目前, 我國(guó)的一些地區(qū)水質(zhì)環(huán)境差、水環(huán)境隱患多、生態(tài)受損重等問(wèn)題較為突出, 群眾健康受到嚴(yán)重?fù)p害, 影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展.為了切實(shí)加大水污染的防治力度, 確保國(guó)家水質(zhì)安全, 截至到2020年, 全國(guó)嚴(yán)重污染水體要有大幅度減少, 水環(huán)境質(zhì)量要得到階段性改善.京津冀區(qū)域人均占有水資源量只有全國(guó)平均水平的10%, 屬于水資源短缺十分嚴(yán)重的地區(qū).另外, 該地區(qū)長(zhǎng)期處于“有河皆干, 有水皆污”的局面.七大流域的國(guó)控?cái)嗝姊�、Ⅴ�?lèi)和劣Ⅴ類(lèi)地表水比例依然達(dá)到了35.8%.

　　我國(guó)北方地區(qū)雨量較小, 地表水體生態(tài)基流較為匱乏, 除了短暫的雨季, 大部分水源來(lái)自城市污水處理廠尾水.尾水的水量比較穩(wěn)定, 但現(xiàn)有污染物濃度限值遠(yuǎn)高于地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn), 水中含有的有機(jī)無(wú)機(jī)氮磷, 排入河道后由于溫度高水流緩慢, 會(huì)引起地表水體富營(yíng)養(yǎng)化及黑臭現(xiàn)象等.TN是限定污水處理廠尾水回用的主要因素, 而氮在尾水中主要以無(wú)機(jī)氮(NH4+-N和NO3-N)的形式存在.因此, 如何去除城市污水處理廠尾水中的NH4+-N、NO3--N, 是尾水強(qiáng)化凈化的關(guān)鍵步驟.

　　生物治理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、不產(chǎn)生二次污染且效果顯著等優(yōu)點(diǎn), 目前已成為氮污染治理與控制的重要方法.其中的生物膜修復(fù)技術(shù)是使微生物附著生長(zhǎng)在纖維膜表面, 形成生物膜, 當(dāng)污水流經(jīng)生物膜表面時(shí), 污染物被膜上的微生物吸收轉(zhuǎn)化, 從而使污水得以?xún)艋?該技術(shù)將天然過(guò)程與人工過(guò)程完美結(jié)合, 已成為污染水體治理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).但目前多數(shù)研究只局限于對(duì)浮床植物的篩選以及構(gòu)建預(yù)負(fù)載高效污染物降解與轉(zhuǎn)化微生物的生態(tài)浮床, 強(qiáng)化微生物對(duì)水體中污染物的降解能力, 另一方面主要集中在利用微生物和水生植物的協(xié)同作用達(dá)到凈化污水的目的, 卻忽視了微生物在河道不同深度所處的微環(huán)境不同, 以致于影響生物膜對(duì)水體的降解效果.其次, 水體流速較大會(huì)損害生態(tài)浮床整體的穩(wěn)定性, 同時(shí), 生態(tài)浮床的大面積覆蓋將會(huì)造成溶解氧含量的下降, 影響微生物的生長(zhǎng)繁殖, 從而影響生態(tài)浮床的凈化效果.

　　因此, 試驗(yàn)以模擬的城市污水處理廠一級(jí)B出水為研究對(duì)象, 選用性質(zhì)穩(wěn)定且透氣性較好的聚丙烯纖維膜作為微生物載體, 將生物浮床安裝在模擬河道中, 試圖增加生物膜在河道中的長(zhǎng)度、延長(zhǎng)微生物的作用時(shí)間、提高水體中生物膜覆蓋面積, 考察生物膜長(zhǎng)度、HRT及生物膜覆蓋面積對(duì)生物膜生態(tài)浮床處理含氮尾水的影響, 實(shí)現(xiàn)水體中微生物生態(tài)系統(tǒng)的原位調(diào)控, 強(qiáng)化水體自?xún)裟芰? 以期為地表富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理提供理論依據(jù).

　　1 材料與方法1.1 試驗(yàn)用水

　　按照污水處理廠一級(jí)B出水標(biāo)準(zhǔn)配制模擬污水廠尾水, 初始水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表 1.試驗(yàn)過(guò)程全部采用HJ標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定NH4+-N、NO3--N和TN等水質(zhì)指標(biāo).

　　表 1 尾水初始水質(zhì)指標(biāo)/mg ·L-1 

　　1.2 水樣測(cè)定方法

　　氨氮濃度測(cè)定采用納氏試劑分光光度法, 所用儀器裝置為上海棱光技術(shù)有限公司出產(chǎn)的22PC06119型可見(jiàn)分光光度計(jì).硝酸鹽氮濃度的測(cè)定所用紫外分光光度計(jì)是上海UNICO電子公司出產(chǎn)的UV-2802, 主要包括由光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器和信號(hào)處理器等部件組成, 測(cè)定方法及注意事項(xiàng)見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn).總氮濃度測(cè)定采用紫外分光光度法, 所用儀器裝置為UV-2802型紫外分光光度計(jì).試驗(yàn)過(guò)程中主要用鼓風(fēng)干燥箱(101型)對(duì)玻璃器皿進(jìn)行干燥以及FA2104N型分析天平對(duì)藥品進(jìn)行稱(chēng)量.用葡萄糖(C6H12O6, AR)、磷酸氫二鉀(KH2PO4, AR)以及硫酸銨[(NH4)2SO4, AR]配制試驗(yàn)用水.

　　1.3 濃度計(jì)算

　　測(cè)定水樣中氨氮的吸光度, 用超純水代替水樣作為空白, 空白溶液和其他銨標(biāo)準(zhǔn)使用溶液按與樣品相同的步驟測(cè)定吸光度.水中氨氮的濃度按式(1)計(jì)算：

 (1)

　　式中, ρN表示水樣中氨氮的質(zhì)量濃度(以N計(jì)), mg ·L-1;As表示水樣的吸光度;Ab表示空白試驗(yàn)的吸光度;a表示校準(zhǔn)曲線(xiàn)的截距;b表示校準(zhǔn)曲線(xiàn)的斜率;V表示試料體積(mL).

　　測(cè)定水樣中硝酸鹽氮、總氮的吸光度, 空白溶液和其他硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用溶液制得的校準(zhǔn)系列完成全部分析步驟, 測(cè)定方法見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn), 用紫外分光光度計(jì)于波長(zhǎng)220 nm和275 nm處測(cè)定吸光度后, 分別按下式求出除空白外其他校準(zhǔn)系列的校正吸光度As和空白的校正吸光度Ab及其校正吸光度Ar.

 (2)

　　式中, As220表示標(biāo)準(zhǔn)溶液在220 nm波長(zhǎng)的吸光度;As275表示標(biāo)準(zhǔn)溶液在275 nm波長(zhǎng)的吸光度;Ab220表示空白溶液在220 nm波長(zhǎng)的吸光度;Ab275表示空白溶液在275 nm波長(zhǎng)的吸光度.

　　總氮計(jì)算：按式(2)中計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溶液的Ar值與相應(yīng)地總氮含量(μg)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn), 再根據(jù)水樣Ar值, 在校準(zhǔn)曲線(xiàn)上查出相應(yīng)地總氮含量(μg), 總氮質(zhì)量濃度cN(mg ·L-1)按下式計(jì)算：

 (3)

　　式中, Ar表示試樣校正吸光度;V表示試樣體積mL;a表示校準(zhǔn)曲線(xiàn)的截距;b表示校準(zhǔn)曲線(xiàn)的斜率.

　　硝酸鹽氮計(jì)算：按式(2)中計(jì)算硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的Ar值與相應(yīng)的硝酸鹽氮質(zhì)量濃度(mg ·L-1)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn), 根據(jù)求得的水樣吸光度Ar值, 從校準(zhǔn)曲線(xiàn)中查得相應(yīng)的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度.

　　1.4 試驗(yàn)裝置構(gòu)建

1.4.1 模擬河道反應(yīng)器

　　本試驗(yàn)所用裝置為模擬的河道反應(yīng)器, 設(shè)定反應(yīng)器長(zhǎng)、寬和高分別為18、0.5和0.5m, 坡度為10‰.模擬河道反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成, 設(shè)有進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和出水區(qū), 進(jìn)水區(qū)與反應(yīng)區(qū)之間用擋水板隔開(kāi).

　　具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 1與圖 2.

　　圖 1

 圖 1 模擬河道平面

　　圖 2

   圖 2 模擬河道剖面

　　(1) 進(jìn)水口處設(shè)置有高度為300 mm的擋板, 形成存水槽以保證河道內(nèi)的水流穩(wěn)定, 避免進(jìn)水對(duì)河道內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大攪動(dòng).

　　(2) 每條河道配置一臺(tái)蠕動(dòng)泵, 以便設(shè)定不同的進(jìn)水流量.河道每隔4 m設(shè)置一個(gè)高度不同的擋板, 使河道內(nèi)水流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生跌水為河道內(nèi)的水加氧, 模擬真實(shí)環(huán)境.

　　(3) 河道底端鋪設(shè)底泥, 模擬真實(shí)河床同時(shí)便于生物膜的形成.出水口設(shè)置高度為300 mm的擋板, 河道內(nèi)的水在擋板上方溢流而出, 形成穩(wěn)定水面.

　　1.4.2 生物浮床

　　浮床床體為聚乙烯板, 其4個(gè)角各有一個(gè)圓孔用來(lái)連接已經(jīng)噴上菌膠液的纖維膜(圖 3).纖維膜采用聚丙烯材料, 它具有很強(qiáng)的散熱性能, 對(duì)水的阻力較小, 布水、布?xì)庑阅芎? 有益于微生物的生長(zhǎng), 同時(shí)又具有切割氣泡的作用.根據(jù)河道深度, 按照比例截取生物膜長(zhǎng)度.中間為直徑10 cm的小孔, 用于后期栽培植物, 美化河道環(huán)境.

　　圖 3

 圖 3 生物膜生態(tài)浮床裝置結(jié)構(gòu)

　　1.5 運(yùn)行工況

　　試驗(yàn)采用連續(xù)式進(jìn)水方式, 由蠕動(dòng)泵固定流速通入河道, 河道出水由相同流速的蠕動(dòng)泵抽出, 以保證河道中水體的流動(dòng)性和水量的一致性.試驗(yàn)采用3種工況, 各運(yùn)行3個(gè)周期.工況1在河道反應(yīng)器內(nèi)通入污水處理廠尾水, 將生態(tài)浮床上懸掛不同長(zhǎng)度生物膜(1/2水深、1倍水深)運(yùn)行, 生態(tài)浮床覆蓋面積為河道的10%, 溫度為25℃, 時(shí)間為10 d;工況2模擬污水處理廠尾水, 在不同HRT(6 d和12 d)條件下運(yùn)行, 控制生物浮床生物膜長(zhǎng)度為1/2水深, 膜覆蓋面積為10%, 溫度為25℃;工況3模擬污水處理廠尾水, 在不同生物浮床覆蓋面積(0%、10%和20%)條件下運(yùn)行, 控制河道生物浮床掛膜長(zhǎng)度為1/2水深, HRT為6 d, 溫度為25℃, 運(yùn)行2個(gè)周期.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2 結(jié)果與討論

2.1 懸掛式生物膜對(duì)含氮尾水的凈化特征及影響分析

　　圖 4表示工況1運(yùn)行條件下空白河道與懸掛生物膜河道對(duì)含氮尾水中氮素的去除效果分析.

　　圖 4

 圖 4 懸掛1/2水深及整體水深長(zhǎng)度生物膜對(duì)水中氮素的去除效果

　　從圖 4(b)可以看出, 空白河道的NH4+-N濃度有一定的上升趨勢(shì), 但變化不太明顯.懸掛1/2水深生物膜的河道內(nèi)NH4+-N在前3 d處于下降趨勢(shì), 濃度從0.098 mg ·L-1降低到0.009 mg ·L-1, 而在第5 d時(shí)NH4+-N值上升到了0.522 mg ·L-1之后又降低到0.062 mg ·L-1, 到第7 d后趨于穩(wěn)定, 說(shuō)明NH4+-N值在第5 d出現(xiàn)較大波動(dòng), 但整體變化不明顯.而整體水深懸掛生物膜的河道在第3 d和第7 d NH4+-N濃度出現(xiàn)拐點(diǎn), 濃度值分別為0.498 mg ·L-1和0.601 mg ·L-1, 河道內(nèi)初始NH4+-N值為0.639 mg ·L-1, 在第9 d時(shí)已經(jīng)上升到1.093 mg ·L-1, 整體來(lái)看濃度處于上升趨勢(shì).結(jié)果表明, 在空白河道內(nèi)NH4+-N值有所上升主要是因?yàn)楹拥纼?nèi)微生物的自身代謝較微弱, 隨著時(shí)間的增加, NH4+-N不斷積累.在懸掛生物膜的河道, 水中氮素的轉(zhuǎn)化在缺氧條件下主要進(jìn)行的是氨化作用, 有學(xué)者研究表明：氨化作用對(duì)溶解氧要求很廣泛, 厭氧或好氧條件下均可進(jìn)行.而硝化及反硝化細(xì)菌主要是好氧自養(yǎng)型細(xì)菌, 由于河道下部溶解氧濃度較低并且懸浮類(lèi)有機(jī)物及藻類(lèi)較少, 從而影響NH4+-N的轉(zhuǎn)化.Cooper等[27]的研究指出, DO含量下降, 氨氮轉(zhuǎn)化的效率不超過(guò)15%.因此, 整體掛膜河道中的NH4+-N濃度出現(xiàn)上升趨勢(shì).

　　由圖 4(a)和4(c)可以看出：懸掛1/2水深生物膜的河道內(nèi)的NO3--N和TN都呈下降趨勢(shì), 且NO3--N值從1.77mg ·L-1降到0.61mg ·L-1, 降解率達(dá)到了62.7%, TN值從5.60mg ·L-1降到1.01mg ·L-1, 降解率達(dá)到了81.96%.空白河道和整體水深懸掛生物膜的河道則變化不太明顯.說(shuō)明在河道上部溶解氧要大于河道底部, 懸掛1/2水深生物膜的河道內(nèi)硝化細(xì)菌有較優(yōu)越的溶解氧環(huán)境, 繁殖較快, NO3--N的去除效果要明顯大于其他兩個(gè)河道.此前一些研究指出：系統(tǒng)中硝酸鹽積累量的減少和增加主要由好氧段硝酸鹽的生成量與好氧段同步硝化反硝化以及后續(xù)缺氧段反硝化脫氮量共同作用的結(jié)果.氧的可利用性會(huì)影響AOB的分布, DO濃度過(guò)高對(duì)硝化速率的影響不大, 但濃度過(guò)低則會(huì)造成硝化速率降低.生物膜懸掛到河道底部時(shí), 河道底部溶解氧濃度較低從而抑制了生物膜上硝化作用, 在河道1/2水深處水環(huán)境中具有合適的溶解氧.因此, 河道內(nèi)懸掛1/2水深的生物膜對(duì)河道內(nèi)氮素的去除較明顯.

　　2.2 生物浮床在不同HRT下對(duì)含氮尾水的凈化特征分析

　　圖 5表示工況2運(yùn)行條件下空白河道與不同HRT河道對(duì)含氮尾水中氮素的去除效果分析.

　　圖 5

 圖 5 不同HRT對(duì)含氮尾水中氮素的去除效果分析

　　由圖 5(a)可以看出, 在不同HRT條件下NO3--N去除率均維持在80% ~90%, 而空白河道的NO3--N去除率達(dá)到了90%以上, 這與苑泉等的研究HRT分別為12、8和4 h時(shí), 對(duì)NO3--N去除率影響不大, 均能達(dá)到90%以上的結(jié)果相一致.說(shuō)明在不同HRT條件下, 附著微生物生物浮床的同步硝化反硝化作用對(duì)于NO3--N的去除效率都較高, 且空白河道NO3--N的去除主要依靠河道內(nèi)藻類(lèi)和其他微生物代謝[30].從圖 5(b)和5(c)可以看出, 在HRT為6 d時(shí), TN的去除率總體維持在60%左右, NH4+-N去除率能達(dá)到70%左右, 而在HRT為12 d時(shí), NH4+-N及TN的去除率波動(dòng)性較大, TN的去除率最高可達(dá)79.93%, 最低到17.23%, NH4+-N的去除率最高可達(dá)81.4%, 最低到8.73%.有研究表明, HRT較長(zhǎng)會(huì)使生物膜脫落, 填料上附著態(tài)微生物轉(zhuǎn)化為懸浮態(tài)微生物.試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明, 當(dāng)HRT為6 d時(shí), 生態(tài)浮床上的微生物可充分與水體接觸且相對(duì)穩(wěn)定, 能較好地發(fā)揮作用, 對(duì)于去除水中氮素的去除效果更明顯.

　　2.3 生物浮床在不同覆蓋面積下對(duì)含氮尾水的凈化特征

　　圖 6表示工況3運(yùn)行條件下空白河道與不同生物膜覆蓋面積河道對(duì)含氮尾水中氮素的去除效果分析.

　　圖 6

 圖 6 不同生物浮床覆蓋面積對(duì)含氮尾水中氮素的去除效果分析

　　由圖 6(b)可以看出：在生物浮床覆蓋面積為10%時(shí), 覆蓋面積較小, 微生物數(shù)量少, 而水中NH4+-N的去除效率在逐步降低, 且和空白河道變化趨勢(shì)相同, 說(shuō)明當(dāng)生物量較小時(shí), 隨著時(shí)間的增加, 水中的硝化細(xì)菌的轉(zhuǎn)化效率減弱, 但在生物浮床覆蓋面積為20%時(shí), 在初期由于微生物濃度的急劇增加, 產(chǎn)生了一定的抑制作用, 使得NH4+-N去除效果有所下降, 但隨著時(shí)間的增加, 水中NH4+-N的去除效率在不斷增加, 去除率達(dá)到了87.62%.有學(xué)者研究表明, 成倍加入人工掛膜的浮床對(duì)于水中NH4+-N的去除有很明顯的作用.因此, 生物浮床覆蓋面積為河道的20%時(shí)對(duì)水中NH4+-N的去除效果較好.從圖 6(c)可以看出, 在生物浮床覆蓋面積為10%和20%時(shí), TN最高去除率分別為62.88%和71.09%, 但在覆蓋面積為10%時(shí)TN的去除率是呈下降趨勢(shì), 而覆蓋面積為20%時(shí)TN的去除率是呈上升趨勢(shì)的.而從圖 6(a)結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn), NO3--N的去除效率都達(dá)到80%以上, 但覆蓋生物浮床河道去除率是呈現(xiàn)上升趨勢(shì).結(jié)果表明, 由于生物浮床的覆蓋面積增加, 作用于水體的氨化、硝化和同步硝化反硝化細(xì)菌的生物量相應(yīng)地增加, 活性增強(qiáng), 因此, 當(dāng)生物浮床面積為20%時(shí)對(duì)含氮尾水中氮素的去除具有明顯效果.

　　3 結(jié)論

　　(1) 在河道反應(yīng)器內(nèi)懸掛不同長(zhǎng)度生物膜(1/2水深和1倍水深)運(yùn)行條件下, 懸掛1/2水深生物膜的河道內(nèi)硝化細(xì)菌有較優(yōu)越的環(huán)境, NO3--N的去除效果要明顯大于空白河道和整體水深掛膜河道, 對(duì)含氮尾水中氮素有較明顯的去除效果.

　　(2) 在控制生物浮床生物膜長(zhǎng)度為1/2水深, 膜覆蓋面積為10%, 溫度25℃, 不同HRT(6 d, 12 d)運(yùn)行條件下, 不同HRT對(duì)NO3--N去除率影響不大, 當(dāng)HRT為6 d時(shí), 生態(tài)浮床上的微生物可充分與水體接觸且相對(duì)穩(wěn)定, 能較好地發(fā)揮作用, 對(duì)于去除水中氮素的去除效果更明顯.

　　(3) 在控制河道生物浮床掛膜長(zhǎng)度為1/2水深, HRT為6 d, 溫度為25℃, 不同生物浮床覆蓋面積(0%、10%和20%)運(yùn)行條件下, 生物浮床覆蓋面積為20%時(shí), 對(duì)含氮尾水中氮素的去除具有明顯效果.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué) 作者： 趙志瑞)