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以毛竹絲與污泥為碳源去除水中的硝酸鹽對比研究教育論文
摘要：將毛竹絲作為反硝化固體碳源和生物膜載體用于去除NO3–-N和將脫水活性污泥作為反硝化碳源和彈性立體填料為生物載體用于去除NO3–-N。在水溫30℃、搖床80~95r/min的條件下運行。擺瓶在恒溫搖床中培養(yǎng)20d后達到穩(wěn)定。當進水NO3–-N都為60mg/L,反應20h后,竹絲擺瓶出水降低至10mg/L以下;而污泥擺瓶只降低20mg/L左右。相比之下,雖然NO2–-N都會產(chǎn)生一定量的積累,但是竹絲比污泥更能有效地去除污水中的NO3–-N。實驗表明:竹絲是一種理想的提供碳源和生物膜載體的固體材料并且在生物膜除氮實驗中比污泥的處理效果具有明顯優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞:硝酸鹽,亞硝酸鹽,毛竹絲,活性污泥,碳源,生物膜載體
水體中的硝酸鹽污染不僅會引起水體的富營養(yǎng)化,而且會對人體和水生動物產(chǎn)生不良影響[6]。Boley和aslan等利用人工高分子聚合物作為反硝化碳源和生物載體去除水中硝態(tài)氮[7,8],而后ovez利用天然的植物體等作為反硝化碳源去除水體中的硝酸鹽氮[9],均取得了良好的試驗效果。目前國內(nèi)外去除硝酸鹽的方法有反滲透、電滲析、催化脫氮、生物脫氮、離子交換法、離子交換/生物脫氮組合工藝。其中生物反硝化脫氮被視為最為經(jīng)濟有效地消除硝酸鹽手段,而生物反硝化中的異養(yǎng)反硝化過程中往往需要添加碳源作為電子供體。但傳統(tǒng)添加的碳源一般為液相有機物,由于進水水質(zhì)波動性較大,容易造成出水中常常含有多余的有機物液體碳源。而且傳統(tǒng)的液體碳源多數(shù)對微生物和人類有毒,甚至嚴重污染環(huán)境,以致難以控制和操作[8]。
外加固體物質(zhì)作為生物反硝化碳源是近些年消除水中硝酸鹽污染的研究熱點。開發(fā)的固相碳源種類日趨多樣化,研究發(fā)現(xiàn)固體碳源不但能克服傳統(tǒng)液體碳源諸多缺點,而且能作為微生物吸附生長的生物載體以提高生物反硝化效果而被廣泛關(guān)注[9]。但一些研究中發(fā)現(xiàn)目前所采用的固相碳源也存在不足,如:可生物降解聚合物價格昂貴,制作方法復雜;天然的可降解聚合物雖然價格低廉,安全性好,運輸方便,在自然界普遍存在,但在長時間運行過程中會變軟而相互黏附,生物載體的孔隙率變小,而導致系統(tǒng)內(nèi)堵塞,氮氣無法外溢,如果通過減少填充量來防止堵塞,則會導致系統(tǒng)反硝化碳源不足;其次反硝化菌在固體碳源上的吸附力較弱,容易流失以及低溫條件下反硝化效果較差等。基于國內(nèi)外普遍使用的固體碳源存在的缺陷,尋找一種運行經(jīng)濟、取材方便、孔隙率較大、掛膜速度快、反硝化菌群吸附能力強、低溫運行效果良好的固體碳源是生物反硝化脫氮亟需解決的重要問題,這些條件的實現(xiàn)對提高反硝化效率具有十分重要的實際應用和科學研究價值。
而與此同時由于污泥處理不得當將會造成二次污染,目前污泥處理方法有焚化、填滿、建筑材料、農(nóng)田綠地利用。但傳統(tǒng)的處理方法不但易造成二次污染,而且基建和運行費用較高。由于污泥有機物含量高,可作為某種生物處理污水的碳源提供者。這樣既可減少污泥處理的運行費用,又可避免二次污染。尋找一種污水處理工藝實現(xiàn)污泥的有機物被微生物在污水處理工藝中高效充分利用,這一目的的實現(xiàn)對降低污泥處理的運行費用同樣具有十分重要的實際應用和科學研究價值。
1材料與方法
1.1實驗原理
1.1.3反硝化反應:硝酸氮(NO3–-N)和亞硝酸氮(NO2–-N)在反硝化菌的作用下,被還原為氣態(tài)氮(N2)的過程。生物反硝化反應方程式如下表示:
生物膜載體
活性污泥
反硝化菌是屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌的細菌。在厭氧菌(缺氧)條件下,以硝酸氮(NO3–-N)為電子受體,以有機物(有機碳)為電子供體。在反硝化過程中,硝酸氮通過反硝化菌的代謝活動,可能有兩種轉(zhuǎn)化途徑,一種途徑是同化反硝化(合成),最終形成有機氮化合物,成為菌體的組成部分,另一種途徑是異化反硝化(分解),最終產(chǎn)物是氣態(tài)氮。
1.2 材料
竹絲是用純天然的竹子加工而成,其形態(tài)是長方體(20mm×1mm×1mm)。竹絲在使用前放置在1%氫氧化鈉中連續(xù)浸泡20d,再在自來水中浸泡2d后放入60℃左右的烘箱中烘干2h后冷卻、稱量、使用。
活性污泥(以下簡稱污泥)是污水處理廠脫水后的污泥,其形狀成餅狀(含水率在31.3%,MLSS=3503mg/L)。當向擺瓶中加入污泥時應稱量、使用。
1.3 培養(yǎng)方法
在預先準備好的有瓶塞帶排氣管的擺瓶(500mL)2個,在純凈水中加入硝酸鉀和磷酸二氫鈉,使硝態(tài)氮和磷的濃度分別是60mg/L和12mg/L,并準備新鮮的活性污泥混合液若干升,并在擺瓶中加入配水150mL,活性污泥混合液150mL。并在其中一個錐形瓶中放入竹絲10g,一個錐形瓶放入20g污泥和彈性載體若干。最后,將擺瓶放入恒溫培養(yǎng)振蕩儀中連續(xù)培養(yǎng)(30℃),每天取上清液在1000r/min轉(zhuǎn)速離心2min后測量NO3–-N濃度,當溶液中NO3–-N濃度低于10mg/L時,取出擺瓶靜沉30min,用移液槍吸取上部搖瓶中懸浮污泥和水溶液,并更換新鮮的配制水(加濃的配制水使其溶液中的NO3–-N約為60mg/L即可),進行培養(yǎng)和馴化(每次換水時向竹絲擺瓶中添加0.1~0.15g預處理后竹絲,向污泥擺瓶中添加0.15~0.2g污泥),就這樣反復7~10批次即可進行試驗過程。
1.4 實驗啟動
將毛竹絲和彈性載體分別雜亂無章地堆放在竹絲搖瓶和污泥擺瓶中。并將搖瓶放置于恒溫搖床(轉(zhuǎn)速:80r/min,溫度30℃)內(nèi)培養(yǎng),以NO3-–N濃度從60mg/L降低至10mg/L以下為一個批次,待生物膜形成和反應速率穩(wěn)定后,每個批次更換一次營養(yǎng)液并測定反應器中剩余硝酸鹽和生成亞硝酸鹽的含量。
2 結(jié)果與討論
2.1 標準曲線的繪制
下邊圖1和圖2分別為NO3–-N和NO2–-N質(zhì)量標準曲線,從這兩個圖可知R2均大于0.995,說明這兩個標準曲線均滿足標準曲線要求,可以作為標準曲線使用,繪制方法見國標[10]。
毛竹絲
圖1 NO3–-N的質(zhì)量校準曲線
生物膜載體
圖2 NO2–-N質(zhì)量校準曲線
2.2搖瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果
2.2.1竹絲擺瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果
硝酸鹽
圖3 竹絲擺瓶中NO3–-N去除效果
生物膜載體
圖4 竹絲擺瓶中NO2–-N 的去除效果
從圖3中可以觀察到,系統(tǒng)逐步穩(wěn)定后,每日消耗硝酸鹽氮含量隨反應器反應時間的推移而增加,即每個批次消耗的NO3–-N含量與反應器反應時間成反比。當進水NO3–-N含量為60mg/L經(jīng)過反應20h后,可降至10mg/L以下;從圖4中可以觀察到,每日生成NO2–-N生成量隨反應器達到穩(wěn)定時間的增加而趨于穩(wěn)定值,即每個批次反應器內(nèi)NO2–-N生成量隨馴化時間的增長而成逐漸減少趨勢并最終達到穩(wěn)定值。而且測得數(shù)值表明系統(tǒng)反應20h后,NO2–-N濃度一般低于1.0mg/L。
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