一、材料與方法
1.1 試驗材料
鋁污泥取自給水廠，主要成分為Al2O3，濃度為38.62%~45.84%，體積密度為(1.18±0.10)g∕cm3，孔隙率為40%，比表面積為21.54~36.50m2∕g，電導(dǎo)率為0.0104~0.0140S∕m。
鋁污泥原料經(jīng)過攪拌、造粒后，在105~120℃下烘干2~3h，以去除水分，在500~600℃無氧焙燒6~8h，自然冷卻后裝入40cm×8cm×8cm尼龍網(wǎng)袋，制備成鋁污泥生物填料。
聚丙烯纖維生物填料從市場上購得，密度為0.90~0.92g∕cm3，長度為40cm，直徑為8cm。
狐尾藻取自南京市某湖泊，將狐尾藻置于有機玻璃柜中用自來水曝氣培養(yǎng)，每隔3d換1次水，保證植物表面吸附的懸浮物被氣流沖洗干凈。
1.2 水質(zhì)分析
試驗用水取自南京市江寧區(qū)外港河，河道寬為10m，流速為0.54m∕d，CODCr為120mg∕L，TP濃度為4mg∕L，TN濃度為20mg∕L，NH3-N濃度為10mg∕L，pH為5.5~6.5。
1.3 生物填料小試系統(tǒng)在河邊構(gòu)建生物填料小試系統(tǒng)，如圖1所示
小試系統(tǒng)主要包括進(jìn)水池、控制區(qū)、生物填料區(qū)等單元，其中生物填料區(qū)由4種處理組組成，即聚丙烯纖維生物填料組、鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組，各組均另設(shè)1個平行試驗，取平均，承載聚丙烯纖維生物填料和鋁污泥生物填料的網(wǎng)架均采用鋼結(jié)構(gòu)，生物膜掛膜采用自然掛膜，網(wǎng)架置于水面以下，將生物填料沿池體長邊間隔8cm依次系掛于網(wǎng)架上，水流平行方向設(shè)7行，垂直方向設(shè)4行，狐尾藻種植于生物填料區(qū)的上部，種植密度為100株∕m2。小試系統(tǒng)各部分規(guī)格如表1所示，生物填料與孤尾藻組合組剖面如圖2所示。
為保證小試系統(tǒng)中狐尾藻的穩(wěn)定生長和生物膜的自然掛膜，在運行1個月后正式開始試驗。試驗采用連續(xù)進(jìn)水方式，通過蠕動泵調(diào)節(jié)進(jìn)水流速，均由頂部進(jìn)水和出水。該小試系統(tǒng)處理水量為360L∕d，表面水力負(fù)荷為0.3m3∕(m2·d)，水力停留時間為2d。測定系統(tǒng)出水水質(zhì)，主要檢測TP、TN、NH3-N濃度及CODCr。CODCr采用重鉻酸鹽法測定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(紫外可見分光光度計，UV1200，MAPADA)測定，TN和NH3-N濃度采用氣相分子吸收光譜法(氣相分子吸收光譜儀，GMA3510，森普)測定。
二、試驗結(jié)果
2.1 溶解氧濃度
選取出水口水深10cm處作為溶解氧(DO)濃度監(jiān)測點，考察小試系統(tǒng)運行期間不同處理組出水DO濃度隨時間的變化，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，試驗運行期間，各處理組DO濃度分別為：聚丙烯纖維生物填料組，3.2~4.3mg∕L，鋁污泥生物填料組，3.5~4.4mg∕L，聚丙烯纖維-狐尾藻組，6.2~7.1mg∕L，鋁污泥-狐尾藻組，6.1~7.2mg∕L。2個組合組DO濃度變化趨勢一致，且水體DO濃度遠(yuǎn)高于生物填料組。生物填料組和組合組水體DO濃度均達(dá)到GB3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 pH
系統(tǒng)運行期間不同處理組的出水pH隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，不同處理組的出水pH差異較大，其中鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH較為穩(wěn)定，在7附近波動，聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH隨時間變化波動范圍較大，聚丙烯纖維-狐尾藻組出水pH維持在6.5以上，而聚丙烯纖維生物填料組出水pH基本在6.5以下，與進(jìn)水pH相差不大。
2.3 CODCr的去除效果
系統(tǒng)運行期間不同處理組的出水CODCr隨時間的變化如圖5所示。由圖5可知，不同處理組對CODCr的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組對CODCr的去除效果最好，平均去除率為74.62%，聚丙烯纖維-狐尾藻組次之，平均去除率為69.71%，鋁污泥生物填料組對CODCr去除效果較差，平均去除率為65.96%，聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，平均去除率僅為59.94%。鋁污泥-狐尾藻組的出水平均CODCr可達(dá)到GB3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<30mg∕L)，聚丙烯纖維-狐尾藻組、鋁污泥生物填料組的出水平均CODCr達(dá)到GB3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(<40mg∕L)，聚丙烯纖維生物填料組對CODCr有一定的去除效果，但其出水平均CODCr處于較高水平，未達(dá)到GB3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。
2.4 TP的去除效果
系統(tǒng)運行期間不同處理組出水TP濃度隨時間的變化如圖6所示。由圖6可知，不同處理組對TP的去除效果為鋁污泥-狐尾藻組>鋁污泥生物填料組>聚丙烯纖維-狐尾藻組>聚丙烯纖維生物填料組。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組TP去除效果較好，平均去除率分別達(dá)93.59%和93.38%，其次是聚丙烯纖維-狐尾藻組，平均去除率為90.55%，聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，平均去除率為84.04%。鋁污泥-狐尾藻組和鋁污泥生物填料組出水TP平均濃度達(dá)到GB3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<0.3mg∕L)，聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TP平均濃度達(dá)到GB3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(<0.4mg∕L)，而聚丙烯纖維生物填料組出水TP平均濃度劣于GB3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。
2.5 TN、NH3-N的去除效果
系統(tǒng)運行期間不同處理組TN和NH3-N濃度隨時間的變化如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，含有鋁污泥的處理組出水TN、NH3-N濃度隨時間變化較含聚丙烯纖維的穩(wěn)定。鋁污泥-狐尾藻組對TN和NH3-N的去除效果最好，平均去除率分別達(dá)93.19%和96.46%，鋁污泥生物填料組去除效果次之，平均去除率分別為91.25%和94.42%，聚丙烯纖維-狐尾藻組TN和NH3-N平均去除率分別為91.29%和91.45%，聚丙烯纖維生物填料組去除效果最差，平均去除率分別為84.17%和88.39%。鋁污泥-狐尾藻組出水TN平均濃度達(dá)到GB3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<1.5mg∕L)，鋁污泥生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組出水TN平均濃度均達(dá)到GB3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(<2.0mg∕L)，而聚丙烯纖維生物填料組出水TN平均濃度劣于GB3838—2002Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。生物填料組和組合組出水NH3-N平均濃度均優(yōu)于GB3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(<1.5mg∕L)，尤其鋁污泥-狐尾藻組出水NH3-N平均濃度達(dá)到GB3838—2002的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(<0.5mg∕L)。
三、討論
3.1 水體DO濃度和pH對脫氮除磷的影響
DO濃度的高低直接影響著河道生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部好氧和厭氧微生物的活性，而微生物的硝化∕反硝化作用是主要的脫氮途徑。當(dāng)DO濃度高于1.7mg∕L時，硝化細(xì)菌可將水體中的NH3-N全部轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，DO濃度低于0.5mg∕L時，硝化細(xì)菌活性被抑制，水體中的NH3-N濃度逐漸增加，DO濃度為0.5mg∕L左右時，反硝化細(xì)菌大量富集，與藻類形成有利共生關(guān)系。本試驗中生物填料組出水DO濃度處于較高水平，這可能與生物填料組的整個水面均與空氣接觸有關(guān)，空氣中的氧氣自由進(jìn)入生物填料系統(tǒng)使水體DO濃度增加。生長茂盛的植物會影響空氣中的氧進(jìn)入水中，但組合組上部水體DO濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生物填料組，這是由于狐尾藻的根系泌氧等作用保證了系統(tǒng)上部的DO濃度，說明在試驗運行期間，組合組水體上部DO濃度可滿足系統(tǒng)中硝化細(xì)菌對DO的需求，有利于硝化作用的進(jìn)行。同時，組合組系統(tǒng)中部至下部的厭氧環(huán)境以及填料大量的孔洞空間為聚磷菌和反硝化細(xì)菌提供了良好生存環(huán)境，好氧與厭氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變和結(jié)合，使污水經(jīng)歷完整的吸附去除過程，從而使組合組獲得更好的脫氮除磷效果。
pH影響生物填料系統(tǒng)中微生物的存在形式。當(dāng)pH為4.0~6.0或大于9.5時，硝化細(xì)菌的生長會受到抑制。試驗運行期間，聚丙烯纖維生物填料組的pH低于6.5，不利于反硝化作用的進(jìn)行。由于鋁污泥含有大量具有緩沖作用的鋁離子及其聚合物，且狐尾藻也有升高水體pH的作用，因此鋁污泥生物填料組、聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH維持在6.5~7.5，有利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長和繁殖，促進(jìn)系統(tǒng)脫氮過程的進(jìn)行。
根據(jù)試驗結(jié)果，鋁污泥生物填料組對水體CODCr、氮、磷的去除較聚丙烯纖維生物填料組強，這可能是因為鋁污泥填料提供了更有利于微生物活動的微環(huán)境，如較大的比表面積，適宜的pH、DO濃度，以及較好的緩沖性能，狐尾藻聯(lián)合生物填料增強了對水體中CODCr、氮、磷的去除效果，其原因除了植物吸附吸收外，還可能與狐尾藻根系良好的微環(huán)境有關(guān)。
3.2 脫氮除磷機理探討
聚丙烯纖維-狐尾藻組和鋁污泥-狐尾藻組對CODCr去除的主要途徑有微生物的吸附降解、植物的吸附吸收和生物膜吸附沉淀等。可溶性有機污染物大多通過狐尾藻根系的吸附吸收被去除，非溶性有機污染物則被系統(tǒng)填料和植物根系截留，進(jìn)一步被微生物分解利用。
聚丙烯纖維生物填料組和聚丙烯纖維-狐尾藻組對磷的去除主要依靠生物膜中微生物和植物作用。相比聚丙烯纖維生物填料，鋁污泥生物填料自身對磷的吸附也占據(jù)重要作用。鋁污泥固定磷的途徑主要有離子交換作用、絡(luò)合作用、靜電作用。鋁污泥等電點約為6.4，系統(tǒng)進(jìn)水時的pH為5.5~6.5，說明此時鋁污泥表面主要帶正電荷，易于吸附水中的陰離子，此時水溶液中的磷主要以H2PO-4形式存在，有利于H2PO-4通過靜電作用被吸附在鋁污泥上。鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組出水pH相對原水的增大，與鋁污泥中大量—OH基團與PO3-4發(fā)生離子交換作用有關(guān)。另外，鋁污泥中的鋁主要以無定形形態(tài)存在，增大了對水體中磷的吸附能力，且鋁離子作為一種絮凝劑，能夠與水體中的陰離子反應(yīng)形成絮狀物，這些絮狀物對PO3-4也有吸附絡(luò)合作用。
生物填料與水生植物(狐尾藻)組合系統(tǒng)對氮的轉(zhuǎn)化途徑主要包括微生物作用和水生植物吸收作用。微生物將水體中的有機氮化合物分解為銨態(tài)氮，同時吸收銨態(tài)氮或硝態(tài)氮作為營養(yǎng)，硝化和反硝化細(xì)菌將水體中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，使水體中的氮得到有效且徹底的去除。水生植物在系統(tǒng)脫氮過程中也有著重要作用，其可直接吸收污染水體中的銨態(tài)氮或硝態(tài)氮作為營養(yǎng)，合成自身組織結(jié)構(gòu)所必需的物質(zhì)，使水體中的氮得到去除，水生植物具有間接脫氮作用，其龐大的根系可為微生物提供巨大的附著面積，其根部泌氧作用可增加系統(tǒng)內(nèi)的DO濃度，在根系附近形成氧化態(tài)的微環(huán)境，為脫氮微生物提供有利條件。另外，鋁污泥生物填料組和鋁污泥-狐尾藻組運行期間靠近出水口區(qū)域pH的增大，使OH-與NH+4發(fā)生中和反應(yīng)，且此時鋁污泥表面帶負(fù)電荷，亦可通過靜電作用吸附部分氮。
四、結(jié)論
(1)鋁污泥生物填料能調(diào)節(jié)水體pH，系統(tǒng)中加入狐尾藻可提高水體DO濃度，營造有利于微生物生存的微環(huán)境，強化對黑臭水體的脫氮除磷效果。
(2)鋁污泥生物填料組出水水質(zhì)優(yōu)于聚丙烯纖維生物填料組，出水水質(zhì)基本達(dá)到GB3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，鋁污泥-狐尾藻組對水體污染物的整體去除效果最好，出水水質(zhì)達(dá)到GB3838—2002的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。
(3)氮主要通過硝化∕反硝化細(xì)菌的分解轉(zhuǎn)化和植物的吸收轉(zhuǎn)化途徑去除，鋁污泥生物填料能營造良好的微生物生存環(huán)境，強化微生物降解作用，磷主要通過填料-植物-微生物的聯(lián)合作用去除，其中鋁污泥除了強化微生物作用外，其自身對磷的吸附配位交換、絡(luò)合和靜電作用使系統(tǒng)達(dá)到更好的除磷效果。
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