劉海超 馬金寶 石 雷 高會艷
(北京中水利德科技發(fā)展有限公司 北京 100070)
近年來,隨著城市化和工業(yè)化進程的加快,人們在日常生產(chǎn)、生活中向水體排放了大量有機污染物及氮磷污染物,水中營養(yǎng)物質(zhì)不斷增多,使得一些藻類生長旺盛、過量繁殖,藻類及一些浮游生物死亡后,被水體中的好氧微生物不斷分解,大量消耗了水體中的溶解氧,致使魚蝦類水生生物因缺少氧氣而不斷出現(xiàn)死亡,死亡的水生物殘體在腐爛過程中既污染水質(zhì),又將自身的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)釋放到水體中,供新一代的藻類生長所需,如此一來形成惡性循環(huán),致使藍藻爆發(fā)而引發(fā)“水華”現(xiàn)象。同時,由于水體缺氧,水中有機物質(zhì)及水生物殘體分解不徹底,容易形成“黑臭水體”,會對人們的生活造成極其不利的影響[1]。因此,研究水體中氮的轉(zhuǎn)化及去除十分必要。
該試驗在某養(yǎng)殖場的廢水中取樣,試驗在56cm×41cm×28cm 的塑料箱內(nèi)進行,水箱體積約64L。試驗共設(shè)1 個空白組和3 個處理組,依次為1#(空白組,CK)、2#(只加入微生物菌劑)、3#(加入微生物菌劑,另加曝氣)、4#(加入菌劑,另加生物膜),其中菌劑加入量為1g/桶[2]。
試驗中生物膜為活性炭纖維生物草,由日本水利用工法研究會會長、日本群馬工業(yè)學校小島昭教授發(fā)明,其比表面積大于1000 m2/g;微生物菌劑為碧沃豐生物科技有限公司所生產(chǎn)的BZT 凈水系列。
該試驗主要研究氮的轉(zhuǎn)化、去除,所測水質(zhì)指標有TN、NH3-N、NO3--N、COD、亞硝化細菌數(shù)量,各指標測定均采用國家標準方法[3]。TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,NH3-N 用納氏試劑比色法,NO3--N 用紫外分光光度法,COD 用高錳酸鉀法,微生物測定用多管發(fā)酵法。
以4#水樣為例來說明凈水過程中氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系,如圖1 所示。
圖1 氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系
凈水過程中氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2 所示。其中,0~20d 主要進行氨化作用。氨化作用是指有機氮轉(zhuǎn)化成氨氮,總氮包括氨氮、硝態(tài)氮、有機氮等形態(tài),總氮減去銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可近似認為等于有機氮,可以看出該過程中有機氮逐漸降低,氨氮逐漸增加,說明有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮。同時,該過程也有一定反硝化作用。反硝化作用主要是水體中原來含有的硝態(tài)氮被反硝化轉(zhuǎn)化成N2,可以看出該過程中硝態(tài)氮呈降低趨勢,總氮亦呈降低趨勢。20~44d 主要進行硝化作用,硝化作用過程是指氨氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮,可以看出,此過程中氨氮逐漸降低,硝態(tài)氮逐漸增加,總氮變化不顯著。50~56d 主要進行反硝化過程。反硝化過程是指硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成N2釋放到大氣中,可以看出該過程中硝態(tài)氮降幅較大,總氮降幅較大,且兩者降低幅度大體一致。
圖2 凈水過程中氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系示意圖
凈水過程中曝氣對氮轉(zhuǎn)化的影響如圖3 所示。從圖中可以看出,0d 時,1#CK 和3#曝氣的氨氮起始濃度差別不大,但到4d、9d 時,1#氨氮分別增加了5.22mg/L、10.76mg/L,增幅分別為40.5%、83.48%,3#氨氮分別增加了9.8mg/L、19.44mg/L,增幅分別為68.48%、135.85%,據(jù)此得出結(jié)論,曝氣對氨化作用有較強促進作用。3#在28d 時已進行明顯硝化作用,而1#到44d 才開始進行明顯硝化作用,且硝化作用進行的程度不如3#,可得出曝氣對硝化作用也有明顯促進作用的結(jié)論。而在條件適宜情況下,1#反硝化作用較為徹底、速度較快在50~56d 時只需5d 作用即可完成,3#則要在50~67d 時并且需要17d 的作用才可徹底完成,說明曝氣對反硝化作用有較明顯抑制作用。
圖3 凈水過程中曝氣對氮轉(zhuǎn)化的影響
氨化過程和硝化過程都需要消耗氧,試驗之初,水樣中同時存在有機氮和氨氮,但有機物優(yōu)先得到氧進行氨化作用。這是由于自養(yǎng)型硝化細菌、亞硝化細菌對氧和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭能力不如異養(yǎng)型氨化細菌,難以形成優(yōu)勢菌群[4]。因此,該試驗中一直到有機氮所剩不多,即氨化作用進行較完全時,才可以進行硝化作用。
凈水過程中生物膜對氮轉(zhuǎn)化的影響如圖4 所示。從圖中可以看出,生物膜對氨化作用并無顯著作用,銨態(tài)氮濃度與空白組一直相差不大。不過,生物膜對硝化作用有較明顯的促進作用,20d 時,4#與1#硝態(tài)氮均被反硝化消耗掉,濃度分別為0.72mg/L、0.65mg/L,但4#在28d 時就開始進行硝化作用,而1#在44d 時硝態(tài)氮濃度才開始顯著增加,且硝態(tài)氮增加量不如4#多;32d 時,4#與1#硝態(tài)氮濃度分別為2.17mg/L、0.29mg/L;44d 時,4#與1#硝態(tài)氮濃度分別為16.68mg/L、10.8mg/L,因此生物膜對硝化作用有較明顯促進作用。對于反硝化作用,生物膜比表面積大,微生物容易附著在其上生長,且可以形成局部厭氧區(qū),理論上應(yīng)該對反硝化有促進作用,但在該試驗中并未體現(xiàn)出來。原因可能是50~56d 時,兩者均進行反硝化,但可以看出,反硝化進行的程度取決于硝態(tài)氮濃度,條件適宜時,幾乎所有硝態(tài)氮都被反硝化,硝態(tài)氮含量成為限制因子,因此生物膜對反硝化的作用在該試驗中并未體現(xiàn)出來,需做進一步研究。
圖4 凈水過程中生物膜對氮轉(zhuǎn)化的影響
在該試驗中,2#與1#各指標均很接近,無顯著性差異,說明只加微生物菌劑對凈水無顯著作用。該結(jié)果的原因可能是投入水中的菌株不能成為優(yōu)勢菌群,會很快在水環(huán)境中消失。
不同因素對COD 去除的影響關(guān)系如圖5 所示。從圖中可以看出,3#即曝氣對COD 去除的影響較大。試驗第2d、4d、7d,3#的COD 去除 率 分 別 為61.8%、84.6%、88.5%, 而1# 在第2d、4d、7d 時,COD 去 除 率 分 別 為50%、59.3%、72.5%,直到20d,3#的COD 值明顯低于1#。因此,可以看出3#與1#之間存在顯著性差異,曝氣有利于COD 的去除;2#、4#與1#之間并無顯著性差異,對COD 去除無明顯作用。
另外,3#在20~32d,1#、2#、4#在36~50d,COD 均有明顯增加現(xiàn)象,這種現(xiàn)象是由于該試驗方法原理的局限性所致。COD 即高錳酸鉀指數(shù),常用于地表水的測定,但由于高錳酸鉀氧化性限制,有時并不能完全氧化水中的一些復雜有機物,導致測量值較實際值偏低。3#在20~32d 時所測的COD 逐漸增加,可能是由于這段時間內(nèi)水中復雜有機物被微生物氧化分解為簡單有機物,這些簡單有機物是可以被高錳酸鉀氧化的,從而導致所測COD 增加。而且,結(jié)合硝態(tài)氮數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),20~32d 這段時間內(nèi),3#進行了明顯的硝化作用,硝態(tài)氮顯著增加,這也可以作為一個佐證。同樣,1#、2#、4#在36~50d 進行了明顯的硝化作用,微生物活動旺盛,也導致了COD 增加。因此,這兩個時間段雖然COD 增加,但卻可以認為水質(zhì)得到了進一步的凈化[5]。
為探索多管發(fā)酵法在水環(huán)境質(zhì)量中的檢測、預(yù)測作用,于試驗第20d、38d 取樣,測定水中亞硝化細菌含量,結(jié)果如表1 所示。結(jié)合硝態(tài)氮數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),20d 時,4 個水樣硝態(tài)氮含量均較低,且無顯著性差異,但所測亞硝化細菌數(shù)量差別顯著,3#明顯高于1#(空白),4#略高于1#,2#等于1#;28d 時,測得1#、2#、3#、4#的硝態(tài)氮含量,分別為0.37mg/L、0.49mg/L、20.88mg/L、1.88mg/L,硝態(tài)氮含量的增加與之前所測MPN 值完全一致,具有較高正相關(guān)性;36d時,測得1#、2#、3#、4#的硝態(tài)氮含量,分別為0.38mg/L、0.4mg/L、22.12mg/L、4.73mg/L,3#硝態(tài)氮最高,但38d 時所測結(jié)果顯示,3#的MPN 值并不是最高,4#的最高;44d 時,4#的硝態(tài)氮含量分別為10.8mg/L、9.26mg/L、17.4mg/L、16.68mg/L,說明這段時間3#在進行反硝化,1#、2#、4#在進行硝化過程,4#程度最大,其MPN 值也最高,顯著高于1#,這段時間內(nèi)硝化過程的進行與所測MPN 值也具有較高正相關(guān)性。因此,理論上講MPN 法可以預(yù)測水質(zhì)中氮的轉(zhuǎn)化,具有較高相關(guān)性,但由于MPN 實驗本身所需時間較長,故而在實際操作中應(yīng)用不廣泛。
表1 不同時間各水樣的MPN 值(亞硝化細菌計,單位:MPN/mL)
對比分析試驗數(shù)據(jù)可知,該試驗過程中,曝氣對氨化和硝化有明顯的促進作用,對反硝化有明顯的抑制作用。有研究指出[6][7],好氧條件下也可以進行反硝化作用,本試驗過程中未體現(xiàn)出好氧反硝化。
該試驗中,生物膜對氮的轉(zhuǎn)化影響不顯著,試驗組與空白組差別不大,原因可能是微生物并沒有在生物膜上大量繁殖。
該試驗中,微生物菌劑對氮的轉(zhuǎn)化影響不顯著,可能是所投加的微生物菌劑由于環(huán)境不適應(yīng)或其它原因,沒有成長為優(yōu)勢菌種。微生物菌劑對氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系的影響需要進一步研究。
該試驗過程中發(fā)現(xiàn),曝氣對COD 的去除影響較大,具有明顯的促進作用。微生物菌劑和生物膜在單一條件下,對COD 的去除影響不顯著。