生物陶粒基质对城市污水处理厂脱氮净化效果

人工湿地中有机物的去除是湿地基质的物理截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果;不溶性有机物通过沉淀、过滤等作用被基质截留而被去除，并可为部分兼性或厌氧微生物所利用;可溶性有机物则通过生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程被降解.由于LDHs特殊的多微孔构型，使得覆膜改性基质对进水中的有机物吸附能力和物理拦截作用增强，因此表现出较高的去除率.

如图  1所示，与2号(ZnFe-LDHs)改性基质相比，净化试验前后5号(ZnCo-LDHs)基质表面的变化更大，附着有更多的细小颗粒杂质，表明5号改性基质具有更好的截留能力，这也与其有机物去除效率高于其它改性基质的实验结果相一致.另由于LDHs覆膜改性增大了比表面积，有利于微生物附着在基质表面，因此也进一步增强了微生物对有机物的代谢过程.

3.4 改性基质对TN的净化效果

图  3为原始及改性基质对TN的平均去除率.原始基质对TN的平均去除率仅为37%，而9种改性基质对TN的平均去除率均在40%以上;其中2号(ZnFe-LDHs)、6号(MgCo-LDHs)对TN的平均去除率分别达到63%和62%，提升幅度明显;4号(CaCo-LDHs)、5号(ZnCo-LDHs)处理效果次之，也达到了58%以上;其它改性基质对TN的去除率均在40%~50%之间.进行9种改性基质与原始基质对TN的显著性分析可发现，1号(CaFe-LDHs)、2号(ZnFe-LDHs)、4号(CaCo-LDHs)、5号(ZnCo-LDHs)、6号(MgCo-LDHs)改性生物陶粒基质对TN的去除率影响差异显著(p<0.05).

图 3 改性前后生物陶粒对TN的去除率

人工湿地脱氮过程是由基质、植物和微生物通过物理、化学及生物过程的协同作用而完成的，微生物的氨化、硝化和反硝化过程是氮的主要去除途径.生物膜对氮的去除主要包括菌群对氮的吸收、固定，好氧、缺氧、厌氧的生物转化，以及惰性有机物质或颗粒物质结合在一起的氮沉积于生物膜表面得到去除.4号、5号、6号改性基质对TN的去除效果较好，这说明Co3+和Zn2+的加入有效的促进了微生物对氮素的降解过程;且LDHs改性后基质具有较好的覆膜效果，也为微生物提供了更多的附着场所;在吸附和物理截留方面，由于改性后在基质表面附着的LDHs具有多微孔结构，促进了基质对小粒径悬浮物的吸附和截留，进一步提高了TN的去除效果.

3.5 改性基质对氨氮的净化效果

9种改性基质和原始基质对氨氮的平均去除率大多在80%以上(图  4).相对于原始生物陶粒基质，除1号、7号改性基质外，其它改性基质对氨氮的去除率均有不同程度的提高，其中2号(ZnFe-LDHs)、5号(ZnCo-LDHs)对NH+4-N的去除率分别高达94%和93%，且去除效果稳定;8号(MgAl-LDHs)改性基质的平均去除率也达到了87%.进行9种改性基质与原始基质对氨氮的显著性分析可发现，2号(ZnFe-LDHs)、5号(ZnCo-LDHs)对氨氮去除率的影响差异显著(p<0.05).

图 4 改性前后生物陶粒对氨氮的去除率

原始及改性生物陶粒基质对氨氮均具有很好的净化效果，一方面，这与生物陶粒比表面积大，表面粗糙等特点密切相关(图  1)，而对其进行覆膜改性后形成的LDHs颗粒加剧了表面的不光滑程度，有利于微生物的附着;另一方面，这也与LDHs覆膜增强了生物陶粒基质的生化反应作用与物理吸附作用有关.

人工湿地中氨氮、硝态氮的去除主要依靠微生物的生化反应和基质的物理吸附作用：污水中的氨氮在硝化菌和亚硝化菌的作用下好氧反应转化成硝态氮，并在厌氧环境下通过反硝化菌作用生成氮气排出系统外，而微生物对微量金属元素有着特殊的需求，如Zn2+在一定程度上能够提高试验系统中微生物的酶活性，本试验中的2号(ZnFe-LDHs)、5号(ZnCo-LDHs)改性基质中均加入Zn2+，其优于其它改性基质的氨氮去除效果也印证了Zn2+对微生物硝化反应的促进作用;另外，基质对氨氮的去除还存在一定的离子交换反应和物理吸附作用，由于LDHs具有的特殊结构，改性后的基质具有了更强的阳离子与氨氮交换能力，这也应增强了改性基质对氨氮的去除效果.