铝污泥含有大量铝离子及其聚合物,用作生物填料时可有效提高脱氮除磷效果[7,8]。笔者将铝污泥生物填料与具有高效净化作用的狐尾藻相结合,以常见的生物填料聚丙烯纤维作为对比,仿照自然 河道构建生物填料系统,讨论并分析该系统的脱氮除磷效果,以期为河道黑臭水体治理供应技术支撑。1材料与方法1.1试验材料铝污泥取自给水厂,主要成分为Al2O3,浓度为38.62%~45.84%,体积密度为(1.18±0.10)g∕cm3,孔隙率为40%,比表面积为21.54~36.50m2∕g,电导率为0.0104~0.0140S∕m。铝污泥原料经过搅拌、造粒后,在105~120℃下烘干2~3h,以去除水分;在500~600℃无氧焙烧6~8h,自然冷却后装入40cm×8cm×8cm尼龙网袋,制备成铝污泥生物填料。聚丙烯纤维生物填料从市场上购得,密度为0.90~0.92g∕cm3,长度为40cm,直径为8cm。狐尾藻取自南京市某湖泊,将狐尾藻置于有机玻璃柜中用自来水曝气培育,每隔3d换1次水,保证植物表面吸附的悬浮物被气流冲洗洁净。1.2水质分析试验用水取自南京市江宁区外港河,河道宽为10m,流速为0.54m∕d,CODCr为120mg∕L,TP浓度为4mg∕L,TN浓度为20mg∕L,NH3-N浓度为10mg∕L,pH为5.5~6.5。1.3生物填料小试系统在河边构建生物填料小试系统,如图1所示。<imgalt=“1.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000139343.jpg”/小试系统主要包括进水池、掌握区、生物填料区等单元,其中生物填料区由4种处理组组成,即聚丙烯纤维生物填料组、铝污泥生物填料组、聚丙烯纤维-狐尾藻组和铝污泥-狐尾藻组,各组均另设1个平行试验,取平均;承载聚丙烯纤维生物填料和铝污泥生物填料的网架均采纳钢结构;生物膜挂膜采纳自然挂膜,网架置于水面以下,将生物填料沿池体长边间隔8cm依次系挂于网架上,水流平行方向设7行,垂直方向设4行;狐尾藻种植于生物填料区的上部,种植密度为100株∕m2。小试系统各部分规格如表1所示,生物填料与孤尾藻组合组剖面如图2所示。<imgalt=“2.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000137088.jpg”/<imgalt=“3.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000148112.jpg”/为保证小试系统中狐尾藻的稳定生长和生物膜的自然挂膜,在运行1个月后正式开头试验。试验采纳连续进水方式,通过蠕动泵调整进水流速,均由顶部进水和出水。该小试系统处理水量为360L∕d,表面水力负荷为0.3m3∕(m2·d),水力停留时间为2d。测定系统出水水质,主要检测TP、TN、NH3-N浓度及CODCr。CODCr采纳重铬酸盐法测定;TP浓度采纳钼酸铵分光光度法(紫外可见分光光度计,UV1200,MAPADA)测定;TN和NH3-N浓度采纳气相分子汲取光谱法(气相分子汲取光谱仪,GMA3510,森普)测定。2试验结果2.1溶解氧浓度选取出水口水深10cm处作为溶解氧(DO)浓度监测点,考察小试系统运行期间不同处理组出水DO浓度随时间的变化,结果如图3所示。由图3可知,试验运行期间,各处理组DO浓度分别为:聚丙烯纤维生物填料组,3.2~4.3mg∕L;铝污泥生物填料组,3.5~4.4mg∕L;聚丙烯纤维-狐尾藻组,6.2~7.1mg∕L;铝污泥-狐尾藻组,6.1~7.2mg∕L。2个组合组DO浓度变化趋势全都,且水体DO浓度远高于生物填料组。生物填料组和组合组水体DO浓度均达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准。<imgalt=“4.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000145450.jpg”/2.2pH系统运行期间不同处理组的出水pH随时间的变化如图4所示。由图4可知,不同处理组的出水pH差异较大,其中铝污泥生物填料组和铝污泥-狐尾藻组出水pH较为稳定,在7四周波动;聚丙烯纤维生物填料组和聚丙烯纤维-狐尾藻组出水pH随时间变化波动范围较大,聚丙烯纤维-狐尾藻组出水pH维持在6.5以上,而聚丙烯纤维生物填料组出水pH基本在6.5以下,与进水pH相差不大。<imgalt=“5.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000142177.jpg”/2.3CODCr的去除效果系统运行期间不同处理组的出水CODCr随时间的变化如图5所示。由图5可知,不同处理组对CODCr的去除效果为铝污泥-狐尾藻组聚丙烯纤维-狐尾藻组铝污泥生物填料组聚丙烯纤维生物填料组。铝污泥-狐尾藻组对CODCr的去除效果最好,平均去除率为74.62%;聚丙烯纤维-狐尾藻组次之,平均去除率为69.71%;铝污泥生物填料组对CODCr去除效果较差,平均去除率为65.96%;聚丙烯纤维生物填料组去除效果最差,平均去除率仅为59.94%。铝污泥-狐尾藻组的出水平均CODCr可达到GB3838—2002的Ⅳ类标准(30mg∕L),聚丙烯纤维-狐尾藻组、铝污泥生物填料组的出水平均CODCr达到GB3838—2002的Ⅴ类标准(40mg∕L),聚丙烯纤维生物填料组对CODCr有肯定的去除效果,但其出水平均CODCr处于较高水平,未达到GB3838—2002的Ⅴ类标准。<imgalt=“1.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000140315.jpg”/2.4TP的去除效果系统运行期间不同处理组出水TP浓度随时间的变化如图6所示。由图6可知,不同处理组对TP的去除效果为铝污泥-狐尾藻组铝污泥生物填料组聚丙烯纤维-狐尾藻组聚丙烯纤维生物填料组。铝污泥-狐尾藻组和铝污泥生物填料组TP去除效果较好,平均去除率分别达93.59%和93.38%;其次是聚丙烯纤维-狐尾藻组,平均去除率为90.55%;聚丙烯纤维生物填料组去除效果最差,平均去除率为84.04%。铝污泥-狐尾藻组和铝污泥生物填料组出水TP平均浓度达到GB3838—2002的Ⅳ类标准(0.3mg∕L),聚丙烯纤维-狐尾藻组出水TP平均浓度达到GB3838—2002的Ⅴ类标准(0.4mg∕L),而聚丙烯纤维生物填料组出水TP平均浓度劣于GB3838—2002的Ⅴ类标准。<imgalt=“6.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000145593.jpg”/2.5TN、NH3-N的去除效果系统运行期间不同处理组TN和NH3-N浓度随时间的变化如图7和图8所示。由图7和图8可知,含有铝污泥的处理组出水TN、NH3-N浓度随时间变化较含聚丙烯纤维的稳定。铝污泥-狐尾藻组对TN和NH3-N的去除效果最好,平均去除率分别达93.19%和96.46%;铝污泥生物填料组去除效果次之,平均去除率分别为91.25%和94.42%;聚丙烯纤维-狐尾藻组TN和NH3-N平均去除率分别为91.29%和91.45%;聚丙烯纤维生物填料组去除效果最差,平均去除率分别为84.17%和88.39%。铝污泥-狐尾藻组出水TN平均浓度达到GB3838—2002的Ⅳ类标准(1.5mg∕L),铝污泥生物填料组和聚丙烯纤维-狐尾藻组出水TN平均浓度均达到GB3838—2002的Ⅴ类标准(2.0mg∕L),而聚丙烯纤维生物填料组出水TN平均浓度劣于GB3838—2002Ⅴ类标准。生物填料组和组合组出水NH3-N平均浓度均优于GB3838—2002的Ⅳ类标准(1.5mg∕L),尤其铝污泥-狐尾藻组出水NH3-N平均浓度达到GB3838—2002的Ⅱ类标准(0.5mg∕L)。<imgalt=“7.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000155140.jpg”/<imgalt=“8.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003292000165849.jpg”/3争论3.1水体DO浓度和pH对脱氮除磷的影响DO浓度的凹凸直接影响着河道生态系统内部好氧和厌氧微生物的活性,而微生物的硝化∕反硝化作用是主要的脱氮途径[9,10]。当DO浓度高于1.7mg∕L时,硝化细菌可将水体中的NH3-N全部转化成硝酸盐;DO浓度低于0.5mg∕L时,硝化细菌活性被抑制,水体中的NH3-N浓度渐渐增加;DO浓度为0.5mg∕L左右时,反硝化细菌大量富集,与藻类形成有利共生关系[11]。本试验中生物填料组出水DO浓度处于较高水平,这可能与生物填料组的整个水面均与空气接触有关,空气中的氧气自由进入生物填料系统使水体DO浓度增加[12]。生长茂密的植物会影响空气中的氧进入水中,但组合组上部水体DO浓度远远高于生物填料组,这是由于狐尾藻的根系泌氧等[13]作用保证了系统上部的DO浓度,说明在试验运行期间,组合组水体上部DO浓度可满意系统中硝化细菌对DO的需求,有利于硝化作用的进行。同时,组合组系统中部至下部的厌氧环境以及填料大量的孔洞空间为聚磷菌和反硝化细菌供应了良好生存环境,好氧与厌氧环境的转变和结合,使污水经受完整的吸附去除过程,从而使组合组获得更好的脱氮除磷效果。pH影响生物填料系统中微生物的存在形式[14,15]。当pH为4.0~6.0或大于9.5时,硝化细菌的生长会受到抑制[11]。试验运行期间,聚丙烯纤维生物填料组的pH低于6.5,不利于反硝化作用的进行。由于铝污泥含有大量具有缓冲作用的铝离子及其聚合物[16],且狐尾藻也有上升水体pH的作用[17],因此铝污泥生物填料组、聚丙烯纤维-狐尾藻组和铝污泥-狐尾藻组出水pH维持在6.5~7.5,有利于硝化细菌和反硝化细菌的生长和繁殖[18],促进系统脱氮过程的进行。依据试验结果,铝污泥生物填料组对水体CODCr、氮、磷的去除较聚丙烯纤维生物填料组强,这可能是由于铝污泥填料供应了更有利于微生物活动的微环境,如较大的比表面积[19,20],相宜的pH、DO浓度,以及较好的缓冲性能;狐尾藻联合生物填料增加了对水体中CODCr、氮、磷的去除效果,其缘由除了植物吸附汲取外,还可能与狐尾藻根系良好的微环境有关。3.2脱氮除磷机理探讨聚丙烯纤维-狐尾藻组和铝污泥-狐尾藻组对CODCr去除的主要途径有微生物的吸附降解、植物的吸附汲取和生物膜吸附沉淀等[21,22]。可溶性有机污染物大多通过狐尾藻根系的吸附汲取被去除[17],非溶性有机污染物则被系统填料和植物根系截留,进一步被微生物分解利用[21]。聚丙烯纤维生物填料组和聚丙烯纤维-狐尾藻组对磷的去除主要依靠生物膜中微生物和植物作用[23,24,25]。相比聚丙烯纤维生物填料,铝污泥生物填料自身对磷的吸附也占据重要作用。铝污泥固定磷的途径主要有离子交换作用[23,26]、络合作用[16,20]、静电作用[19,20]。铝污泥等电点约为6.4,系统进水时的pH为5.5~6.5,说明此时铝污泥表面主要带正电荷,易于吸附水中的阴离子,此时水溶液中的磷主要以H2PO−4O4-形式存在,有利于H2PO−4O4-通过静电作用被吸附在铝污泥上。铝污泥生物填料组和铝污泥-狐尾藻组出水pH相对原水的增大,与铝污泥中大量—OH基团与PO3−4O43-发生离子交换作用有关。另外,铝污泥中的铝主要以无定形形态存在,增大了对水体中磷的吸附力量[26],且铝离子作为一种絮凝剂,能够与水体中的阴离子反应形成絮状物,这些絮状物对PO3−4O43-也有吸附络合作用[25]。生物填料与水生植物(狐尾藻)组合系统对氮的转化途径主要包括微生物作用和水生植物汲取作用。微生物将水体中的有