铝污泥生物填料对黑臭水体的脱氮除磷效果研究

摘要：现场小试模拟研究了铝污泥生物填料、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节水体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GB 3838—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GB 3838—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,严重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发展的重中之重[1,2,3]。生态-生物修复技术因其费用低,管理方便,兼具美化环境的特点,成为近年来研究和应用的重点[4,5]。生态-生物修复技术的处理效率受很多因素影响,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照,模仿天然河道构建生物填料系统,研究并分析该系统的脱氮除磷效果,以期为河道黑臭水体治理提供技术支撑。

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21.54~36.50 m2∕g,电导率为0.010 4~0.014 0 S∕m。

铝污泥原料经过搅拌、造粒后,在105~120 ℃下烘干2~3 h,以去除水分;在500~600 ℃无氧焙烧6~8 h,自然冷却后装入40 cm×8 cm×8 cm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0.90~0.92 g∕cm3,长度为40 cm,直径为8 cm。

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养,每隔3 d换1次水,保证植物表面吸附的悬浮物被气流冲洗干净。

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10 m,流速为0.54 m∕d,CODCr为120 mg∕L,TP浓度为4 mg∕L,TN浓度为20 mg∕L,NH3-N浓度为10 mg∕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。

小试系统主要包括进水池、控制区、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用钢结构;生物膜挂膜采用自然挂膜,网架置于水面以下,将生物填料沿池体长边间隔8 cm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。

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个月后正式开始试验。试验采用连续进水方式,通过蠕动泵调节进水流速,均由顶部进水和出水。该小试系统处理水量为360 L∕d,表面水力负荷为0.3 m3∕(m2·d),水力停留时间为2 d。测定系统出水水质,主要检测TP、TN、NH3-N浓度及CODCr。CODCr采用重铬酸盐法测定;TP浓度采用钼酸铵分光光度法(紫外可见分光光度计,UV1200,MAPADA)测定;TN和NH3-N浓度采用气相分子吸收光谱法(气相分子吸收光谱仪,GMA3510,森普)测定。

2 试验结果

2.1 溶解氧浓度

选取出水口水深10 cm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,3.2~4.3 mg∕L;铝污泥生物填料组,3.5~4.4 mg∕L;聚丙烯纤维-狐尾藻组,6.2~7.1 mg∕L;铝污泥-狐尾藻组,6.1~7.2 mg∕L。2个组合组DO浓度变化趋势一致,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GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准。

2.2 pH

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附近波动;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。

2.3 CODCr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GB 3838—2002的Ⅳ类标准(<30 mg∕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GB 3838—2002的Ⅴ类标准(<40 mg∕L),聚丙烯纤维生物填料组对CODCr有一定的去除效果,但其出水平均CODCr处于较高水平,未达到GB 3838—2002的Ⅴ类标准。

2.4 TP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GB 3838—2002的Ⅳ类标准(<0.3 mg∕L),聚丙烯纤维-狐尾藻组出水TP平均浓度达到GB 3838—2002的Ⅴ类标准(<0.4 mg∕L),而聚丙烯纤维生物填料组出水TP平均浓度劣于GB 3838—2002的Ⅴ类标准。

2.5 TN、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GB 3838—2002的Ⅳ类标准(<1.5 mg∕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GB 3838—2002的Ⅴ类标准(<2.0 mg∕L),而聚丙烯纤维生物填料组出水TN平均浓度劣于GB 3838—2002 Ⅴ类标准。生物填料组和组合组出水NH3-N平均浓度均优于GB 3838—2002的Ⅳ类标准(<1.5 mg∕L),尤其铝污泥-狐尾藻组出水NH3-N平均浓度达到GB 3838—2002的Ⅱ类标准(<0.5 mg∕L)。

3 讨论

3.1 水体DO浓度和pH对脱氮除磷的影响

DO浓度的高低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1.7 mg∕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0.5 mg∕L时,硝化细菌活性被抑制,水体中的NH3-N浓度逐渐增加;DO浓度为0.5 mg∕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]。生长茂盛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浓度可满足系统中硝化细菌对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提供了良好生存环境,好氧与厌氧环境的转变和结合,使污水经历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],且狐尾藻也有升高水体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。

根据试验结果,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,这可能是因为铝污泥填料提供了更有利于微生物活动的微环境,如较大的比表面积[19,20],适宜的pH、DO浓度,以及较好的缓冲性能;狐尾藻联合生物填料增强了对水体中CODCr、氮、磷的去除效果,其原因除了植物吸附吸收外,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、植物的吸附吸收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吸收被去除[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能力[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吸收作用。微生物将水体中的有机氮化合物分解为铵态氮,同时吸收铵态氮或硝态氮作为营养;硝化和反硝化细菌将水体中的铵态氮转化为气态氮,使水体中的氮得到有效且彻底的去除[27]。水生植物在系统脱氮过程中也有着重要作用,其可直接吸收污染水体中的铵态氮或硝态氮作为营养,合成自身组织结构所必需的物质,使水体中的氮得到去除[18];水生植物具有间接脱氮作用,其庞大的根系可为微生物提供巨大的附着面积,其根部泌氧作用可增加系统内的DO浓度,在根系附近形成氧化态的微环境,为脱氮微生物提供有利条件[13,17]。另外,铝污泥生物填料组和铝污泥-狐尾藻组运行期间靠近出水口区域pH的增大,使OH-与NH+4H4+发生中和反应,且此时铝污泥表面带负电荷,亦可通过静电作用吸附部分氮。

4 结论

(1)铝污泥生物填料能调节水体pH,系统中加入狐尾藻可提高水体DO浓度,营造有利于微生物生存的微环境,强化对黑臭水体的脱氮除磷效果。

(2)铝污泥生物填料组出水水质优于聚丙烯纤维生物填料组,出水水质基本达到GB 3838—2002的Ⅴ类标准;铝污泥-狐尾藻组对水体污染物的整体去除效果最好,出水水质达到GB 3838—2002的Ⅳ类标准。

(3)氮主要通过硝化∕反硝化细菌的分解转化和植物的吸收转化途径去除,铝污泥生物填料能营造良好的微生物生存环境,强化微生物降解作用;磷主要通过填料-植物-微生物的联合作用去除,其中铝污泥除了强化微生物作用外,其自身对磷的吸附配位交换、络合和静电作用使系统达到更好的除磷效果。