新型粉煤灰陶粒固定化有效微生物群落對模擬水產養殖廢水凈化效果

陳 爽，王良愷，文 濤，毛欣宇，許 明，邵孝侯

（1. 河海大學 農業工程學院，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3. 北京禹冰水利勘測規劃設計有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210036；4. 江蘇省環境科學研究院，江蘇 南京 210036）

集約化水產養殖中餌料的大量投放使得養殖廢水富含氮、磷有機物，這些有機物具有分散廣和難以收集的特點，易造成水體富營養化，給農村生態環境甚至是飲水安全造成危害[1?2]。養殖廢水微生物處理具有成本低、環境友好等優點，是削減污染水體氮、磷污染物的有效途徑之一[3]，其中以硝化/反硝化為主要機理的微生物凈水技術已在養殖廢水的原位修復中得到了廣泛應用。PAN等[4]將復合微生物制劑在水體形成的菌絲球用于高效收獲藻類凈化富營養水體。DENG等[5]利用具有反硝化特性的施氏假單胞菌Pseudomonas stutzeri與蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus凈化草魚Ctenopharyngodon idellus魚塘水體，發現水中氮污染物最高降低了54.8%。杜聰等[6]研究發現：微生物菌劑可以改善黑臭水體水質及修復生物多樣性。受環境因素影響，外源微生物進入修復水體環境后活性和穩定性往往受到抑制[7]，利用載體對微生物進行固定可提升其適應能力，同時強化其對水體中氮、磷的去除效率[8]。常用的微生物固定化方法有包埋法、吸附法、交聯法等，相較于吸附法，其他方法應用成本較高[9]，難以在養殖廢水處理中推廣。吸附法操作簡便，微生物可在吸附材料表面2周左右自然成膜，是快速制備固定化微生物的有效方法，應用于養殖廢水凈化前景廣闊[10?11]。粉煤灰具有較高比表面積且表面富含鋁、硅等氧化物，是一種廉價且吸附性能優異的微生物載體材料[12?13]。邵青等[14]在質量比m(粉煤灰 )∶m(污泥)∶m(添加劑)=7∶2∶1，1 000 ℃條件下燒制的陶粒比表面積可達2.66，顆粒強度達143 N。此外，有效微生物群落(effective microorganisms，EM)是以光合菌為中心，與固氮菌并存、繁殖，混合后培養出的多功能微生物群落，已被廣泛運用于富營養水體的修復。胡京等[15]發現EM可有效降低幼刺參Apostichopus japonicas養殖水體中化學需氧量(COD)、非離子氨等含量，水體凈化效果顯著。梅立永等[16]也發現：投加EM可有效降低水中溶解氧(DO)濃度，投加22 d后，水體中化學需氧量、氨氮、總氮、總磷的最大去除率分別可達52.4%、42.6%、41.6%和22.1%。筆者前期的研究結果表明：粉煤灰與活性底泥富含二氧化硅，制作陶粒易于成型并具有一定機械強度，且活性底泥與粉煤灰共同燒結可顯著提升陶粒的比表面積和孔隙度，是吸附水體氮磷和固定EM的良好材料。此外，粉煤灰含有三氧化二鋁、氧化鎂、三氧化二鐵等氧化物，可與污水中的磷酸鹽生成沉淀，輔以EM的脫氮除磷功能，可強化水體營養鹽污染物的去除。因此，本研究以粉煤灰與活性底泥為主要原料，與鐵粉和碳酸鈣粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通過制作陶粒的性能和其對氮、磷的吸附效果確定最佳配比粉煤灰陶粒。通過粉煤灰陶粒固定化EM聯合修復模擬水產養殖廢水，分析其對水體中氮磷的去除率，討論相關凈化機理，為EM粉煤灰陶粒在水產養殖廢水凈化中的應用提供理論和實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

粉煤灰取自某熱電廠的干排粉煤灰。X射線熒光光譜(XRF)成分分析表明：粉煤灰中的主要成分(質量分數)：二氧化硅56.42%、三氧化二鋁24.33%、三氧化二鐵4.28%、氧化鈣3.36%、氧化鎂1.44%、氧化鉀1.37%、其他8.80%；池塘底泥，取自淮安白馬湖水產養殖池塘，黑色，具臭味，自然風干后，105 ℃烘干，粉碎后過100目篩；還原鐵粉、碳酸鈣粉末、EM原液(南京愛睦樂生物技術有限公司生產，有效菌數量約1.0×1012個·L?1)、糖蜜。

1.2 粉煤灰陶粒固定化EM的制備

將EM原液、糖蜜、去離子水、質量濃度為2%的鈣離子(Ca2+)溶液按1∶1∶6∶2的體積比例混合，轉入發酵瓶中，150～220 r·min?1恒溫震蕩發酵4～6 d(常溫密閉條件)，制得含螯合態鈣成分的EM菌液。將粉煤灰、活性底泥、鐵粉 (氧化鐵和二氧化三鐵)、碳酸鈣按一定質量百分比均勻混合(表1)，洗凈、滅菌后烘干，將混合物放入造粒機中造粒，烘干，于1 100 ℃下燒結，制得粉煤灰陶粒。將粉煤灰陶粒與EM菌液混合浸泡2 d，使菌液均勻地吸附于粉煤灰陶粒表面，制成固定化EM粉煤灰陶粒 (0.3～0.5 g·粒?1)。

表1 粉煤灰陶粒各成分質量分數Table 1 Percentage of each component of the fly ash ceramsite

1.3 粉煤灰陶粒組分變化和投加量對氮、磷吸附的影響

分別稱取1.17 g氯化銨，0.13 g磷酸二氫鉀溶于1 L水中，制得氨氮質量濃度為30 mg·L?1、磷酸根質量濃度為30 mg·L?1的氮、磷溶液。取250 mL氮、磷溶液，分別加入不同組分的粉煤灰陶粒，設置處理為T1、T2、T3，每個處理粉煤灰陶粒投放量為7個梯度(0.2、0.4、0.8、1.0、2.0、5.0 g)。將混合溶液在室溫 125 r·min?1條件下連續振蕩 24 h，分別在 1、2、4、8、12、24 h 取水樣，離心、0.45 μm濾膜過濾后，比色測定上清液總氮和總磷。

1.4 EM對粉煤灰陶粒吸附氮磷的強化效果

稱取氯化銨1.19 g，硝酸鉀0.04 g，磷酸二氫鉀0.09 g，葡萄糖0.47 g，加入到1 L的水中，配制氨氮、總氮、總磷及化學需氧量質量濃度分別為50、55、20、500 mg·L?1的水產養殖污水。取250 mL配制水樣，通過以上實驗確定合適投加量，分別加入不同組分的粉煤灰固定化EM陶粒，常溫條件下曝氣培養6 d，隔1 d采集水樣，測定氨氮、總氮、總磷質量濃度。

1.5 指標測定及數據統計方法

總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；總磷采用鉬酸銨分光光度法測定；電鏡采用Hitach S-480型掃描電子顯微鏡(日本Hitach公司)。數據取3次重復的平均值，用SPSS 18.0 軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，各因素不同水平的差異采用LSD法進行多重比較，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同組分粉煤灰陶粒表征

由15 000倍下的掃描電子顯微鏡圖(圖1)可知：T1與T2相較于T3處理的表面孔隙較多，相對粗糙，其中T2表面最為粗糙，表面溝壑結構明顯。根據表2粉煤灰陶粒性能可知，T3粉煤灰陶粒磨損率為1.78%，比表面積為1.42 m2·g?1，說明粉煤灰陶粒具有一定的耐久度以及較高的比表面積。進一步分析各組粉煤灰陶粒的元素組成，T1和T2的鐵質量分數遠高于T3。結合李亮等[17]的研究與表3可以判斷，T1、T2表面的顆粒物質可能為鐵氧化物，為粉煤灰陶粒吸附氮磷提供強化效果。

圖1 不同配比粉煤灰陶粒掃描電子顯微鏡照片(15 000倍)Figure 1 SEM photo of fly ash ceramsite with different proportions (×15 000)

T1和T2在硅、鎂、鋁、鉀等元素的質量分數也有明顯差異，這應該是由于制作時添加的粉煤灰與池塘底泥配比不同造成的。粉煤灰陶粒含有硅、鋁、鐵、鎂等金屬氧化物，且富含羥基、羧基等含氧官能團，有效提高陶粒表面的親水性，也促進了陶粒對氮、磷的吸附[18]。相較于T1與T2，T3的陶粒沒有加入鐵粉，而T1與T2的孔隙率高于T3，并且具有較大的比表面積，證明鐵粉可改變粉煤灰陶粒表面的孔隙結構，緩解固液相間的阻力，促進毛細管作用對氮、磷的吸附，并通過表面張力將其束縛，強化粉煤灰陶粒對氮、磷理化吸附效果。

2.2 粉煤灰陶粒對氮、磷吸附特性

如圖2所示：粉煤灰組分含量較低時，所制備陶粒對氮、磷具有一定吸附作用，但效果并不理想，吸附前2 h，氮、磷吸附速率最大，隨后吸附趨于穩定。T1和T2中氮、磷的吸附效果遠高于T3，表明陶粒中粉煤灰與氧化鐵發生化學反應生成的結合體可強化對氮、磷的吸附。這與鮑騰等[19]、茹菁宇等[20]的研究結論一致。

表2 不同配比的粉煤灰陶粒性能Table 2 Properties of fly ash ceramsite with different proportions

表3 各組粉煤灰陶粒元素質量分數Table 3 Percentage of element composition of fly ash ceramsite in different groups

圖2 投加5 g不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷隨時間變化曲線Figure 2 Curve of nitrogen and phosphorus adsorbed by fly ash ceramsite on 5 g with different proportions under untreated conditions

進一步采用Langmuir和Freundlich吸附方程對實驗數據進行擬合。Langmuir等溫線是單層吸附，假設表面上有均勻的能量位點，其線性形式由以下方程表示[21]：

式(1)中：Qe(mg·kg?1)是粉煤灰陶粒上的平衡氮磷質量分數，Ce(mg·L?1)是溶液中的平衡氮磷質量濃度，Qm(mg·kg?1)是最大單層氮磷吸附容量，kL(L·mg?1)是吸附常數。

Freundlich等溫線是用于描述非均質系統的經驗吸附方程，其線性化形式寫成[22]：

式 (2)中：KF[(mg·kg?1)·(mg·L?1)?1/n]和 1/n是 Freundlich 常數，分別與吸附容量和吸附強度有關。

模型擬合的結果及相關參數如圖3和表4所示。結果顯示：不同組分粉煤灰陶粒對氮磷的吸附特征均符合Langmuir(R2＞0.982)和Freundlich (R2＞0.971) 等溫方程，表明吸附前期陶粒主要通過物理吸附方式吸附水體氮、磷，T2的粉煤灰陶粒最大單層氮磷吸附容量可分別達到1 652.0和1 113.7 mg·kg?1。

圖3 各梯度不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷的Langmuir和Freundlich擬合曲線Figure 3 Langmuir and Freundlich fitting curves for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions under untreated conditions

表4 不同配比粉煤灰陶粒吸附氮磷的Langmuir和Freundlich數Table 4 Langmuir and Freundlich constants for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions

2.3 粉煤灰固定化EM陶粒去除氨氮、總氮和總磷的效果

根據等溫吸附試驗確定了粉煤灰陶粒的投加量5 g凈化效果較好，加入5 g不同配比粉煤灰EM陶粒對模擬水產養殖廢水的氨氮及總氮去除效果進行研究，結果如圖4所示。處理6 d后，T1、T2和T3的氨氮去除率分別為90.50%、98.67%和83.81%，總氮去除率分別為92.18%、93.80%和70.91%。由此認為：EM可以提升粉煤灰陶粒對氨氮及總氮的去除效果，提升程度受粉煤灰陶粒中粉煤灰與鐵粉的比例影響。T1較T2的粉煤灰陶粒的粉煤灰含量低10%，陶粒的孔隙較少，且生物相容性較差，吸附的微生物量較少，導致T1氨氮及總氮去除效果相對較差。此外，當鐵粉比例較低時，陶粒表面鐵氧化物質量分數減少，比表面積和含氧官能團含量下降，也會導致微生物負載量下降，因此，T3中的氨氮及總氮去除效果受到了一定影響。各處理氨氮質量濃度在3 d時大幅下降，氨氮去除率高達78.89% ～85.55%。這是由于實驗初期分解氨氮的硝化細菌并未活化，隨著時間推移，硝化細菌經過擴繁逐漸適應水體環境，進而開始發揮作用，大量分解氨氮。各處理總氮質量濃度在5 d后維持相對穩定，可能是由于微生物所需碳源匱乏，抑制了其脫氮功效，這與唐海芳[23]的研究結果一致。T2中氨氮及總氮的去除效果最好，說明添加鐵粉并調節好其與粉煤灰的配比有利于提升粉煤灰EM菌陶粒的氮素凈化效果。

圖4 不同配比的5 g粉煤灰陶粒固定化EM菌處理下氨氮及總氮質量濃度隨時間變化曲線Figure 4 Curves of NH4+ and TN Concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

圖5 不同配比的5 g粉煤灰陶粒固定化EM菌處理下總磷質量濃度隨時間變化曲線Figure 5 Curves of TP concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

不同配比EM粉煤灰陶粒對總磷的去除效果如圖5所示。各處理總磷質量濃度隨處理時間呈降低—升高—降低的變化規律。實驗結束后，T1、T2和T3總磷去除率分別為37.35%、45.35%和29.00%。各時段T2的總磷去除效果最好，這主要與EM去除總磷的機理有關。EM中的聚磷菌在厭氧條件下可將聚磷酸鹽以-P等形式釋放，并在好氧條件下通過氧化分解反應將其脫除[24]。相比T1和T3，T2處理陶粒表面附著的有效微生物較多，因此總磷的去除效果最優。此外，由于在T2陶粒中添加了鐵粉，其表面的氧化鐵、三氧化二鐵在水中的水解產物氫氧化鐵可與游離態的磷酸根相結合形成沉淀，因而也促進了總磷的去除。本研究中，相較于氮，總磷去除率并不高。一方面由于微生物新陳代謝的持續進行大量消耗了水中的溶解氧導致被聚磷菌吸收的磷二次釋放，另一方面微生物細胞的衰老破裂也會導致磷的二次釋放。

由圖4和圖5還可看出：實驗結束后，較空白處理，T2中的氨氮、總氮和總磷去除率分別提高了約70%、60%和25%，表明EM菌強化粉煤灰陶粒去除氮、磷的效果顯著。盡管多孔結構，陶粒對氮、磷有一定吸附作用，但由于得不到降解，這部分被吸附的氮、磷依舊存在二次污染的風險，而通過將微生物固定化在粉煤灰陶粒中，可提高微生物對水體環境的適應能力，充分發揮其對氮磷污染物的降解作用，更加有效地提升對水質的凈化效果。

3 結論

本研究以粉煤灰與活性底泥為主要原料，與鐵粉和碳酸鈣粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通過制作陶粒的性能和其對氮、磷的吸附效果確定最佳配比粉煤灰陶粒，并與EM聯合凈化模擬水產養殖廢水得出以下結論。①通過等溫吸附試驗，發現前2 h吸附速率較快，比較對氮磷的去除率，篩選出最佳配比的煤灰陶粒中質量比為m(粉煤灰)∶m(活性底泥)∶m(碳酸鈣)∶m(鐵粉)=50∶40∶5∶5。② T2粉煤灰陶粒單獨對總氮、總磷的去除率分別為29.89%和20.50%，在與EM聯合作用后總氮、總磷去除率最大可達93.80%和45.35%。說明粉煤灰陶粒與EM聯合作用下，微生物是水體中氮去除的主力軍，對磷的去除亦有一定作用。將微生物固定化在粉煤灰陶粒中，能進一步發揮微生物對水體中氮磷的凈化作用。③粉煤灰陶粒的磨損率和比表面積最高為1.78%和2.21 m2·g?1，表明利用粉煤灰燒制的陶粒具有較強的耐久性，且燒制表面孔隙成形較好；加入適量鐵粉后，陶粒燒制過程中生成的鐵氧化物能夠改變粉煤灰陶粒的表面特征，增強對氮磷的吸附作用。④試驗表明：陶粒浸泡在EM復壯液中，一段時間后能吸附微生物成膜，可作為生物濾池、生態濕地的生物填料部分，固定化微生物防止其流失、擴散到自然水體，造成潛在生態問題。今后研究中可選取特定微生物菌種來代替EM，進一步強化微生物對特定污染物的去除作用。