負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)水體氨氮的去除效果

陳迤岳，王 繁b*，丁佳棟，趙文婧，司維霞，楊婧婧，周鈺筠

(杭州師范大學(xué) a. 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b. 生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)杭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310036)

隨著世界人口的急劇增加、城市化進(jìn)程的不斷加快，以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量富含氨氮的廢水排入了江河湖海[1-3]。氨氮是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的元兇之一。富營(yíng)養(yǎng)化水體中的藻類會(huì)大量生長(zhǎng)繁殖[4-5]，致使水中溶解氧含量降低，水質(zhì)惡化，水中魚(yú)類及其他水生生物大量死亡[6]。目前，我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象較為嚴(yán)重[7-9]，去除水中過(guò)量的氨氮刻不容緩。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用生物法[10-12]、化學(xué)沉淀法[13]、折點(diǎn)加氯法[14]、反滲透法[15-16]、吹脫法[17]、汽提法[18]、離子交換法[19]等方法去除水中的氨氮。其中，生物法具有對(duì)水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、處理效果好、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，而物化法的處理效果穩(wěn)定、處理速度較快；因此，物化法與生物法相結(jié)合的處理方法成為關(guān)注的熱點(diǎn)。有學(xué)者將膜生物反應(yīng)器與反滲透法結(jié)合，處理焦化廢水中的氨氮，去除率高達(dá)99.8%[15]。

沸石是一種含水的具有四面體結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽天然礦石，對(duì)NH3等極性分子和微生物有很強(qiáng)的吸附能力。沸石種類豐富，價(jià)格低廉，已成為處理富營(yíng)養(yǎng)化水體的重要材料[20]。沸石對(duì)于氨氮及微生物有良好的吸附特性，因此，可利用天然沸石作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，配合微生物處理氨氮廢水。在天然沸石吸附氨氮的同時(shí)，利用微生物的硝化與反硝化作用脫氮，有望提升沸石對(duì)氨氮的去除效果。為此，特選擇負(fù)載EM菌的天然沸石進(jìn)行試驗(yàn)。首先考查吸附時(shí)間、沸石粒徑、沸石投加量及氨氮初始濃度對(duì)于天然沸石去除氨氮的影響，然后根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，選擇天然沸石負(fù)載EM菌，考查EM菌濃度、EM菌接觸時(shí)間對(duì)負(fù)載EM菌天然沸石去除氨氮的影響。為沸石聯(lián)合生物法處理污水氨氮提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用天然沸石產(chǎn)自河南鞏義，為斜發(fā)沸石，SiO2含量95%，密度1.8 g·cm-3，硬度4～5，孔隙率30%～50%，容量0.95%·cm-3，均勻系數(shù)k60≤1.5，不均勻系數(shù)k80≤1.8，比重1.6 g·cm-3。

EM菌由江西菌密碼生物有限公司提供，主要成分為硝化細(xì)菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌、地衣芽孢桿菌、光合細(xì)菌等。

1.2 方法

1.2.1 天然沸石去除氨氮試驗(yàn)

取洗凈烘干的天然沸石，稱取相同質(zhì)量，分別加入到盛有100 mL 10 mg·L-1氨氮的錐形瓶中，以200 r·min-1的速度恒溫振蕩，吸附不同時(shí)間后取上清液，采用連續(xù)流動(dòng)-水楊酸分光光度法(HJ 665—2013)測(cè)定上清液中的氨氮濃度，確定最佳吸附時(shí)間。根據(jù)確定的最佳吸附時(shí)間，稱取相同質(zhì)量、不同粒徑的天然沸石對(duì)100 mL 10 mg·L-1氨氮模擬溶液進(jìn)行吸附，測(cè)定上清液中的氨氮濃度，確定最佳沸石粒徑。根據(jù)確定的最佳吸附時(shí)間、最佳沸石粒徑，稱取不同質(zhì)量的天然沸石對(duì)100 mL 10 mg·L-1氨氮模擬溶液進(jìn)行吸附，測(cè)定上清液中的氨氮濃度，比較不同沸石投加量對(duì)氨氮去除的影響。根據(jù)最佳吸附時(shí)間，稱取等質(zhì)量的最佳粒徑的天然沸石對(duì)100 mL不同濃度氨氮模擬溶液進(jìn)行吸附，比較不同初始氨氮濃度對(duì)氨氮去除的影響。

1.2.2 天然沸石負(fù)載EM菌去除氨氮試驗(yàn)

將等質(zhì)量的天然沸石浸泡在不同濃度菌液中24 h后取出，對(duì)100 mL 10 mg·L-1氨氮溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，確定最佳菌液濃度。將等質(zhì)量的天然沸石在最優(yōu)濃度的菌液中分別浸泡6、12、24、48 h，對(duì)100 mL 10 mg·L-1的氨氮溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，確定天然沸石與菌液的最佳接觸時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然沸石去除氨氮

2.1.1 吸附時(shí)間的影響

天然沸石吸附時(shí)間對(duì)氨氮去除的影響如圖1所示，氨氮的去除率和吸附量變化趨勢(shì)一致，均在5 min時(shí)達(dá)到最高值，此時(shí)去除率為4.24%，吸附量為0.088 mg·g-1，說(shuō)明試驗(yàn)所用的天然沸石對(duì)于氨氮的吸附并不穩(wěn)定，去除率和吸附量在達(dá)到一個(gè)極值后會(huì)迅速下降?？赡苁怯捎谶^(guò)長(zhǎng)的吸附時(shí)間會(huì)導(dǎo)致氨氮從沸石中解吸出來(lái)。

圖1 吸附時(shí)間對(duì)沸石去除氨氮的影響

2.1.2 沸石粒徑的影響

如圖2所示，沸石的粒徑越小，對(duì)氨氮的去除率越高。該結(jié)果與以往的研究一致[21]。粒徑0.5～1 mm的天然沸石對(duì)氨氮的去除率為4.24%，而粒徑2～4 mm的天然沸石對(duì)氨氮的去除率只有1.4%。這是因?yàn)楫?dāng)沸石質(zhì)量一定時(shí)，粒徑小的天然沸石總的比表面積大，因此，對(duì)氨氮的吸附效果更好。

圖2 粒徑對(duì)沸石去除氨氮的影響

2.1.3 沸石投加量的影響

如圖3所示：天然沸石投加量為0.1 g時(shí)，氨氮去除率為2.1%，吸附量為0.464 mg·g-1；當(dāng)沸石投加量為2.5 g時(shí)，氨氮的去除率為8.73%，吸附量為0.036 mg·g-1。隨著沸石投加量增加，氨氮的吸附量減小，去除率增加，這與張文藝等[22]的研究一致。表明沸石投加量在達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加投加量，反而會(huì)降低單位沸石的吸附量。

圖3 投加量對(duì)沸石去除氨氮的影響

2.1.4 初始濃度的影響

如圖4所示：天然沸石對(duì)1 mg·L-1氨氮模擬溶液的去除率為5.05%，吸附量為0.011 mg·g-1，對(duì)20 mg·L-1氨氮溶液的去除率最高，達(dá)6.62%，吸附量為0.265 mg·g-1。天然沸石對(duì)氨氮去除率和吸附量均隨著氨氮初始濃度的增加而增加。當(dāng)天然沸石質(zhì)量一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)氨氮初始濃度越高，天然沸石對(duì)氨氮的去除效果越好。

圖4 氨氮初始濃度對(duì)沸石去除氨氮的影響

2.2 天然沸石負(fù)載EM菌去除氨氮

2.2.1 EM菌濃度的影響

如圖5所示：當(dāng)EM菌≤9.6×109mL-1時(shí)，隨著EM菌濃度的增加，負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)氨氮的去除率和吸附量逐漸增加；當(dāng)EM菌濃度為9.6×109mL-1時(shí)，負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)氨氮的去除率和吸附量最高，分別為18.90%和0.383 mg·g-1。此后，隨著EM菌濃度的增加，負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)氨氮的去除率及吸附量有所下降。

圖5 EM菌濃度對(duì)負(fù)載EM菌天然沸石去除氨氮的影響

2.2.2 EM菌與天然沸石接觸時(shí)間的影響

如圖6所示，EM菌與天然沸石接觸時(shí)間對(duì)氨氮去除率和吸附量的影響表現(xiàn)為先增加后減小。當(dāng)EM菌與天然沸石接觸6 h時(shí)，對(duì)氨氮的去除率和吸附量分別為4.81%和0.097 mg·g-1；當(dāng)接觸時(shí)間延長(zhǎng)至24 h，對(duì)氨氮的去除率和吸附量分別為24.79%和0.502 mg·g-1；繼續(xù)增加接觸時(shí)間至48 h，對(duì)氨氮的去除率和吸附量分別為9.37%和0.189 mg·g-1。

圖6 EM菌與天然沸石接觸時(shí)間對(duì)負(fù)載EM菌天然沸石去除氨氮的影響

2.2.3 負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)氨氮的去除效果

根據(jù)前述試驗(yàn)確定的最佳反應(yīng)條件(EM菌濃度，及EM菌與天然沸石的接觸時(shí)間)，制備負(fù)載EM菌天然沸石，對(duì)100 mL含10 mg·L-1氨氮的水體進(jìn)行吸附試驗(yàn)。結(jié)果表明，負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)氨氮的去除率和吸附量隨時(shí)間延長(zhǎng)表現(xiàn)為先增加后平衡的狀態(tài)，吸附3 d左右即達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，去除率和吸附量分別穩(wěn)定在21.81%～24.79%和0.441～0.502 mg·g-1(圖7)。相較于天然沸石，負(fù)載EM菌的天然沸石對(duì)氨氮的去除效果有所提升，且去除效果穩(wěn)定。

圖7 負(fù)載EM菌天然沸石對(duì)氨氮的去除效果

3 小結(jié)

本試驗(yàn)表明，粒徑0.5～1 mm的天然沸石吸附5 min，即對(duì)100 mL含10 mg·L-1氨氮的模擬溶液達(dá)到最高去除率和吸附量。在此條件下，增加沸石投加量或減小初始氨氮初始濃度均會(huì)降低單位質(zhì)量天然沸石對(duì)于氨氮的吸附量。在天然沸石上負(fù)載EM菌可提升其對(duì)水體氨氮的去除效果。天然沸石負(fù)載EM菌的最佳條件為天然沸石與濃度為9.6×109mL-1的EM菌接觸24 h。在此條件下，負(fù)載EM菌的天然沸石對(duì)100 mL含10 mg·L-1氨氮模擬溶液中氨氮的最高去除率和吸附量分別可達(dá)24.79%和0.502 mg·g-1，且處理效果穩(wěn)定，可為沸石聯(lián)合微生物處理低濃度氨氮提供參考。

[1] 姜瑞, 曾紅云, 王強(qiáng). 氨氮廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2013, 38(6):131-134.

[2] 劉莉峰, 宿輝, 李鳳娟,等. 氨氮廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理, 2014, 34(11):13-17.

[3] 魯秀國(guó), 羅軍, 賴祖明. 氨氮廢水處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015(2):129-135.

[4] 韓靜. 高濃度氨氮廢水的危害及主要治理技術(shù)[J]. 北方環(huán)境, 2011(12):120-122.

[5] 劉來(lái)勝. 我國(guó)氨氮廢水排放與治理研究現(xiàn)狀[J]. 科技信息, 2012(19):46.

[6] 張衛(wèi)強(qiáng), 朱英. 養(yǎng)殖水體中氨氮的危害及其檢測(cè)方法研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志, 2012(6):324-327.

[7] DONG Y B, LIN H. Ammonia nitrogen removal from aqueous solution using zeolite modified by microwave-sodium acetate[J]. Journal of Central South University, 2016, 23(6):1345-1352.

[8] HERBECK L S, UNGER D, WU Y, et al. Effluent, nutrient and organic matter export from shrimp and fish ponds causing eutrophication in coastal and back-reef waters of NE Hainan, tropical China[J]. Continental Shelf Research, 2013, 57(1):92-104.

[9] YI L, JIAO W, CHEN X, et al. An overview of reclaimed water reuse in China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2011, 23(10):1585-1593.

[10] PFEIFFER T J, WILLS P S. Evaluation of three types of structured floating plastic media in moving bed biofilters for total ammonia nitrogen removal in a low salinity hatchery recirculating aquaculture system[J]. Aquacultural Engineering, 2011, 45(2):51-59.

[11] SAYESS R R, SAIKALY P E, EL-FADEL M, et al. Reactor performance in terms of COD and nitrogen removal and bacterial community structure of a three-stage rotating bioelectrochemical contactor[J]. Water Research, 2013, 47(2):881-894.

[12] DAVIDSON J, HELWIG N, SUMMERFELT S T. Fluidized sand biofilters used to remove ammonia, biochemical oxygen demand, total coliform bacteria, and suspended solids from an intensive aquaculture effluent[J]. Aquacultural Engineering, 2008, 39(1):6-15.

[13] ZHANG T, LI Q, DING L, et al. Modeling assessment for ammonium nitrogen recovery from wastewater by chemical precipitation[J]. Journal of Environmental Sciences, 2011, 23(6):881-890.

[14] ZHANG X, LI W, III E R B, et al. UV/chlorine process for ammonia removal and disinfection by-product reduction: comparison with chlorination[J]. Water Research, 2015, 68:804-811.

[15] JIN X, LI E, LU S, et al. Coking wastewater treatment for industrial reuse purpose: combining biological processes with ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis[J]. Journal of Environmental Sciences, 2013, 25(8):1565-1574.

[16] LIU C C K, XIA W, PARK J W. A wind-driven reverse osmosis system for aquaculture wastewater reuse and nutrient recovery[J]. Desalination, 2007, 202(1/2/3):24-30.

[17] QUAN X J, YE C Y, XIONG Y Q, et al. Simultaneous removal of ammonia, P and COD from anaerobically digested piggery wastewater using an integrated process of chemical precipitation and air stripping[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1/2/3):326-332.

[19] LIN H, JIN X, DONG Y, et al. Influence of calcination on the physical characteristics and nitrogen removal performance of clinoptilolites[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014, 29(6):1099-1103.

[20] WANG H B, BAO Y M, ZHANG J, et al. Study on the preparation and properties of Na-modified zeolites[J]. Energy Procedia, 2011, 11:4236-4241.

[21] 張家利. 天然及改性沸石去除水中氨氮的試驗(yàn)研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué), 2014.

[22] 張文藝, 鄭澤鑫, 韓有法,等. 改性沸石對(duì)豬場(chǎng)沼液氮磷吸附特性與機(jī)理分析[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(9):1837-1842.