PHBV/火山巖/黃鐵礦協同強化處理養殖尾水效果分析

張海耿, 王芳穎, 曹鑫圓, 孫雅婷, 許中碩, 張宇雷, *

(1. 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所, 上海 200092; 2. 大連海洋大學 航海與船舶工程學院, 遼寧 大連 116000; 3. 鹽城工學院 海洋與生物工程學院, 江蘇 鹽城 224000; 4. 東華大學 環境科學與工程學院, 上海 200092)

0 引 言

我國是水產養殖大國,2022年全國水產養殖產量達到了5 565萬t,比2021年增長了3.71%。隨著水產養殖產業的逐漸擴大,在收獲巨量優質蛋白質的同時,也面臨著因養殖尾水無序排放帶來的環境污染問題[1]。根據第二次全國污染源普查公報,淡水池塘養殖的年總懸浮物(TSS)、化學需氧量指數(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)直接排放量分別約為2 280、200、100和5.0 kg/hm[2]。水產養殖尾水中的有機廢物和氮磷物質導致水體富營養化[3],不僅影響水生生物生存,也會對人類健康造成潛在的威脅[4]。為推進池塘養殖尾水達標排放或循環利用,強化漁業水域生態環境保護,江蘇等省份出臺了《池塘尾水排放標準》[5]等系列地方標準。

水產養殖尾水中的氮磷等污染物可通過物理或生物的手段進行處理。物理方法一般采用沉淀、機械過濾和泡沫分離等方法達到去除懸浮固體顆粒物的目的。生物修復主要通過功能性細菌分解和轉化養殖水體中的營養物質,然而,由于養殖尾水中的氮碳比偏低,需額外添加碳源以實現同步硝化反硝化[6]。聚己內酯(Polycaprolactone, PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(Polybutylene succinate, PBS)[7]和PHBV等可被生物降解的高分子有機聚合物因其具有緩慢釋放碳源的特性,常被用作碳源添加物。楊惠蘭等[8]研究發現PCL/玉米淀粉能夠實現生活污水長效穩定深度脫氮。對比PCL和PBS 2種材料的反硝化效果,發現PBS具有更高的脫氮效率[9]。楊帆等[10]采用雙螺桿擠出機制備了5種緩釋碳源復合材料,通過實驗發現HBE的反硝化效果最佳,對硝酸鹽氮去除率達到96%以上。PHBV[11]作為一種新型復合材料,其組成的脫氮系統具有更豐富的生物多樣性,有利于硝化反硝化反應進行[12],在脫氮領域已被研究并廣泛運用[13]。反硝化除磷(Denitrifying Phosphorus Removal, DPR)作為近年來熱門的水處理工藝,該工藝是反硝化菌在厭氧/缺氧交替的環境中通過一系列反應完成除磷的過程[14]。與傳統的除磷工藝相比,具有低曝氣能耗、高效率利用碳源的優勢,現階段被廣泛研究[15]。

現有的水產養殖尾水處理設施普遍存在處理效率低、占地面積大等問題,亟待研發高效合理的新型養殖尾水處理技術。作者團隊前期研究發現PHBV具有較好的脫氮效果,火山巖和黃鐵礦除了擁有一定的脫氮效果,還具有除磷的作用。然而,將PHBV、火山巖和黃鐵礦耦合于一體開展脫氮除磷的試驗鮮有開展。本試驗創新構建了以PHBV、火山巖和黃鐵礦為填料的生物過濾裝置,探討了不同填料質量比下裝置處理養殖尾水效果的差異,旨在摸清裝置運行時的最佳工藝參數,以期為解決養殖尾水高效脫氮除磷問題提供新思路和新方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本試驗選用PHBV顆粒(3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯共聚物,Poly 3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate),火山巖和黃鐵礦為填料(圖1),各填料的理化性質如下:PHBV顆粒(P (HB-co-HV),1% Hydroxyvalerate content)購買于寧波天安生物科技有限公司,該顆粒呈圓柱形,直徑約8 mm,高度約2 cm,干重約0.92 g/粒,表面積約16.4 cm2/g。火山巖是良好的生物膜載體,具有耐腐蝕,不參與生物膜反應,對微生物無毒無害、無抑制作用,并且親水性強等特點。孔隙率能達80%左右,含鐵、硅、鋁等元素,平均規格1～3 cm。黃鐵礦為鐵的二硫化物,含較多二氧化硅,呈淺黃銅色,硬度大,性脆,受敲打時易破碎,破碎面參差不齊。

圖1 填料實物圖Fig. 1 Physical drawing of packing material

1.2 試驗設計

試驗設計了2組不同填料填充量的生物過濾裝置(圖2),一組生物過濾裝置從上至下基質填充量依次為:黃鐵礦填充高度15 cm,火山巖和500 g PHBV混合填充高度15 cm,火山巖高填充度5 cm,裝置直徑10 cm,總高40 cm,記為柱1;一組生物過濾裝置從上至下基質填充量依次為:黃鐵礦填充高度10 cm,火山巖和500 g PHBV混合填充填充高度15 cm,火山巖填充高度10 cm,裝置直徑10 cm,總高40 cm,記為柱2。

圖2 生物過濾裝置Fig. 2 Biological filtration device

1.3 水質測定方法與數據處理

采用SPSS 20.0數據分析軟件對試驗進出水水質指標數據進行方差分析。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

2.1.1 生物過濾裝置進出水物理指標變化

圖3顯示了PHBV/火山巖/黃鐵礦生物過濾裝置進出水pH、DO、溫度和ORP變化情況。由圖3(a)可知,裝置運行第一階段,進水平均pH為7.66,出水pH低于進水,柱1和柱2的出水pH分別為7.37和7.16,第二階段顯示出相同的規律,但進出水差異值沒有第一階段大。

由圖3(b)可知,進水DO濃度為9.00～11.00 mg/L,而出水DO濃度顯著低于進水,在裝置運行第一階段,柱1和柱2的平均出水DO濃度分別僅為2.19、1.07 mg/L,且柱2出水平均DO濃度顯著低于柱1,而第二階段柱1和柱2的DO濃度差異不顯著(p>0.05)。

由于本試驗在冬天開展,氣溫較低,試驗運行過程中,僅對空氣進行了升溫,未對模擬養殖廢水進行控溫,故進水水溫顯著低于出水(圖3(c))。在裝置運行第一階段,出水水溫維持在20～24 ℃之間,在第二階段,出水最低水溫下降至16 ℃。

由圖3(d)可知,裝置運行期間,進水平均ORP值為136～155 mV,裝置運行前10 d,進出水ORP差異不大,而后出水平均ORP值顯著低于進水。在第一階段,柱1出水平均ORP值從221 mV下降至-121 mV,柱2出水平均ORP值從188 mV下降至-208 mV。第二階段,柱1和柱2出水ORP值呈現相似的規律。

由圖3(e)可知,柱1在第一階段和第一階段出水TOC變化不大,在6.00～13.00 mg/L之間,而柱2在第一階段出水TOC呈現顯著升高的趨勢,最近升至58.65 mg/L,在第二階段出水TOC呈現顯著下降的趨勢,最后數值與柱1濃度接近。

圖3 進出水物理水質指標變化情況Fig. 3 Changes in physical water quality indicators for influent and effluent water

圖4 進出水濃度變化情況Fig. 4 Changes in concentrations in influent and effluent water

圖6 進出水磷酸鹽濃度變化情況Fig. 6 Changes in phosphate concentration in influent and effluent water

2.2 討 論

2.2.1 PHBV/火山巖/黃鐵礦生物過濾裝置脫氮性能分析

2.2.2 PHBV/火山巖/黃鐵礦生物過濾裝置除磷性能分析

3 結 論

(1)本試驗構建了PHBV/火山巖/黃鐵礦耦合的高效生物過濾裝置,通過接種活性污泥,成功實現了養殖尾水的同步脫氮除磷,為處理水產養殖尾水提供了新的思路和方法。

(4)PHBV/火山巖/黃鐵礦耦合工藝中當DO濃度為1.2～1.5 mg/L時,可保證脫氮除磷的同時進行。未來擬采用高通量測序等方法分析該生物過濾裝置的細菌群落結構,以期闡明該工藝脫氮除磷的微生物學機制。