生物炭固定菌強(qiáng)化人工濕地對低溫污水中氮素去除的模擬研究

詹鈞杰

【摘 要】人工濕地具有著良好的除氮素能力，但是在低溫環(huán)境中，人工濕地系統(tǒng)的除氮素能力有所下降，應(yīng)用生物炭固定菌加強(qiáng)其除氮素能力不失為一種有力的手段。基于此，本文從模擬實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法、模擬實(shí)驗(yàn)過程分析、模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

【關(guān)鍵詞】生物炭固定菌；人工濕地；低溫污水；氮素去除；模擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號： X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0031-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.013

0 引言

生物炭具有著良好的吸附能力，在環(huán)境領(lǐng)域中常被用作吸附劑。人工濕地系統(tǒng)對于處理含氮化合物有著積極作用，其優(yōu)勢在于能夠處理高濃度氮素污水，但是在低溫環(huán)境中，微生物活性降低，數(shù)量減少，人工濕地系統(tǒng)的除氮效率被大大限制。因此，應(yīng)用生物炭固定菌劑加強(qiáng)除氮素性能，實(shí)現(xiàn)污水的良好凈化效果。

1 模擬實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法

人工濕地是由植物、微生物以及基質(zhì)構(gòu)成的人工自然系統(tǒng)，能夠達(dá)到自然濕地的效果，實(shí)現(xiàn)自然濕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用生物、化學(xué)以及物理三門學(xué)科的共同合作，通過沉淀、吸附等作用對污水進(jìn)行凈化處理。垂直流人工濕地系統(tǒng)就是近幾年新型的濕地系統(tǒng)，具有著特殊的水流方式。其中人工濕地能夠達(dá)到去除污水的效果主要依靠于微生物的使用，使用微生物固定化技術(shù)，讓難以降解的污水得到良好的處理效果。

進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的材料要在某濕地中冬季底泥內(nèi)將黃假單胞菌分離出來，將黃假單胞菌作為模擬實(shí)驗(yàn)所需要用到的實(shí)驗(yàn)菌株。還需要選擇水稻秸稈作為模擬實(shí)驗(yàn)的原料，將原料放在馬弗爐中，在700℃的條件下炭化三個(gè)小時(shí)，形成一種生物炭的載體。然后需要稱取一定數(shù)量的生物炭載體，放入到錐形瓶之內(nèi)，放入一定的菌懸液。最后將其放入到恒溫振蕩器之中，保持振蕩狀態(tài)8小時(shí)指導(dǎo)吸附平衡，經(jīng)過過濾處理之后的生物炭，也就得到了生物炭的固定化菌劑。

2 模擬實(shí)驗(yàn)過程分析

2.1 構(gòu)建人工濕地

模擬實(shí)驗(yàn)中使用到的人工濕地，使用的是垂直流的結(jié)構(gòu)，在其中設(shè)計(jì)出一個(gè)直徑為50厘米，深度為100厘米的池桶，在池桶的底部設(shè)置一個(gè)出水口，同時(shí)設(shè)置止水閥，實(shí)現(xiàn)控制出水流量的目的。在池桶內(nèi)部要自下而上的放置10厘米厚的鵝卵石、15厘米厚的粗砂粒、20厘米厚的細(xì)砂粒和25厘米厚的土壤。在人工濕地中還需要種植濕地中的香蒲，以每平方米8株的密度種植，在植物生長情況達(dá)到穩(wěn)定的良好狀態(tài)，運(yùn)行一次，確保人工濕地能夠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中適應(yīng)下來[1]。

將污水以均勻的方式投配到人工濕地的表面系統(tǒng)中，讓污水能夠垂直下滲到濕地底部，經(jīng)過出水口排出去。人工濕地的進(jìn)水系統(tǒng)是來自于當(dāng)?shù)厣钗鬯到y(tǒng)，污水的pH值處于7到8的范圍之內(nèi)，污水的溫度處于6℃到8℃范圍之內(nèi)，污水總懸浮物的質(zhì)量濃度在每升2.毫克到2.5毫克范圍之內(nèi)，污水總氮的質(zhì)量濃度處于每升60毫克到66毫克范圍之內(nèi)，污水氨氮的質(zhì)量濃度處于每升10毫克到15毫克的范圍之內(nèi)。

2.2 氮素化合物的測定

在人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行之后，將生物炭投入進(jìn)去，對菌劑進(jìn)行固定化，水溫處于6℃到8℃的范圍之內(nèi)，接種量則處于每升12毫克到60毫克范圍之內(nèi)。設(shè)置A、B對照組，一組為未投放生物炭固定化菌劑以及生物炭，一組是投加生物炭以及菌劑，對人工濕地進(jìn)行NH-N等元素濃度的跟蹤測定，同時(shí)建構(gòu)出低溫環(huán)境中菌劑處理污水的動力模型。TN濃度的測定使用過硫酸鉀氧化聯(lián)合紫外分光的光度法進(jìn)行測定，對NH-N濃度的測定使用的是納氏試劑的光度法進(jìn)行，NO-N的濃度測定需要使用紫外分光法測定，NH-N的測定則是需要使用乙二胺光度法進(jìn)行測定。

2.3 模擬實(shí)驗(yàn)分析

2.3.1 模擬實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理

在人工濕地處理含氮化合物的過程中，主要是依賴植物吸收效果，以及微生物進(jìn)行的正反硝化作用。在這個(gè)過程中，對NH-N的處理主要是通過對微生物進(jìn)行消化處理，將NH進(jìn)行氧化處理得到NO，然后再一次氧化成為NO。對NO-N、NH-N的處理則是通過將微生物進(jìn)行反硝化作用，讓NO、NH都被還原成為N2以及NO等氣體。去除掉有機(jī)氮?jiǎng)t需要經(jīng)過氨化反應(yīng)，將有機(jī)氮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)氮[2]。

2.3.2 生物炭對氮素去除率的影響

當(dāng)人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行五天之后，沒有加生物炭和菌劑的A組的出水檢測中，發(fā)現(xiàn)含氮化合物的去除率約為50%，人工濕地自身具有一定的去除含氮化合物的能力。在添加菌劑的B組出水檢測中，對于含氮化合物放入去除率達(dá)到了64%以上，對NH-N的去除率達(dá)到了65%以上，對NO-N去除率達(dá)到了62%以上，對NH-N的去除率達(dá)到了61%以上，這也說明了生物炭本身就具有一定的吸附能力，但是生物炭的吸附效率并不高，需要其他輔助試劑的協(xié)助，才能達(dá)到較為理想的吸附能力。

2.3.3 溫度對氮素去除率的影響

在微生物反應(yīng)中，溫度變化同樣是重要影響作用。在模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度處于3℃到4℃的情況中，對于氮素的去除率僅僅為23%。在3℃到4℃、8℃到16℃、21℃到27℃這三個(gè)溫度段上，氮素去除率和溫度之間的相關(guān)系數(shù)能夠達(dá)到0.95以上，這也說明了氮素去除率受到溫度的重要影響。將模擬實(shí)驗(yàn)的溫度設(shè)定在10℃以下，分析氮素化合物的去除率，發(fā)現(xiàn)去除率能夠達(dá)到21%。因此，為了保障人工濕地系統(tǒng)的去氮素效率，必須要在低溫環(huán)境中增加保溫設(shè)施，提高除氮素實(shí)際效果。

2.3.4 菌劑接種量對氮素去除率的影響

增加生物炭固定化菌劑之后，發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)中各個(gè)含量的去除效率都有了大幅度的升高。隨著接種量的逐漸增加，人工濕地系統(tǒng)在去除低溫污水中所包含的含氮化合物量有了明顯提高。在接種量從每升12毫克增加到每升60毫克的時(shí)候，人工濕地系統(tǒng)在整體去除效率上有著明顯的升高，但是其中當(dāng)接種量達(dá)到每升42毫克的時(shí)候，處理含氮化合物效率的漲幅并不明顯。但是在模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接種量達(dá)到每升60毫克的時(shí)候，去除效果達(dá)到最佳，若考慮到經(jīng)濟(jì)成本，那么每升42毫克的接種量是最為理想的接種量。

2.3.5 水力停留時(shí)間對氮素去除率的影響

在接種量為每升42毫克的時(shí)候，水溫維持在6℃到8℃，水力停留的時(shí)間在5天左右，在這樣的條件下，發(fā)現(xiàn)生物炭固定化菌劑的去除效率隨著時(shí)間的推移而逐漸增加。在人工濕地運(yùn)行5天之后，含氮化合物去除率最高可以達(dá)到95%左右。在接種量為每升42毫克的時(shí)候，含氮化合物的去除率能夠達(dá)到A組的近兩倍之多。在接種量達(dá)到每升60毫克的時(shí)候，水力的停留時(shí)間維持在10天左右，水溫保持在6℃到8℃條件的情況下，含氮化合物的去除率則能夠達(dá)到95%附近，這也說明了在人工濕地中，污水隨著時(shí)間推移，逐漸增加，污水和菌劑的接觸也就更加充分，氮素去除率也就越來越高。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，分析時(shí)間和去除率的關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)各個(gè)含氮化合物的去除率和時(shí)間存在一定的回歸關(guān)系。生物固定化菌劑能夠在很大程度上減少水力停留時(shí)間，讓含氮化合物去除效率得到穩(wěn)定提高，也更有利于穩(wěn)定人工濕地系統(tǒng)的去除性能。其中生物炭自身就具有著明顯的吸附能力，將生物炭作為固定化載體，讓菌體得到吸附和固定之后，最大程度上避免各種菌類的競爭，避免外界因素影響到菌體，有利于保障菌體穩(wěn)定性。當(dāng)生物炭進(jìn)行菌體固定化處理之后，菌體濃度也會隨著水體流失出現(xiàn)大幅度降低，這也推動了生物炭固定化的高效使用，讓人工濕地凈化效率得到保障。

2.4 動力學(xué)模型

在模擬實(shí)驗(yàn)中，利用Monod的動力學(xué)模型對菌劑去除氮素過程進(jìn)行模擬[3]。首先先要假設(shè)降解過程是符合動力學(xué)模型的，其中連續(xù)攪拌反應(yīng)器認(rèn)定為人工濕地系統(tǒng)中設(shè)置的主要反應(yīng)器，根據(jù)動力學(xué)模型的計(jì)算公式進(jìn)行分析。在生物炭固定化菌劑的一級降解反應(yīng)滿足動力學(xué)模型，經(jīng)過對固定化菌劑投入量的分析，分析出含氮化合物發(fā)生反應(yīng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生物炭固定化菌劑降解氮素的與測試和觀測值是互相吻合的，也就是說明生物炭固定化菌劑對氮素的降解是符合動力學(xué)模型的。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

生物炭固定化菌劑的接種量達(dá)到每升12毫克到60毫克的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)人工濕地系統(tǒng)良好的去氮素效果，綜合各方面因素，將接種量設(shè)定為每升42毫克，不僅能夠起到良好的凈化效果，也具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。在接種量為每升42毫克的時(shí)候，固定化菌劑對人工濕地系統(tǒng)氮素去除效果更好，且具有著穩(wěn)定的除氮素性能。在人工濕地系統(tǒng)中，生物炭固定化對含氮化合物的降解過程滿足動力學(xué)模型。

結(jié)論：綜上所述，本文首先分析了模擬實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法，然后對模擬實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了分析，先構(gòu)建人工濕地，分析了生物炭固化菌劑對氮素化合物的凈化作用，分析了模擬實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理，生物炭、菌劑接種量、水力停留時(shí)間、溫度都對氮素去除率有著顯著影響，最后進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黎雪然，王凡，秦華鵬，曾祥飛.雨前干旱期對生物滯留系統(tǒng)氮素去除的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，41（03）：118-123+140.

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