以毛竹丝与污泥为碳源去除水中的硝酸盐对比研究教育论文
摘要：将毛竹丝作为反硝化固体碳源和生物膜载体用于去除NO3–-N和将脱水活性污泥作为反硝化碳源和弹性立体填料为生物载体用于去除NO3–-N。在水温30℃、摇床80~95r/min的条件下运行。摆瓶在恒温摇床中培养20d后达到稳定。当进水NO3–-N都为60mg/L,反应20h后,竹丝摆瓶出水降低至10mg/L以下;而污泥摆瓶只降低20mg/L左右。相比之下,虽然NO2–-N都会产生一定量的积累,但是竹丝比污泥更能有效地去除污水中的NO3–-N。实验表明:竹丝是一种理想的提供碳源和生物膜载体的固体材料并且在生物膜除氮实验中比污泥的处理效果具有明显优越性。
关键词:硝酸盐,亚硝酸盐,毛竹丝,活性污泥,碳源,生物膜载体
水体中的硝酸盐污染不仅会引起水体的富营养化,而且会对人体和水生动物产生不良影响[6]。Boley和aslan等利用人工高分子聚合物作为反硝化碳源和生物载体去除水中硝态氮[7,8],而后ovez利用天然的植物体等作为反硝化碳源去除水体中的硝酸盐氮[9],均取得了良好的试验效果。目前国内外去除硝酸盐的方法有反渗透、电渗析、催化脱氮、生物脱氮、离子交换法、离子交换/生物脱氮组合工艺。其中生物反硝化脱氮被视为最为经济有效地消除硝酸盐手段,而生物反硝化中的异养反硝化过程中往往需要添加碳源作为电子供体。但传统添加的碳源一般为液相有机物,由于进水水质波动性较大,容易造成出水中常常含有多余的有机物液体碳源。而且传统的液体碳源多数对微生物和人类有毒,甚至严重污染环境,以致难以控制和操作[8]。
外加固体物质作为生物反硝化碳源是近些年消除水中硝酸盐污染的研究热点。开发的固相碳源种类日趋多样化,研究发现固体碳源不但能克服传统液体碳源诸多缺点,而且能作为微生物吸附生长的生物载体以提高生物反硝化效果而被广泛关注[9]。但一些研究中发现目前所采用的固相碳源也存在不足,如:可生物降解聚合物价格昂贵,制作方法复杂;天然的可降解聚合物虽然价格低廉,安全性好,运输方便,在自然界普遍存在,但在长时间运行过程中会变软而相互黏附,生物载体的孔隙率变小,而导致系统内堵塞,氮气无法外溢,如果通过减少填充量来防止堵塞,则会导致系统反硝化碳源不足;其次反硝化菌在固体碳源上的吸附力较弱,容易流失以及低温条件下反硝化效果较差等。基于国内外普遍使用的固体碳源存在的缺陷,寻找一种运行经济、取材方便、孔隙率较大、挂膜速度快、反硝化菌群吸附能力强、低温运行效果良好的固体碳源是生物反硝化脱氮亟需解决的重要问题,这些条件的实现对提高反硝化效率具有十分重要的实际应用和科学研究价值。
而与此同时由于污泥处理不得当将会造成二次污染,目前污泥处理方法有焚化、填满、建筑材料、农田绿地利用。但传统的处理方法不但易造成二次污染,而且基建和运行费用较高。由于污泥有机物含量高,可作为某种生物处理污水的碳源提供者。这样既可减少污泥处理的运行费用,又可避免二次污染。寻找一种污水处理工艺实现污泥的有机物被微生物在污水处理工艺中高效充分利用,这一目的的实现对降低污泥处理的运行费用同样具有十分重要的实际应用和科学研究价值。
1材料与方法
1.1实验原理
1.1.3反硝化反应:硝酸氮(NO3–-N)和亚硝酸氮(NO2–-N)在反硝化菌的作用下,被还原为气态氮(N2)的过程。生物反硝化反应方程式如下表示:
生物膜载体
活性污泥
反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌的'细菌。在厌氧菌(缺氧)条件下,以硝酸氮(NO3–-N)为电子受体,以有机物(有机碳)为电子供体。在反硝化过程中,硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动,可能有两种转化途径,一种途径是同化反硝化(合成),最终形成有机氮化合物,成为菌体的组成部分,另一种途径是异化反硝化(分解),最终产物是气态氮。
1.2 材料
竹丝是用纯天然的竹子加工而成,其形态是长方体(20mm×1mm×1mm)。竹丝在使用前放置在1%氢氧化钠中连续浸泡20d,再在自来水中浸泡2d后放入60℃左右的烘箱中烘干2h后冷却、称量、使用。
活性污泥(以下简称污泥)是污水处理厂脱水后的污泥,其形状成饼状(含水率在31.3%,MLSS=3503mg/L)。当向摆瓶中加入污泥时应称量、使用。
1.3 培养方法
在预先准备好的有瓶塞带排气管的摆瓶(500mL)2个,在纯净水中加入硝酸钾和磷酸二氢钠,使硝态氮和磷的浓度分别是60mg/L和12mg/L,并准备新鲜的活性污泥混合液若干升,并在摆瓶中加入配水150mL,活性污泥混合液150mL。并在其中一个锥形瓶中放入竹丝10g,一个锥形瓶放入20g污泥和弹性载体若干。最后,将摆瓶放入恒温培养振荡仪中连续培养(30℃),每天取上清液在1000r/min转速离心2min后测量NO3–-N浓度,当溶液中NO3–-N浓度低于10mg/L时,取出摆瓶静沉30min,用移液枪吸取上部摇瓶中悬浮污泥和水溶液,并更换新鲜的配制水(加浓的配制水使其溶液中的NO3–-N约为60mg/L即可),进行培养和驯化(每次换水时向竹丝摆瓶中添加0.1~0.15g预处理后竹丝,向污泥摆瓶中添加0.15~0.2g污泥),就这样反复7~10批次即可进行试验过程。
1.4 实验启动
将毛竹丝和弹性载体分别杂乱无章地堆放在竹丝摇瓶和污泥摆瓶中。并将摇瓶放置于恒温摇床(转速:80r/min,温度30℃)内培养,以NO3-–N浓度从60mg/L降低至10mg/L以下为一个批次,待生物膜形成和反应速率稳定后,每个批次更换一次营养液并测定反应器中剩余硝酸盐和生成亚硝酸盐的含量。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线的绘制
下边图1和图2分别为NO3–-N和NO2–-N质量标准曲线,从这两个图可知R2均大于0.995,说明这两个标准曲线均满足标准曲线要求,可以作为标准曲线使用,绘制方法见国标[10]。
毛竹丝
图1 NO3–-N的质量校准曲线
生物膜载体
图2 NO2–-N质量校准曲线
2.2摇瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果
2.2.1竹丝摆瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果
硝酸盐
图3 竹丝摆瓶中NO3–-N去除效果
生物膜载体
图4 竹丝摆瓶中NO2–-N 的去除效果
从图3中可以观察到,系统逐步稳定后,每日消耗硝酸盐氮含量随反应器反应时间的推移而增加,即每个批次消耗的NO3–-N含量与反应器反应时间成反比。当进水NO3–-N含量为60mg/L经过反应20h后,可降至10mg/L以下;从图4中可以观察到,每日生成NO2–-N生成量随反应器达到稳定时间的增加而趋于稳定值,即每个批次反应器内NO2–-N生成量随驯化时间的增长而成逐渐减少趋势并最终达到稳定值。而且测得数值表明系统反应20h后,NO2–-N浓度一般低于1.0mg/L。
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