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摘要：將毛竹絲作為反硝化固體碳源和生物膜載體用于去除NO3–-N和將脫水活性污泥作為反硝化碳源和彈性立體填料為生物載體用于去除NO3–-N。在水溫30℃、搖床80～95r/min的條件下運(yùn)行。擺瓶在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)20d后達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水NO3–-N都為60mg/L，反應(yīng)20h后，竹絲擺瓶出水降低至10mg/L以下；而污泥擺瓶只降低20mg/L左右。相比之下，雖然NO2–-N都會(huì)產(chǎn)生一定量的積累，但是竹絲比污泥更能有效地去除污水中的NO3–-N。實(shí)驗(yàn)表明：竹絲是一種理想的提供碳源和生物膜載體的固體材料并且在生物膜除氮實(shí)驗(yàn)中比污泥的處理效果具有明顯優(yōu)越性。
論文關(guān)鍵詞：硝酸鹽,亞硝酸鹽,毛竹絲,活性污泥,碳源,生物膜載體

　　水體中的硝酸鹽污染不僅會(huì)引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，而且會(huì)對(duì)人體和水生動(dòng)物產(chǎn)生不良影響[6]。Boley和aslan等利用人工高分子聚合物作為反硝化碳源和生物載體去除水中硝態(tài)氮[7，8]，而后ovez利用天然的植物體等作為反硝化碳源去除水體中的硝酸鹽氮[9]，均取得了良好的試驗(yàn)效果。目前國(guó)內(nèi)外去除硝酸鹽的方法有反滲透、電滲析、催化脫氮、生物脫氮、離子交換法、離子交換/生物脫氮組合工藝。其中生物反硝化脫氮被視為最為經(jīng)濟(jì)有效地消除硝酸鹽手段，而生物反硝化中的異養(yǎng)反硝化過(guò)程中往往需要添加碳源作為電子供體。但傳統(tǒng)添加的碳源一般為液相有機(jī)物，由于進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)性較大，容易造成出水中常常含有多余的有機(jī)物液體碳源。而且傳統(tǒng)的液體碳源多數(shù)對(duì)微生物和人類(lèi)有毒，甚至嚴(yán)重污染環(huán)境，以致難以控制和操作[8]。

　　外加固體物質(zhì)作為生物反硝化碳源是近些年消除水中硝酸鹽污染的研究熱點(diǎn)。開(kāi)發(fā)的固相碳源種類(lèi)日趨多樣化，研究發(fā)現(xiàn)固體碳源不但能克服傳統(tǒng)液體碳源諸多缺點(diǎn)，而且能作為微生物吸附生長(zhǎng)的生物載體以提高生物反硝化效果而被廣泛關(guān)注[9]。但一些研究中發(fā)現(xiàn)目前所采用的固相碳源也存在不足，如：可生物降解聚合物價(jià)格昂貴，制作方法復(fù)雜；天然的可降解聚合物雖然價(jià)格低廉，安全性好，運(yùn)輸方便，在自然界普遍存在，但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中會(huì)變軟而相互黏附，生物載體的孔隙率變小，而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)堵塞，氮?dú)鉄o(wú)法外溢，如果通過(guò)減少填充量來(lái)防止堵塞，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)反硝化碳源不足；其次反硝化菌在固體碳源上的吸附力較弱，容易流失以及低溫條件下反硝化效果較差等。基于國(guó)內(nèi)外普遍使用的固體碳源存在的缺陷，尋找一種運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、取材方便、孔隙率較大、掛膜速度快、反硝化菌群吸附能力強(qiáng)、低溫運(yùn)行效果良好的固體碳源是生物反硝化脫氮亟需解決的重要問(wèn)題，這些條件的實(shí)現(xiàn)對(duì)提高反硝化效率具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

　　而與此同時(shí)由于污泥處理不得當(dāng)將會(huì)造成二次污染，目前污泥處理方法有焚化、填滿(mǎn)、建筑材料、農(nóng)田綠地利用。但傳統(tǒng)的處理方法不但易造成二次污染，而且基建和運(yùn)行費(fèi)用較高。由于污泥有機(jī)物含量高，可作為某種生物處理污水的碳源提供者。這樣既可減少污泥處理的運(yùn)行費(fèi)用，又可避免二次污染。尋找一種污水處理工藝實(shí)現(xiàn)污泥的有機(jī)物被微生物在污水處理工藝中高效充分利用，這一目的的實(shí)現(xiàn)對(duì)降低污泥處理的運(yùn)行費(fèi)用同樣具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

　　1材料與方法

　　1.1實(shí)驗(yàn)原理

　　1.1.3反硝化反應(yīng)：硝酸氮（NO3–-N）和亞硝酸氮（NO2–-N）在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮（N2）的過(guò)程。生物反硝化反應(yīng)方程式如下表示：

　　

　　

　　反硝化菌是屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌的細(xì)菌。在厭氧菌（缺氧）條件下，以硝酸氮（NO3–-N）為電子受體，以有機(jī)物（有機(jī)碳）為電子供體。在反硝化過(guò)程中，硝酸氮通過(guò)反硝化菌的代謝活動(dòng)，可能有兩種轉(zhuǎn)化途徑，一種途徑是同化反硝化（合成），最終形成有機(jī)氮化合物，成為菌體的組成部分，另一種途徑是異化反硝化（分解），最終產(chǎn)物是氣態(tài)氮。

　　1.2 材料

　　竹絲是用純天然的竹子加工而成，其形態(tài)是長(zhǎng)方體（20mm×1mm×1mm）。竹絲在使用前放置在1%氫氧化鈉中連續(xù)浸泡20d，再在自來(lái)水中浸泡2d后放入60℃左右的烘箱中烘干2h后冷卻、稱(chēng)量、使用。

　　活性污泥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)污泥)是污水處理廠(chǎng)脫水后的污泥，其形狀成餅狀（含水率在31.3%，MLSS=3503mg/L）。當(dāng)向擺瓶中加入污泥時(shí)應(yīng)稱(chēng)量、使用。

　　1.3 培養(yǎng)方法

　　在預(yù)先準(zhǔn)備好的有瓶塞帶排氣管的擺瓶（500mL）2個(gè)，在純凈水中加入硝酸鉀和磷酸二氫鈉，使硝態(tài)氮和磷的濃度分別是60mg/L和12mg/L，并準(zhǔn)備新鮮的活性污泥混合液若干升，并在擺瓶中加入配水150mL，活性污泥混合液150mL。并在其中一個(gè)錐形瓶中放入竹絲10g，一個(gè)錐形瓶放入20g污泥和彈性載體若干。最后，將擺瓶放入恒溫培養(yǎng)振蕩儀中連續(xù)培養(yǎng)（30℃），每天取上清液在1000r/min轉(zhuǎn)速離心2min后測(cè)量NO3–-N濃度，當(dāng)溶液中NO3–-N濃度低于10mg/L時(shí)，取出擺瓶靜沉30min，用移液槍吸取上部搖瓶中懸浮污泥和水溶液，并更換新鮮的配制水（加濃的配制水使其溶液中的NO3–-N約為60mg/L即可），進(jìn)行培養(yǎng)和馴化（每次換水時(shí)向竹絲擺瓶中添加0.1～0.15g預(yù)處理后竹絲，向污泥擺瓶中添加0.15～0.2g污泥），就這樣反復(fù)7~10批次即可進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程。

　　1.4 實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)

　　將毛竹絲和彈性載體分別雜亂無(wú)章地堆放在竹絲搖瓶和污泥擺瓶中。并將搖瓶放置于恒溫?fù)u床（轉(zhuǎn)速：80r/min，溫度30℃）內(nèi)培養(yǎng)，以NO3-–N濃度從60mg/L降低至10mg/L以下為一個(gè)批次，待生物膜形成和反應(yīng)速率穩(wěn)定后，每個(gè)批次更換一次營(yíng)養(yǎng)液并測(cè)定反應(yīng)器中剩余硝酸鹽和生成亞硝酸鹽的含量。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制

　　下邊圖1和圖2分別為NO3–-N和NO2–-N質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，從這兩個(gè)圖可知R2均大于0.995，說(shuō)明這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)要求，可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)使用，繪制方法見(jiàn)國(guó)標(biāo)[10]。

　　

　　圖1 NO3–-N的質(zhì)量校準(zhǔn)曲線(xiàn)

　　

　　圖2 NO2–-N質(zhì)量校準(zhǔn)曲線(xiàn)

　　2.2搖瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果

　　2.2.1竹絲擺瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果

　　

　　圖3 竹絲擺瓶中NO3–-N去除效果

　　

　　圖4 竹絲擺瓶中NO2–-N 的去除效果

　　從圖3中可以觀(guān)察到，系統(tǒng)逐步穩(wěn)定后，每日消耗硝酸鹽氮含量隨反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的推移而增加，即每個(gè)批次消耗的NO3–-N含量與反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間成反比。當(dāng)進(jìn)水NO3–-N含量為60mg/L經(jīng)過(guò)反應(yīng)20h后，可降至10mg/L以下；從圖4中可以觀(guān)察到，每日生成NO2–-N生成量隨反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定值，即每個(gè)批次反應(yīng)器內(nèi)NO2–-N生成量隨馴化時(shí)間的增長(zhǎng)而成逐漸減少趨勢(shì)并最終達(dá)到穩(wěn)定值。而且測(cè)得數(shù)值表明系統(tǒng)反應(yīng)20h后，NO2–-N濃度一般低于1.0mg/L。

　　2.2.2污泥擺瓶去除NO3–-N 和NO2–-N的效果

　　

　　圖5 污泥擺瓶中NO3–-N去除效果的反�，F(xiàn)象

　　

　　圖6 污泥擺瓶中NO3–-N 去除效果

　　

　　圖7 污泥擺瓶中NO2–-N 的去除效果

　　從圖6中可以觀(guān)察到，系統(tǒng)逐步穩(wěn)定后，每日消耗硝酸鹽氮含量隨反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的推移而增加，即每個(gè)批次消耗的NO3–-N含量與反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間成反比。但當(dāng)進(jìn)水NO3–-N含量為60mg/L時(shí)平均大致需要經(jīng)過(guò)三天反應(yīng)，才可降至10mg/L以下；從圖7中可以觀(guān)察到，每日生成NO2–-N生成量隨反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定值，即每個(gè)批次反應(yīng)器內(nèi)NO2–-N生成量隨馴化時(shí)間的增長(zhǎng)而成逐漸減少趨勢(shì)并最終達(dá)到穩(wěn)定值。結(jié)果表明系統(tǒng)反應(yīng)生成的NO2–-N含量將影響到NO3–-N的消耗速率，即生成的NO2–-N量越多消耗的NO3–-N反應(yīng)速率就越慢。

　　2.3比較竹絲和污泥反應(yīng)器中NO3–-N去除效果比較

　　2.3.1如圖5所示污泥擺瓶在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)依進(jìn)水NO3–-N為60mg/L時(shí)，換水后次日測(cè)得的NO3–-N含量比當(dāng)日配水含量還高。經(jīng)假設(shè)驗(yàn)證后得出結(jié)論是由于生物經(jīng)過(guò)消化反應(yīng)生成一定量的NO3–-N和釋放微生物體內(nèi)吸收的未發(fā)生反硝化反應(yīng)的NO3–-N。

　　2.3.2竹絲和污泥反應(yīng)器中的NO2–-N 含量累積，生物除氮的反應(yīng)速率較慢。經(jīng)過(guò)假設(shè)驗(yàn)證后得出結(jié)論是：①每次換水時(shí)添加竹絲質(zhì)量不足；②每次換水時(shí)有一部分細(xì)菌隨液體遺棄，使微生物數(shù)量減少；③pH值對(duì)微生物的影響。。其中竹絲反應(yīng)器是由于添加竹絲不足導(dǎo)致，而污泥反應(yīng)器則是因?yàn)槲⑸�物�?duì)污泥中的碳源利用率低導(dǎo)致。

　　2.3.3 將脫水活性污泥放到反應(yīng)器中，雖有彈性載體雜亂無(wú)章的放置在反應(yīng)器中作為載體，但是由于微生物對(duì)污泥中有機(jī)碳源利用率低，而反硝化反應(yīng)過(guò)程中碳源提供不足，將抑制反硝化細(xì)菌的活性，而且反應(yīng)后生成的NO2–-N的量也一定量的積累。

　　2.3.4考慮到污泥和竹絲的各自特性，經(jīng)假設(shè)驗(yàn)證得出結(jié)論是將竹絲反應(yīng)器和污泥反應(yīng)器混合后放到另一反應(yīng)器中，利用竹絲提供碳源和生物膜載體與污泥提供碳源和較好的厭氧環(huán)境對(duì)NO3–-N的去除效果更加顯著。

　　2.3.5雖然每個(gè)批次竹絲反應(yīng)器和污泥反應(yīng)器內(nèi)生成的NO2–-N量都不高，但是竹絲反應(yīng)器NO3–-N 去除效果遠(yuǎn)超過(guò)污泥反應(yīng)器NO3–-N 去除效果，分析數(shù)據(jù)可得竹絲的NO3–-N去除效果是污泥反應(yīng)器的3倍。這是由于將毛竹自行制作成毛竹絲，竹絲雜亂無(wú)章地堆放在反應(yīng)器中可形成較大的孔隙，不易堵塞；而且竹絲具有一定的硬度，不易變形、不易堵塞；竹絲表面含有較多的游離羥基、羰基等親水性基團(tuán)，使竹絲表面的生物膜更易形成，吸附力更強(qiáng)；并且表面的生物膜具有明顯地網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)防止反硝化細(xì)菌流失、提高反硝化菌濃度起重要作用。相比之下，竹絲在去除污水中的NO3–-N比污泥具有顯著特點(diǎn)。

　　3 結(jié)論

　　在水溫30℃、搖床80～95r/min的條件下運(yùn)行。擺瓶在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)20d后達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水NO3–-N都為60mg/L，反應(yīng)20h后，竹絲擺瓶出水降低至10mg/L以下；而污泥擺瓶只降低20mg/L左右。相比之下，雖然反應(yīng)瓶中NO2–-N都會(huì)產(chǎn)生一定量的積累，但是竹絲比污泥更能有效地去除污水中的NO3–-N。從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)和處理效率綜合分析得出：在應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中去除污水中NO3–-N時(shí)，竹絲比污泥更具有顯著特點(diǎn)。

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