微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理

陈月芳, 张宇琪, 冯惠敏, 刘哲, 刘铮. 微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150
引用本文: 陈月芳, 张宇琪, 冯惠敏, 刘哲, 刘铮. 微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150
CHEN Yuefang, ZHANG Yuqi, FENG Huimin, LIU Zhe, LIU Zheng. Advanced treatment of rural domestic sewage by microbial coupling Fe-C micro electrolysis-enhanced floating bed of aquatic plants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150
Citation: CHEN Yuefang, ZHANG Yuqi, FENG Huimin, LIU Zhe, LIU Zheng. Advanced treatment of rural domestic sewage by microbial coupling Fe-C micro electrolysis-enhanced floating bed of aquatic plants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150

微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理

    作者简介: 陈月芳(1973—),女,博士,副教授。研究方向:废水处理与回用等。E-mail:chenyuefang@ustb.edu.cn
    通讯作者: 陈月芳, E-mail: chenyuefang@ustb.edu.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07301005-003)
  • 中图分类号: X52

Advanced treatment of rural domestic sewage by microbial coupling Fe-C micro electrolysis-enhanced floating bed of aquatic plants

    Corresponding author: CHEN Yuefang, chenyuefang@ustb.edu.cn
  • 摘要: 为减少农村生活污水中有机物对河流水体的污染,以现有农村污水分散处理的一级出水为进水,研究了传统植物浮床、铁碳微电解和常规生物填料的耦合工艺对农村污水的处理效果。该耦合工艺应用物化反应、生物反应、化学反应为共生关系,建立人工生态系统,用以削减水体中的污染负荷。结果表明:微生物耦合铁碳微电解强化浮床在冬季对COD、TP、NH+4-N和TN的去除率分别可达到78.6%、78.2%、72.2%和73.3%,在夏季的去除率分别可以达到88.8%、75.6%、78.1%和80%;在冬季和夏季的耦合强化浮床中COD的降解速率分别达到2.933 mg·(L·d)−1和3.529 mg·(L·d)−1,TP的降解速率分别为0.055 mg·(L·d)−1和0.061 mg·(L·d)−1NH+4-N的降解速率分别为0.583 mg·(L·d)−1和0.8 mg·(L·d)−1,TN的降解速率分别为0.73 mg·(L·d)−1和1.114 mg·(L·d)−1,均优于传统植物浮床与微生物强化浮床的作用效果;微生物耦合铁碳微电解强化浮床对植物的促生长作用明显强于传统浮床和微生物强化浮床,冬季实验前后植物增重为23.3 g,夏季植物增重达到67.4 g;耦合浮床中微生物活性是微生物强化浮床中的1.81倍和1.45倍;最后利用因子的相关性分析与主成分分析,结果进一步表明,由于微生物与铁碳微电解的协同作用促使微生物数量与活性的提升,进而对污染物去除效果产生重要影响。以上研究结果可为农村生活污水的深度处理提供技术支持。
  • 酸雨是全球重要环境问题之一,对生态环境和经济发展造成很大不利影响[1]。研究指出,除无机酸外,有机酸对雨水酸化的贡献不可忽视[2-3]。我国东南部地区降水研究发现,有机酸对降水酸度贡献为5%—66.3%[4-5];在非工业区、远离人类活动区,降水有机酸对降水酸度的贡献甚至高达80%—90%[6]。降水中有机酸多为低分子有机酸,主要包括甲酸、乙酸、丙酸、草酸等[7-8],其中甲、乙酸是最重要的两种有机酸,约占有机酸总量的75%;草酸是重要的二元有机酸[9],含量不高,但对降水酸化具有重要影响[10-11]

    近年来,研究者们围绕区域降水有机酸的分布与来源开展相关研究并取得一定成果。徐刚等[12]研究贵阳地区降水有机酸的季节变化为:春>冬>秋>夏;章炎麟等[13]研究指出,安顺市降水有机酸浓度的季节变化特征为:冬>春>夏>秋。降水有机酸被认为直接来源于植被释放和人类活动(生物质燃烧、机动车尾气和烹饪油烟等),或间接来源于气态前体物的光化学反应过程[7]。目前对有机酸的来源分析主要采用比值法或统计分析法[14]。龙晓娟等[15]应用降水中甲酸/乙酸(F/A)比值分析鼎湖山降水有机酸主要来自植物排放,以自然源为主,而秋冬表现出一定人为污染的影响。李一兰等[16]采用F/A比值法分析得到天津市降水有机酸主要来源于植物、蚂蚁的直接源排放和不饱和烃、醛类的间接转化。Sun 等[10]采用F/A比值法得到庐山降水中有机酸以直接来源为主。何晓欢[17]采用因子分析法解析淮安和郴州降水来源,发现区域降水中甲酸来源与酸性气溶胶有关。龙晓娟[15]采用因子分析法发现鼎湖山降水中甲、乙酸以植物排放源为主。

    当前,降水有机酸的相关研究多是针对整场降雨中有机酸的分布研究,而鲜有对同场降水事件的不同段降水样品中有机酸的分布研究;其次,关于降水样品中有机酸的来源解析,现有研究尚未定量分析云下冲刷过程和云水对降水样品中有机酸的贡献;此外,在不同的区域,降水有机酸的分布受局地或区域源的影响,因此对不同区域降水有机酸的分布与来源进行解析追踪十分有必要。

    南昌是长江中下游中心城市之一,属亚热带湿润季风气候区,气候湿润温和,降水量大,太阳辐射强烈,大气光化学反应活跃,酸雨频率高。本研究针对南昌前湖区域的降水,对同一降水事件不同时段的降水样品分段采集,研究分段降水样品中低分子有机酸的浓度分布;基于分段降水样品中有机酸的分布,计算云下冲刷大气污染物和云水对降水样品中有机酸的贡献度;利用有机酸与其他水溶性离子的相关性分析,结合不同有机酸根的比值分析,解析降水有机酸的来源。本研究有助于丰富降水有机酸的分布与来源的研究方法和成果,对于区域大气污染成因分析和污染控制具有重要意义。

    采样点位于南昌大学前湖校区环境楼的楼顶平台(离地面高约25 m,E115°47′33″、N28°39′47″),附近无典型工业污染源,500 m范围内无高于采样点的自然或人工物体,是一个混合受体点,受道路交通源、生活排放源、建筑扬尘和城市其他源的混合影响。

    2020年5—9月,利用APS-3A降水采样器(长沙湘兰科学仪器有限公司)采集了20个降水事件的88个分段降水样品。图1是APS-3A降水采集器示意图。同一降水事件的分段降水样品根据预设条件(每4 mm降水量为一段)通过仪器自动采集。同一降水事件中,分段降水样品的最大数量为8,降水量0—4 mm的降水收集为第1段降水样品,降水量4—8 mm的降水为第2段样品,依次类推第3—7段降水样品。若整场降水的降水量大于28 mm,则所有大于28 mm以上的降水为第8段降水样品。仪器内配套有8个1000 mL的聚乙烯瓶为降水样品收集瓶。聚乙烯瓶放置于仪器自带的冰箱内。每场降水事件后,从仪器内置的冰箱中取出装有降水样品的聚乙烯瓶,带回实验室,将每段降水样品从聚乙烯瓶中倒出,分别转置到实验室干净的储存瓶,冰箱保存至待测。腾空的聚乙烯瓶用去离子水洗净后放回降水采样器,复位等待下一个降水事件。

    图 1  APS-3A降水采样器示意图
    Figure 1.  APS-3A precipitation sampler

    降水中3种低分子有机酸(甲酸HCOO、乙酸CH3COO、草酸C2O24)采用ICS-5000+ SP(Dionex Inc.,USA)离子色谱仪进行检测,色谱柱为AS18,保护柱为AG18,抑制器为AERS_4 mm型,淋洗液为40 mmol·L−1氢氧化钠,梯度淋洗程序见表1。离子色谱仪配置自动进样器。降水中有机酸、无机酸同时存在,因此4种无机阴离子(ClNO2NO3SO24)与3种有机酸同时检测。

    表 1  淋洗液梯度淋洗程序
    Table 1.  Gradient eluting procedure of eluent
    时间/min Time流速/(mL·min−1) Velocity of flow淋洗液NaOH浓度/(mmol·L−1) Eluent concentration of NaOH
    012
    0—112
    1—35113
    35—45135
    45—45.1112
    45.1—4812
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    样品测定前,对5个浓度梯度的有机酸标准溶液进行测定,做出标准工作曲线;每次更换淋洗液后,重新测标样,做标准曲线。各组分标准曲线的线性相关系数(r)大于0.999,再进行样品的测定。样品检测前进行灌注、走基线、测量纯水、检查仪器压力等操作,确保仪器运行正常。已知浓度样品的回标检测,误差小于5%。

    本研究20个降水事件的88个分段降水样品中有机酸和无机酸根组分的测定结果见表2。本课题组前期研究[18]发现南昌前湖区域降水的pH值小于6,为酸性降雨;龚娴等[19]对南昌地区降水pH值的研究也表明区域降水pH值小于6。由表2,采样期间南昌前湖区域降水中有机酸和无机酸的浓度差别较大,南昌各月份有机酸浓度的差异大,可能与各月的降雨量、降雨强度和气温的差异有关[20-21]。3种有机酸的总平均浓度为3.12 μmol·L−1,占所测有机酸、无机阴离子总量的16%,其中,甲酸、乙酸、草酸的平均浓度分别为3.81、4.56、1.13 μmol·L−1;4种无机阴离子总平均浓度为10.84 μmol·L−1,占所测阴离子含量的84%,其中,ClNO2NO3SO24的平均浓度分别为5.78、2.58、24.10、10.88 μmol·L−1。无机酸是降水酸度及离子平衡的重要成分,但有机酸(16%的相对比例)也绝对不能忽视。甲酸、乙酸是南昌前湖区域降水中主要的有机酸,这与雷萍[22]、朱丹丹[23]等在长沙、南京地区降水有机酸的研究结果相似。

    表 2  本研究降水中有机酸和无机阴离子的月均浓度水平(μmol·L−1
    Table 2.  Monthly average concentrations of organic acids and inorganic anions in precipitation in this study(μmol·L−1
    项目ProjectHCOOCH3COOC2O24Cl-NO2-NO3SO24
    5月2.852.021.178.322.3930.6833.59
    6月2.136.160.886.072.459.4817.41
    7月3.566.071.515.343.1824.531.42
    8月3.266.941.096.533.0442.261.02
    9月7.271.621.012.621.8713.570.95
    平均3.814.561.135.782.5824.1010.88
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    图2为本研究降水中3种有机酸和4种无机酸含量的月变化情况。根据图2,5—9月间,降水中有机酸含量与无机酸含量的月变化有相反的趋势。5—6月降水有机酸浓度先上升,到7—8月维持较高浓度,9月浓度下降,分析原因:南昌地区在5月开始增温,极高温度一般出现在每年的 7、8 月,7—8月气温高、辐射强,大气光化学反应有助于二次有机物的生成,间接导致7—8月降水中有机酸浓度偏高;另外,植物在6—8月份处于生长旺盛期,直接释放有机酸较多,经雨水冲刷进入降水样品中[24],使降水有机酸在温度较高的月份出现浓度的高值,与深圳[4]等、鼎湖山[15]等地的研究结论相似。5—7月降水无机酸浓度先下降,8月上升,9月下降,分析原因:7月气温高,大气颗粒物中硝酸盐不稳定易分解,间接导致降水中硝酸盐浓度低。

    图 2  采样期间降水有机酸、无机酸含量的月变化
    Figure 2.  Monthly variation of organic and inorganic acid concentrations in precipitation during sampling period

    从20个降水事件中选择降水量大于24 mm(分段降水样品超过6段)的长降水事件,对长降水事件的分段降水样品中3种低分子有机酸随降水进程的变化进行分析。图3为长降水事件的分段降水有机酸随降水进程的浓度分布图。

    图 3  长降水事件的分段降水有机酸随降水进程的浓度分布图
    Figure 3.  Concentration distribution of organic acids with precipitation process in segmented precipitation of long precipitation events

    分段降水样品中甲酸、乙酸、草酸的浓度范围分别为0.15—6.83、0.12—22.67、0.07—1.97 μmol·L−1,同一降水事件的分段降水样品中组分浓度具有较大的范围跨度,分段收集降水样品比整场降水单一样品的研究方法更能科学准确地反映降水有机酸的分布特征。

    图3,长降水事件的分段降水样品中甲酸、乙酸、草酸在降水进程中的变化特征相似:先逐渐降低,到降水进程末期(6—8段)趋于平稳或稍稍反升。降水初期,大气环境中污染物(颗粒相和气相)浓度较高,雨滴在下落过程中对大气污染物的冲刷较多,含有机酸组分的气溶胶颗粒和气相有机酸被雨滴冲刷而进入降水样品中,因此初期降水样品中有机酸浓度最高。随着降水进程的持续,大气污染物逐渐被冲刷到降水样品中,在大气环境中的量逐渐减少,因此降水进程的中后期,降水对大气污染物的冲刷作用有限,中后期降水样品中有机酸浓度逐渐降低并趋于平稳。但有时,降水进程的末期,长降水事件中倒数1—3段的分段降水样品中有机酸浓度会出现稍稍反升的情况。研究表明,粒径较大且吸湿性强的颗粒比粒径较小吸湿性弱的颗粒具有更低的临界过饱和度,饱和率和颗粒尺寸的关系可由传统的Köhler理论解释,即临界饱和度大则临界半径大,水溶性也越强[25]。当降水即将结束时,大气相对湿度比降水前、降水初期(100%)稍低,约为90%,此时,大气中残余的积聚模态(0.1—1 μm)颗粒可凝结成粗颗粒,这些粗颗粒在降水进程末期被冲刷到降水样品中,导致降水末期分段降水样品中有机酸浓度的稍稍反升。

    图3中长降水事件进程中3种有机酸的变化趋势表现为:不同的降水事件中,分段降水样品中同种有机酸浓度的分布趋势高度相似。稍有特殊的是,6月30日的降水事件中,降水前中期样品中乙酸浓度异常高,间接反映6月30日降水事件之前的大气环境中颗粒相和气相污染物中乙酸浓度高。不同降水事件中分段降水样品中甲酸和草酸的分布趋势相似,大气环境中乙酸组分的分布变化大,而甲酸和草酸组分的分布相对稳定。

    据文献调研,尚未见其它地区分段降水样品中有机酸分布的报道,因此取本研究2.1节降水有机酸平均浓度与其它地区降水有机酸浓度进行对比分析(见表3

    表 3  本研究与其它地区降水中有机酸浓度的对比(μmol·L−1
    Table 3.  Comparison of organic acid concentration in precipitation between this study and other areas(μmol·L−1
    地区/区域Region对象Object甲酸Formic acid乙酸Acetic acid草酸Oxalic acid3种有机酸总含量Total concentration参考文献Reference
    南昌雨水3.814.561.139.48本研究
    临安雨水9.583.8913.47Niu [11]
    安顺雨水8.776.902.8418.51章炎麟[13]
    鼎湖山雨水4.123.392.5110.02龙晓娟[15]
    天津雨水12.533.450.6416.62李一兰[16]
    庐山云水10.839.299.9030.02Sun [10]
    雨水10.2111.205.0726.48
    厦门雨水0.150.180.140.47Du [8]
    上海城区雨水0.811.340.863.01马琳[26]
    崇明东滩雨水0.872.480.293.64
    郑州雪水42.828.131.6752.62殷美雪[27]
    杭州23.912.0025.91
    武汉10.4312.786.6729.88
    石家庄15.870.332.5618.76
    南京0.110.120.330.56
    成都龙泉驿区雨水0.78262.1230.33.2056蒋贤栋[28]
    济南雨水5.323.801.1910.31王秀秀[29]
    北京雨水4.624.601.1710.39Xu [30]
    泰山雨水4.983.851.6510.48Wang [31]
    贵阳雨水14.249.355.5829.17Xu [32]
    衡山雨水14.3016.463.3134.07Wang [33]
    圣保罗雨水17.008.9025.90Fornaro [34]
    巴西郊区雨水10.2029.8740.07
    洛杉矶雨水6.505.607.8019.90Kawamura [35]
    西班牙雨水0.54740.88160.50161.9306PEñA [36]
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    根据表3,南昌前湖区域降水有机酸浓度低于临安、安顺、鼎湖山、天津、庐山、郑州、杭州、武汉、石家庄、济南、北京、泰山、贵阳、衡山等地区的报道结果,但高于厦门、上海、成都等地区的报道结果,说明南昌地区大气中有机酸排放源有限,间接反映南昌地区的大气环境质量中等偏优,但仍有优化的潜力。南昌地区降水中不同有机酸浓度的高低顺序(乙酸>甲酸>草酸)与国内大部分其它城市区域降水的基本一致。

    与国外圣保罗、巴西、洛杉矶以及西班牙等城市区域的降水相比,南昌前湖区域降水中总有机酸浓度更低,说明南昌地区大气中有机酸的排放源有限,对降水有机酸贡献较小。圣保罗、巴西、洛杉矶以及西班牙等城市区域降水中有机酸与当地的植物生长释放和汽车尾气排放密切相关。国外城市降水有机酸浓度的高低顺序与南昌地区相比也略有不同,如洛杉矶降水有机酸浓度排序为草酸>乙酸>甲酸。草酸是一种二元羧酸,反映该区域大气中二次有机物的贡献明显。不同地区降水有机酸浓度的差异反映有机酸与各地的排放源有着密切的联系。

    雨滴离开云层落到地面的过程中,会因多种机制与大气颗粒物和气体分子发生碰撞,被碰撞的颗粒和气体分子大部分会被雨滴捕集,降水样品组分不仅包括云水本身组分,还包括被冲刷的颗粒组分和气态污染物[37]

    一般认为前期降水组分受云下冲刷和云水的共同影响,同场降水事件的分段降水样品组分浓度最小值表示云水对降水组分贡献,前期降水样品中组分浓度与云水组分浓度的差值表示云下冲刷对降水组分的贡献。本研究云下冲刷对降水组分贡献的计算采用式1,云水对降水组分的贡献等于1减云下冲刷贡献的差值[38]

    Fi=(Cirw+roCimin)/Cirw+ro×100%

    式中,Fi表示云下冲刷对降水组分i的贡献,%;Ci-rw+ro是前期降水中组分i的浓度,表示云下冲刷、云水加和贡献给降水组分i的浓度;Ci-min是组分i在同场降水的分段降水样品中的最低浓度,表示云水中组分i的浓度。

    选择分段降水样品超过5段的降水事件,基于分段降水样品中有机酸的浓度分布采用式1计算得到云下冲刷和云水对降水中甲酸、乙酸、草酸的贡献率,见图4

    图 4  云下冲刷、云水对分段降水样品中有机酸的贡献率
    Figure 4.  Contribution of below-cloud scavenging and cloud water to organic acids in segmented precipitation samples

    云下冲刷对第1—5段分段降水样品中甲酸的平均贡献率分别为73.5%、68.1%、46.0%、38.8%、22.8%,对分段降水中乙酸的贡献率分别为78.5%、61.3%、48.3%、33.6%、32.4%,对分段降水中草酸的贡献率分别为72.5%、59.8%、50.0%、24.1%、17.7%。云水对第1—5段分段降水样品中甲酸的平均贡献率分别为 26.5%、31.9%、54.0%,61.2 %、77.2%,对分段降水中乙酸的贡献率分别为21.5%、38.7%、51.7%、66.4%、67.6%,对分段降水中草酸的贡献率分别为27.6%、40.2%、50.0%、75.9%、82.3%。随着降水进程的持续,云下冲刷对降水中3种有机酸(甲酸、乙酸、草酸)的贡献率逐渐减小,而云水对降水有机酸的贡献率逐渐增大,降雨前期云下冲刷为降水中有机酸根的主要来源,随着降雨的持续进行,大气中的污染物逐渐被清洁,降雨后期,降水中有机酸以云水来源为主。

    大气中有机酸的来源较为广泛,主要包括:植物直接释放、机动车尾气排放、生物质燃烧和大气中醛类和烯烃等不饱和有机物的大气氧化等。

    大气中甲、乙酸的比值(F/A)g常用于判断大气中有机酸的来源[34],结合气液平衡亨利定律可采用液相(F/A)aq来判断降水有机酸的来源。一般来说,低F/A比值反映一次排放源,而高F/A比值反映光化学反应二次源[39];(F/A)aq<1用于判断降水有机酸主要来源于人类活动直接排放或生物质燃烧,(F/A)aq>1用于判断降水有机酸主要来源于不饱和碳氢化合物的光化学氧化[40],文献报道不同源的F/A比值见表4表5为本研究分段降水样品中F/A比值的月均值。

    表 4  不同源的F/A比值
    Table 4.  F/A ratio of different sources
    来源种类Sources甲酸/乙酸比Formic acid / Acetic acid源文献Literature
    一次源<1
    生物质燃烧0.1—0.5Talbot [41]
    0.2—0.4Hartmann [42]
    机动车排放0.4—0.6Talbot [41]
    0.3—0.5Grosjean [43]
    植被(热带雨林)0.6Talbot [44]
    一般植被排放0.4Servant [45]
    二次源>1Talbot [41]
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    表 5  本研究分段降水样品中F/A比值的月均值
    Table 5.  The monthly mean value of F/A ratio in segmented precipitation samples in this study
    月份 MonthF/A
    5月1.0817
    6月0.2652
    7月0.4498
    8月0.3606
    9月3.4454
    平均1.1205
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    根据表5,本研究采样期间降水样品中F/A比值平均1.1205,大于1,这与济南[29]、北京[30]、泰山[31]等北方观测点和南方观测站点贵阳[32]的研究结果相似,但与南方清洁站点衡山[33]的研究结果(0.8688)不同。南昌前湖区域6月的F/A比值在0.2—0.4的范围内,说明6月降水中的有机酸主要来源于生物质燃烧,7月的F/A比值为0.4498,说明7月降水中的有机酸主要来源于生物质燃烧、机动车排放和植被排放,8月的F/A比值为0.3606,说明8月降水中的有机酸也主要来源于生物质燃烧和机动车排放。5、9月降水中F/A比值大于1,而6、7、8月的F/A比值小于1,说明5、9月降水有机酸受不饱和碳氢化合物的氧化的影响较大,5月(毕业季)和9月(开学季)校园及周边的人流和车流量较大,人为活动和机动车尾气排放增多,经过光化学反应后产生碳氢化合物,进而导致二次有机物的生成;6、7、8月植物生长旺盛,直接排放有机酸对降水组分带来影响。

    为了能进一步说明鼎湖山降水中有机酸与无机离子成分的相互关系及其差异,本研究降水中有机酸与无机阴离子的相关性见表6表7表8

    表 6  前两段分段降水样品中有机酸与无机阴离子的相关系数
    Table 6.  Correlation coefficients of organic acids and inorganic anions in the first two segmented precipitation samples
    组分 ComponentsHCOOCH3COOC2O24ClNO2NO3SO24
    HCOO1.000
    CH3COO−0.0151.000
    C2O24−0.032−0.1011.000
    Cl0.1560.128−0.0241.000
    NO20.1290.0880.093−0.0351.000
    NO30.0800.0350.0420.628**−0.0291.000
    SO240.2290.2210.1450.418*−0.0090.515**1.000
      注:**,在0.01级别(双尾),相关性显著;*,在0.05级别(双尾),相关性显著.
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    表 7  末两段分段降水样品中有机酸与无机阴离子的相关系数
    Table 7.  Correlation coefficients of organic acids and inorganic anions in the last two segmented precipitation samples
    组分 ComponentsHCOOCH3COOC2O24ClNO2NO3SO24
    HCOO1.000
    CH3COO0.562**1.000
    C2O240.0330.1231.000
    Cl0.2200.666**0.3611.000
    NO20.524**0.420*0.3510.3081.000
    NO30.570**0.524**0.0460.434*0.2571.000
    SO240.571**0.513**0.202581**0.475*0.691**1.000
      注:**,在0.01级别(双尾),相关性显著;*,在0.05级别(双尾),相关性显著.
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    表 8  所有分段降水样品中有机酸与无机阴离子的相关系数
    Table 8.  Correlation coefficients of organic acids and inorganic anions in all segmented precipitation samples
    组分 ComponentsHCOOCH3COOC2O24ClNO2NO3SO24
    HCOO1.000
    CH3COO0.266*1.000
    C2O240.0460.0211.000
    Cl0.1570.321**0.213*1.000
    NO20.1180.0800.1560.0951.000
    NO30.1630.2060.1710.541**0.1291.000
    SO240.234*0.458**0.300**0.526**0.1510.577**1.000
      注:**,在0.01级别(双尾),相关性显著;*,在0.05级别(双尾),相关性显著.
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    根据表6表7,前期降水样品中有机酸与无机离子的相关性弱,后期降水样品中,甲酸与NO2NO3SO24明显相关,乙酸与ClNO3SO24明显相关,相关性显著提升;前期降水样品中3种有机酸两两之间的相关性差,但后期降水样品中甲酸与乙酸的相关性显著增加;这与前期降水组分来源于云下冲刷和云水的共同贡献,而后期降水主要来源于云水贡献密切相关。

    根据表8,所有分段降水样品中甲酸与乙酸的相关性强于甲酸与草酸的相关性和乙酸与草酸的相关性,表明南昌前湖区域降水中的甲酸和乙酸更具有相似源,草酸的来源较甲、乙酸更为复杂,草酸主要来源于大气光化学氧化过程和汽车尾气。降水中草酸与SO24的相关性较甲、乙酸与SO24的相关性更强,SO24主要反映人为活动及二次污染的影响,由此推测降水中草酸受人为活动、二次污染影响大。

    因子分析是将多个实测变量转换为少数几个不相关的综合变量的一种降维多元统计分析方法[46-47]表9是南昌前湖区域降水中有机酸和无机阴离子组分的因子分析载荷矩阵。

    表 9  南昌前湖区域降水组分因子分析载荷矩阵
    Table 9.  The factor loading matrix of precipitation components in Qianhu area of Nanchang
    变量 Variables因子1 Factor 1因子2 Factor 2因子3 Factor 3
    CH3COO0.9210.1000.028
    HCOO0.0510.0270.911
    Cl−0.3130.7020.085
    NO2−0.378−0.8390.046
    NO3−0.0010.2260.143
    SO240.2730.0250.008
    C2O240.2900.114−0.427
    累计贡献率/%59.39670.33080.260
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    根据因子分析,筛选出3个特征因子,第1个因子中CH3COO载荷(0.921)高,反映降水对酸性气溶胶颗粒的冲刷;第2个因子中Cl载荷(0.702)高,反映燃烧源的影响;第3个因子中HCOO载荷(0.911)高,反映植被排放源的影响。因此,因子分析表明区域降水中有机酸等组分的主要来源是酸性颗粒的冲刷、燃烧源和植被排放源。

    基于 PMF 模型对南昌前湖区域降水样品进行源解析,图5为降水中有机酸和无机阴离子的PMF分析结果。

    图 5  南昌前湖区域降水中有机酸、无机阴离子的PMF分析结果
    Figure 5.  PMF analysis results of organic acids and inorganic anions in precipitation of Qianhu area of Nanchang

    根据图5,PMF分析得到南昌前湖区域降水中有机酸、无机阴离子组分的3个贡献因子,因子1(贡献率46.3%)中Cl载荷值高(图5a),反映生物质燃烧源[48]的贡献;因子2(贡献率32.5%)中NO3SO24载荷值高(图5b),反映二次气溶胶颗粒[7]的贡献;因子3(贡献率21.2%)中乙酸、甲酸、草酸载荷值高(图5c),反映植被排放源[49]的贡献。由此,PMF分析表明区域降水中有机酸等组分的主要来源是燃烧源、二次颗粒的冲刷和植被排放源,与因子分析结果相似。

    (1)采样期间,南昌前湖区域降水中甲酸、乙酸和草酸的平均浓度分别3.81 μmol·L−1、4.56 μmol·L−1、1.13 μmol·L−1,占所测有机酸、无机阴离子总量的16 %;降水有机酸浓度月变化特征为:5—6月上升,到7—8月维持较高浓度,9月下降。

    (2)长降水事件中,降水有机酸浓度在降水进程中呈现先逐渐降低,到降水进程末期趋于平稳或稍稍反升的变化特征,表明随着降雨进程的持续进行,降水对大气污染物的冲刷作用逐渐减弱。

    (3)国内外不同地区降水有机酸浓度呈现差异,南昌地区降水有机酸浓度反映区域大气环境质量中等偏优。

    (4)随着降水进程的持续,云下冲刷对降水中甲酸、乙酸、草酸的贡献率逐渐减小,云水贡献逐渐增大,降雨前期云下冲刷为降水中有机酸根的主要来源,降雨后期,降水中有机酸以云水来源为主。

    (5)前期降水中3种有机酸两两之间的相关性比末期降水中的弱,降水中3种有机酸两两之间的相关性随降雨进程增强,草酸与SO24的相关性较甲、乙酸与SO24的相关性强,反映降水中草酸受二次污染影响大;基于甲酸/乙酸比值(F/A)分析,南昌地区5、9月降水有机酸受二次有机物影响较大,6—8月降水有机酸主要来源于植物直接排放。基于因子分析,解析得到降水有机酸等组分受到酸性气溶胶的冲刷、燃烧源、植物排放源的影响;基于PMF分析,发现降水有机酸等组分受燃烧源、二次颗粒的冲刷和植被排放源的影响。

  • 图 1  浮床装置示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of floating bed installation

    图 2  浮床系统对COD去除效果

    Figure 2.  Removal effect of COD by floating bed system

    图 3  浮床系统对COD的降解速率影响

    Figure 3.  Effect of floating bed system on COD degradation rate

    图 4  浮床系统对TP去除效果

    Figure 4.  Removal of total phosphorus by floating bed system

    图 5  浮床系统对TP的降解速率影响

    Figure 5.  Effect of floating bed system on degradation rate of TP

    图 6  浮床系统对NH+4-N去除效果

    Figure 6.  Removal effect of NH+4-N by floating bed system

    图 7  浮床系统对NH+4-N的降解速率影响

    Figure 7.  Effect of floating bed system on the degradation rate of NH+4-N

    图 8  浮床系统对TN去除效果

    Figure 8.  Removal effect of floating bed system on TN

    图 9  浮床系统对TN的降解速率影响

    Figure 9.  Effect of floating bed system on degradation rate of TN

    图 10  污染物降解过程

    Figure 10.  Process of pollutant degradation

    图 11  实验前后填料SEM图

    Figure 11.  SEM images of the fillers before and after the experiment

    图 12  铁碳填料的EDS能谱图

    Figure 12.  EDS energy spectrum of iron - carbon filler

    表 1  实验进、出水水质

    Table 1.  Test inlet and outlet water quality

    进水或出水COD/(mg·L−1)NH+4-N/(mg·L−1)TP/(mg·L−1)TN/(mg·L−1)pH
    进水100±1020±2.52±0.230±0.27~8
    出水≤50≤5(8)1)≤0.5≤156~7
      注:1)表示在水温<12 ℃时限值为5,在水温>12 ℃时限值为8;实验用水温度冬季为7~11 ℃,夏季为25~29 ℃。
    进水或出水COD/(mg·L−1)NH+4-N/(mg·L−1)TP/(mg·L−1)TN/(mg·L−1)pH
    进水100±1020±2.52±0.230±0.27~8
    出水≤50≤5(8)1)≤0.5≤156~7
      注:1)表示在水温<12 ℃时限值为5,在水温>12 ℃时限值为8;实验用水温度冬季为7~11 ℃,夏季为25~29 ℃。
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    表 2  填料主要特征

    Table 2.  Main characteristics of fillers

    填料名称材质特征
    辫带式填料化纤网格丝辫带间距为20~40 mm,行距为100 mm,孔隙率为99%,比表面积为3 200~6 500 m2·m−3
    铁碳填料铁、碳和多元金属催化剂粒径为20~40 mm,密度为1.2~1.3 g·cm−3,比表面积为1.2~1.5 m2·g−1,孔隙率为60%~65%[14]
    填料名称材质特征
    辫带式填料化纤网格丝辫带间距为20~40 mm,行距为100 mm,孔隙率为99%,比表面积为3 200~6 500 m2·m−3
    铁碳填料铁、碳和多元金属催化剂粒径为20~40 mm,密度为1.2~1.3 g·cm−3,比表面积为1.2~1.5 m2·g−1,孔隙率为60%~65%[14]
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    表 3  实验前、后植物的干质量变化

    Table 3.  Changes of dry weight of plants before and after experiment g

    浮床类型冬季夏季
    实验前实验后增量实验前实验后增量
    Y138.943.24.3108.2132.624.4
    Y239.159.820.7109.3168.359.0
    Y339.562.823.3109.6177.067.4
    浮床类型冬季夏季
    实验前实验后增量实验前实验后增量
    Y138.943.24.3108.2132.624.4
    Y239.159.820.7109.3168.359.0
    Y339.562.823.3109.6177.067.4
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    表 4  实验后微生物数量与活性

    Table 4.  Quantity and activity of microorganism after experiment

    浮床类型冬季夏季
    微生物数量/(mg·g−1)微生物活性/(mg·(g·h)−1)微生物数量/(mg·g−1)微生物活性/(mg·(g·h)−1)
    Y24668.0668.73117.1
    Y353.97122.972.39170.32
    浮床类型冬季夏季
    微生物数量/(mg·g−1)微生物活性/(mg·(g·h)−1)微生物数量/(mg·g−1)微生物活性/(mg·(g·h)−1)
    Y24668.0668.73117.1
    Y353.97122.972.39170.32
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    表 5  Spearman相关性分析

    Table 5.  Spearman correlation analysis

    项目微生物数量微生物活性COD去除率TP去除率NH+4-N去除率TN去除率植株增量
    微生物数量1
    微生物活性0.8071
    COD去除率0.9350.9481
    TP去除率0.977*0.7430.9151
    NH+4-N去除率0.955*0.9160.996**0.9471
    TN去除率0.7480.961*0.9350.7380.9081
    植株增量0.3870.855*0.6720.3180.6050.8621
      注:*表示在0.05级别(双尾),相关性显著;**表示在0.01级别(双尾),相关性显著。
    项目微生物数量微生物活性COD去除率TP去除率NH+4-N去除率TN去除率植株增量
    微生物数量1
    微生物活性0.8071
    COD去除率0.9350.9481
    TP去除率0.977*0.7430.9151
    NH+4-N去除率0.955*0.9160.996**0.9471
    TN去除率0.7480.961*0.9350.7380.9081
    植株增量0.3870.855*0.6720.3180.6050.8621
      注:*表示在0.05级别(双尾),相关性显著;**表示在0.01级别(双尾),相关性显著。
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    表 6  主成分分析成分矩阵

    Table 6.  Component matrix of principal component analysis

    成分微生物数量/(mg·g−1)微生物活性/(mg·(g·h)−1)COD去除率/%TP去除率/%NH+4-N去除率/%TN去除率/%植株增量/g
    10.9570.6140.8220.9770.8670.5840.130
    20.2620.7790.5700.1950.4980.7970.991
      注:提取方法为主成分分析法;在3次迭代后已收敛。
    成分微生物数量/(mg·g−1)微生物活性/(mg·(g·h)−1)COD去除率/%TP去除率/%NH+4-N去除率/%TN去除率/%植株增量/g
    10.9570.6140.8220.9770.8670.5840.130
    20.2620.7790.5700.1950.4980.7970.991
      注:提取方法为主成分分析法;在3次迭代后已收敛。
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  • [1] 王志强, 李黎, 罗海霞, 等. 农村生活污水处理技术研究[J]. 安徽农业科学, 2012, 40(5): 2957-2959.
    [2] 陈荷生, 宋祥甫, 邹国燕. 利用生态浮床技术治理污染水体[J]. 中国水利, 2005(5): 50-53.
    [3] 黄锦楼, 陈琴, 许连煌. 人工湿地在应用中存在的问题及解决措施[J]. 环境科学, 2013, 34(1): 401-408.
    [4] 刘学燕, 侯琮语, 李德生, 等. 基于铁碳物化-生物耦合法的新型湿地填料研究[J]. 人民黄河, 2018, 40(11): 92-96.
    [5] 罗固源, 卜发平, 许晓毅, 等. 温度对生态浮床系统的影响[J]. 中国环境科学, 2010, 30(4): 69-73.
    [6] 吴伟, 胡庚东, 金兰仙, 等. 浮床植物系统对池塘水体微生物的动态影响[J]. 中国环境科学, 2008, 28(9): 791-795.
    [7] WANG W H, WANG Y, LI Z, et al. Effect of a strengthened ecological floating bed on the purification of urban landscape water supplied with reclaimed water[J]. Science of the Total Environment, 2018, 622-623: 1630-1639. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.10.035
    [8] CUI N X, CHEN G F, LIU Y Q, et al. Comparison of two different ecological floating bio-reactors for pollution control in hyper-eutrophic freshwater[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1): 14306. doi: 10.1038/s41598-018-32151-5
    [9] 李水秋. 铁碳微电解技术处理难降解废水的研究进展[J]. 广东化工, 2017, 44(12): 204-205.
    [10] WANG Y, FENG M, LIU Y. Treatment of dye wastewater by continuous iron-carbon microelectrolysis[J]. Environmental Engineering Science, 2016, 33(5): 333-340. doi: 10.1089/ees.2015.0341
    [11] LI M, ZOU D, ZOU H, et al. Degradation of nitrobenzene in simulated wastewater by iron-carbon micro-electrolysis packing[J]. Environmental Technology, 2011, 32(15): 1761-1766. doi: 10.1080/09593330.2011.555422
    [12] 苏亿位, 刘金保. 辫带式水处理填料实用技术[C]//中国印染行业协会. 2014威士邦全国印染行业节能环保年会, 2014: 227-229.
    [13] 张清华, 门传玲, 王树林. 铁碳微电解法处理生活污水工艺参数的优化[J]. 机械工程材料, 2011(4): 70-73.
    [14] 陈月芳, 刘哲, 侯荣荣, 等. 耦合微生物和微电解组合浮床装置及处理生活污水的方法: 201710778741.6[P]. 2017-12-15.
    [15] 桑军强, 王志农, 李福志, 等. 饮用水生物处理中微生物量和活性的测定方法[J]. 环境工程学报, 2005, 6(8): 88-90.
    [16] 李海燕. 生物接触氧化工艺生物膜特性的研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2007.
    [17] 李诗奇, 李政, 王仙宁, 等. 植物对氮磷元素吸收利用的生理生态学过程研究进展[J]. 山东农业科学, 2019, 51(3): 151-157.
    [18] PII Y, MIMMO T, TOMASI N, et al. Microbial interactions in the rhizosphere: Beneficial influences of plant growth-promoting rhizobacteria on nutrient acquisition process: A review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51(4): 403-415. doi: 10.1007/s00374-015-0996-1
    [19] 汪彩琴, 高心怡, 陈辉, 等. 微电解技术处理难降解工业废水的研究进展[J]. 化工环保, 2016, 36(5): 477-481.
    [20] 李爽, 李晓敏, 李芳柏. Fe(Ⅱ)对反硝化过程及其功能微生物群落的影响[J]. 中国环境科学, 2018, 38(1): 263-274.
    [21] ZHANG L, ZHANG L, LI D. Enhanced dark fermentative hydrogen production by zero-valent iron activated carbon micro-electrolysis[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(36): 12201-12208. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.07.106
    [22] 赵昕燕, 卞伟, 侯爱月, 等. 季节性温度对短程硝化系统微生物群落的影响[J]. 中国环境科学, 2017, 37(4): 1366-1374.
    [23] KYAMBADDE J, KANSIIME F, GUMAELIUS L, et al. A comparative study of Cyperus papyrus and miscanthidium violaceum-based constructed wetlands for wastewater treatment in a tropical climate[J]. Water Research, 2004, 38(2): 475-85. doi: 10.1016/j.watres.2003.10.008
    [24] LAI B, ZHOU Y, QIN H, et al. Pretreatment of wastewater from acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin manufacturing by microelectrolysis[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 179: 1-7. doi: 10.1016/j.cej.2010.12.089
    [25] 陈江安, 周丹, 邱廷省, 等. 氰化尾渣制备微电解填料及降解甲基橙研究[J]. 中国环境科学, 2018, 38(10): 210-216.
    [26] 陈欣, 祝惠, 阎百兴, 等. 铁碳微电解基质强化人工湿地污染物去除率的室内模拟实验[J]. 湿地科学, 2018, 16(5): 684-689.
    [27] LIN H, LIN Y, LIU L. Treatment of dinitrodiazophenol production wastewater by Fe/C and Fe/Cu internal electrolysis and the COD removal kinetics[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2015, 58: 148-154.
    [28] FU G P, HUANGSHEN L K, GUO Z P, et al. Effect of plant-based carbon sources on denitrifying microorganisms in a vertical flow constructed wetland[J]. Bioresource Technology, 2017, 224: 214-221. doi: 10.1016/j.biortech.2016.11.007
    [29] 樊杰, 万徐, 张璎. 磷酸铁沉淀对生物除磷所需钾离子的吸附竞争[J]. 环境科学与技术, 2014, 37(4): 57-61.
    [30] ZHANG L L, YUE Q Y, YANG K L, et al. Enhanced phosphorus and ciprofloxacin removal in a modified BAF system by configuring Fe-C micro electrolysis: Investigation on pollutants removal and degradation mechanisms[J]. Journal of Hazardous Materials, 2018, 342: 705-714. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.09.010
    [31] DENG S, LI D, YANG X, et al. Biological denitrification process based on the Fe(0)-carbon micro-electrolysis for simultaneous ammonia and nitrate removal from low organic carbon water under a microaerobic condition[J]. Bioresource Technology, 2016, 219: 677-686. doi: 10.1016/j.biortech.2016.08.014
    [32] PAPCIAK D, KALETA J, PUSZKAREWICZ A. Removal of ammonia nitrogen from groundwater on chalcedony deposit in two-stage biofiltration process[J]. Rocznik Ochrona Srodowiska, 2013, 15(1): 1352-1366.
    [33] 尚亚丹, 李政伟, 海热提, 等. 间歇曝气铁碳微电解耦合人工湿地脱氮除磷研究[J]. 水处理技术, 2018, 44(10): 104-107.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-30
  • 录用日期:  2020-08-31
  • 刊出日期:  2020-11-10
陈月芳, 张宇琪, 冯惠敏, 刘哲, 刘铮. 微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150
引用本文: 陈月芳, 张宇琪, 冯惠敏, 刘哲, 刘铮. 微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150
CHEN Yuefang, ZHANG Yuqi, FENG Huimin, LIU Zhe, LIU Zheng. Advanced treatment of rural domestic sewage by microbial coupling Fe-C micro electrolysis-enhanced floating bed of aquatic plants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150
Citation: CHEN Yuefang, ZHANG Yuqi, FENG Huimin, LIU Zhe, LIU Zheng. Advanced treatment of rural domestic sewage by microbial coupling Fe-C micro electrolysis-enhanced floating bed of aquatic plants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3007-3020. doi: 10.12030/j.cjee.202004150

微生物耦合铁碳微电解强化水生植物浮床对农村生活污水的深度处理

    通讯作者: 陈月芳, E-mail: chenyuefang@ustb.edu.cn
    作者简介: 陈月芳(1973—),女,博士,副教授。研究方向:废水处理与回用等。E-mail:chenyuefang@ustb.edu.cn
  • 1. 北京科技大学能源与环境工程学院,北京 100083
  • 2. 北京市工业污染物资源化处理重点实验室,北京 100083
  • 3. 中国环境科学研究院,北京 100012
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07301005-003)

摘要: 为减少农村生活污水中有机物对河流水体的污染,以现有农村污水分散处理的一级出水为进水,研究了传统植物浮床、铁碳微电解和常规生物填料的耦合工艺对农村污水的处理效果。该耦合工艺应用物化反应、生物反应、化学反应为共生关系,建立人工生态系统,用以削减水体中的污染负荷。结果表明:微生物耦合铁碳微电解强化浮床在冬季对COD、TP、NH+4-N和TN的去除率分别可达到78.6%、78.2%、72.2%和73.3%,在夏季的去除率分别可以达到88.8%、75.6%、78.1%和80%;在冬季和夏季的耦合强化浮床中COD的降解速率分别达到2.933 mg·(L·d)−1和3.529 mg·(L·d)−1,TP的降解速率分别为0.055 mg·(L·d)−1和0.061 mg·(L·d)−1NH+4-N的降解速率分别为0.583 mg·(L·d)−1和0.8 mg·(L·d)−1,TN的降解速率分别为0.73 mg·(L·d)−1和1.114 mg·(L·d)−1,均优于传统植物浮床与微生物强化浮床的作用效果;微生物耦合铁碳微电解强化浮床对植物的促生长作用明显强于传统浮床和微生物强化浮床,冬季实验前后植物增重为23.3 g,夏季植物增重达到67.4 g;耦合浮床中微生物活性是微生物强化浮床中的1.81倍和1.45倍;最后利用因子的相关性分析与主成分分析,结果进一步表明,由于微生物与铁碳微电解的协同作用促使微生物数量与活性的提升,进而对污染物去除效果产生重要影响。以上研究结果可为农村生活污水的深度处理提供技术支持。

English Abstract

  • 随着城市化进程的不断发展,水体污染问题日益严重,水污染的问题也从城市蔓延到农村。由于农村生活污染源分散,不能采用传统的大型污水处理厂工艺,农村生活污水已成为影响水体环境质量的重要污染源之一。目前,对于农村污水,中国采用的常规处理技术主要是自然生态处理工艺系统,如人工湿地、生物稳定塘、土地渗滤等;人工处理工艺系统如生物接触氧化池、生物滤池、化粪池、沼气池、氧化沟、生物生态组合工艺等[1]。针对分散型生活污水处理规模小,水量分散且变化幅度大的特征,现有的处理工艺存在一些不足,难以完全满足农村生活污水的处理要求,所以探寻合适的农村污水处理办法来改善农村污水处理现状意义重大。

    水生植物浮床的主要功效是利用植物的根系吸收以及其上微生物作用来处理水中的富营养化物质,从而降解水中的碳、氮和磷的含量。相较于物理、化学等传统治理污染水体的方法,利用植物生态浮床技术修复水体具有多重优势,其具有良好的景观功能、有效增加城市绿化面积、美化水域景观、提高生物浮床周围的生物多样性等优点[2]。但生态浮床技术在实际应用中也暴露出一些问题,如易受气候条件及温度的影响、植物种类的影响、填料堵塞、植物生长状况差等问题,继而影响其处理效率,不能满足实际需求[3-4]。有研究[5]表明,传统植物生态浮床受温度影响较大,在水温为2~29 ℃时对TN和TP的去除率随温度的升高而提升,超过29 ℃去除率会下降,25~29 ℃为最佳温度,去除率达到38%~44%。吴伟等[6]在池塘中设置了植物浮床系统,结果表明,植物浮床系统占池塘体面积20%、在实验80 d时,对TN、NH+4-N、NO2-N和NO3-N的去除率分别为39.4%、51.2%、49.7%和65%。可见只用单一植物作为浮床系统,污染物的降解会受到外界各种因素的影响,且降解效率并不理想。因此,WANG等[7]将普通水生植物为基质的浮床系统以沸石和海绵铁为填料的强化浮床系统应用于城市景观水净化,NH+4-N的去除率可以达到89.98%,PO34-P的去除率可以达到92.49%,高于传统植物浮床对污染物的去除率,并且在冬季条件下也可以有较好的去除效果。CUI等[8]将传统植物浮床与沸石和石灰石结合组成强化浮床,对TN、TP和NH+4-N的去除率分别达到63.5%,59.3%和68.0%,对污染物的去除效果好于传统植物浮床。

    微电解处理废水技术主要利用铁的还原性、电化学性和铁离子的吸附共同作用来净化废水。在20世纪80年代进入我国研究领域,现已较好地应用在印染、电镀、石油化工、制药、煤气洗涤、印刷电路板生产等工业废水及含砷、含氟废水的处理工程[9]。此外,WANG等[10]使用连续铁碳微电解工艺(MEP)和连续铁碳微电解-厌氧污泥床(UASB)工艺,对印染废水进行处理,颜色去除率可以达到75%,COD去除率可以超过65%;LI等[11]用铁碳微电解技术降解含有硝基苯的废水,对硝基苯的去除率可以达到90%。因此,铁碳微电解法可促进污染物的降解,但是对于应用在有机物含量较低的污水深度处理研究方面鲜有报道,若将其与其他生物处理或者物理处理工艺相结合,可探究其污染物去除效果。

    本文利用微生物的生物氧化性和铁碳微电解技术的氧化还原性,来提升植物浮床的净水效果,希望能将生态浮床用于农村生活污水的治理,使出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A排放标准(COD<50 mg·L−1NH+4-N<5 mg·L−1NH+4-N<8 mg·L−1、TN<15 mg·L−1、TP<0.5 mg·L−1),以期为生态法处理农村生活污水提供新的思路和理论依据。

  • 实验用水模拟的农村生活污水一级厌氧消化池出水,经过浮床处理后的生活污水拟达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级排放A标准。浮床进水、出水水质如表1所示。

  • 1)实验中生物填料选择辫带式填料,采用中国浙江省杭州某环保科技有限公司直销的辫带式填料,其特征见表2,该填料具有比表面积大、孔隙率高,挂膜快,脱膜更新容易,使用寿命长,不易被堵塞等优点;同时该填料能有效切割气泡,氧转移率和利用率均比较高[12]

    2)铁碳微电解填料,采用杭州某机械厂铸铁车间的废铁屑与杭州某焦碳厂市售粒状焦炭混合所制成的铁碳填料,其特征见表2。该填料通过预处理、高温烧结等手段将铁及金属催化剂与炭包容在一起形成架构式铁炭,不仅具有良好的吸附性能和较大的比表面积,还具有电化学作用,即能通过微电解反应,去除污水中的污染物质[13]

  • 本实验用传统植物浮床(简写为Y1)采用内径为36.5 cm,高为40 cm的水容器进行组装实验,下进水口距离容器底部3 cm,有效水深为30 cm,有效容积约为30 L,进水流量约为0.2 L·s−1;实验采用生长旺盛、枝叶完整、根茎发达的圆币草(Hydrocotyle verticillate)作为浮床植物,该植物放置于种植篮中,并由聚苯乙烯塑料板进行固定。微生物填料强化浮床(简写为Y2)在上面传统植物浮床Y1基础上,增设生物辫带式填料,该填料悬挂在固定塑料网板下,每床组装量为3串,长度约为30 cm;微生物耦合铁碳微电解强化浮床(简写为Y3),在微生物填料强化浮床Y2基础上,又耦合了铁碳填料,添加量为8 g·L−1

    在处理污水过程中,通过水泵将污水泵入池体,污水在浮床系统中的水力停留时间约为4~5 d;Y3浮床系统如图1所示。同时进行对照水质监测系统(CK),即不添加任何植物、辫带填料以及铁碳微电解填料,以减少实验误差,得到比较可靠的分析结果。

  • COD、TP、NH+4-N、TN的降解速率根据式(1)进行计算。

    式中:t为反应时间,d;Ctt时刻测定的污染物浓度,mg·L−1C0为初始浓度,mg·L−1K为降解速率,mg·(L·d)−1

    通过测定各时刻下的污染物浓度,根据反应时间t和反应前后浓度差(C0Ct),以时间为横坐标,以C0Ct为纵坐标,绘制(C0Ct)-t关系图,其斜率即为污染物的平均降解速率。

  • 进行各组实验前,首先选取出2组形态大小、质量基本一致(差别在±2%内)的圆币草植物,一组进行实验,实验结束后进行干质量测量,另一组作为实验前的植物干质量测量。测量植物干重质量前,先将植株放入称量瓶,在85 ℃下烘干至恒重,之后用电子天平分别称量实验前、后植物整组干重质量,从而计算出实验过程中植物增加的干质量Δm,如式(2)所示。

    式中:m1为实验前植株干质量,g;m2为实验后植株干质量,g。

  • 取一定量带有生物膜的辫带式生物填料,置于具塞三角瓶中,加入萃取液(氯仿∶甲醇∶水的比例为1∶2∶0.8的均相混合液),用振荡仪振荡15 min后静置12 h。然后向萃取液中加入氯仿和水,最终使氯仿∶甲醇∶水比例为1∶1∶0.9,此时混合液分为2层,下层为含有脂磷的氯仿相,静置12~24 h。把含有脂磷的氯仿混合物移入消解管,在65~70 ℃水浴中蒸干。用过硫酸钾消解脂磷后,测定磷含量,最终以mg·g−1表示微生物数量的单位[15]

  • 通过测定比好氧速率(SOUR)来表征生物膜中微生物的活性。取BOD测试瓶,加入辫带式填料上取下的生物膜和底物溶液,置于25 ℃水浴中,当瓶内溶液温度达到25 ℃时,开始充氧至完全饱和,马上插入溶解氧测定仪探头,密封BOD测试瓶,记录不同时间的溶解氧变化。SOUR根据式(3)的方法[16]进行计算。

    式中:U为比好氧速率,mg·(g·h)−1CDO1CDO2分别为初始和终止溶解氧浓度,mg·L−1N为微生物质量分数,mg·g−1t1为初始时间,h;t2为终止时间,h。

  • 本实验在无锡市进行测定,分别检测了3种浮床系统和对照实验在冬季(平均温度为7~11 ℃)和夏季(平均温度为25~29 ℃)时对废水的处理效果,冬季每5 d取一次水样,实验时间为25 d;夏季每4 d取一次水样,实验时间为20 d,并对进、出水样的COD、TP、NH+4-N和TN的浓度进行检测。

    1)污水中COD的去除效果。由图2可知,实验结束后,3种浮床系统在夏季对COD的去除率高于冬季。冬季实验结束后Y1、Y2、Y3浮床的出水COD分别为56、44、21 mg·L−1,去除率分别达到42.9%、55.1%、78.6%,夏季实验结束后Y1、Y2、Y3浮床的出水COD分别为37、26、11 mg·L−1,去除率分别为62.2%、73.5%、88.8%;在冬季和夏季微生物耦合铁碳微电解强化浮床系统Y3相较传统植物浮床Y1的去除率分别提高了35.7%和26.6%,相较于微生物填料强化浮床系统Y2,去除率分别提高了23.5%和15.3%。

    图3为3种浮床系统对COD降解速率的影响情况。在冬季和夏季实验过程中,Y3浮床COD的降解速率最快,且在冬季到实验中后期,降解速率增势明显,平均降解速率达到2.933 mg·(L·d)−1、夏季平均降解速率达到3.529 mg·(L·d)−1;而Y2浮床在冬季和夏季实验的平均降解速率分别为1.775 mg·(L·d)−1和3.345 mg·(L·d)−1,Y1浮床在冬季和夏季的平均降解速率分别为1.745 mg·(L·d)−1和2.93 mg·(L·d)−1,均低于Y3浮床的降解速率。

    2)污水中TP的去除效果。由图4可知,3种浮床系统对TP均有一定的降解作用,冬季实验结束后,Y1、Y2、Y3的TP出水浓度分别为1.247、1.17、0.417 mg·L−1,去除率分别为34%、41.5%、78.2%,夏季实验结束后3个浮床的TP出水浓度分别为1.067、0.777、0.447 mg·L−1,去除率分别为41.1%、57.2%、75.6%。冬季实验Y3浮床相较于Y1浮床,去除率提高了44.2%,相较于Y2浮床,去除率提高了36.7%;夏季实验Y3浮床相较于Y1浮床,去除率提高了34.5%,相较于Y2浮床,去除率提高了18.4%,Y3浮床具有更优的降解效果。

    图4也可看出,冬季Y1浮床的去除率起伏变化较大,到实验中后期TP降解程度有下降的趋势,而冬季和夏季Y2、Y3浮床的去除率在实验周期内基本呈一直上升趋势,尤其夏季实验后期最为明显。基于此,如图5所示,3种浮床系统中TP的降解速率,冬季和夏季实验中Y1浮床的降解速率最低,分别为0.027 mg·(L·d)−1和0.036 mg·(L·d)−1,Y2浮床在冬季和夏季的降解速率分别为0.029 mg·(L·d)−1和0.048 mg·(L·d)−1,而Y3浮床在冬季和夏季的TP降解速率分别可以达到0.055 mg·(L·d)−1和0.061 mg·(L·d)−1,高于Y1、Y2浮床的降解速率。

    3)污水中NH+4-N的去除效果。实验过程中3种浮床系统的NH+4-N浓度及去除率如图6所示,Y1浮床在冬季和夏季的NH+4-N出水浓度分别为9.87 mg·L−1和9.127 mg·L−1,去除率分别为51%和59.3%,Y2浮床在冬季和夏季的出水浓度较Y1浮床分别降低了0.177 mg·L−1和1.527 mg·L−1,去除率分别为51.8%和66.1%,Y3在冬季和夏季的出水浓度较Y1浮床分别降低了4.277 mg·L−1和4.227 mg·L−1,去除率分别为72.2%和78.1%;冬季试验Y3浮床较Y1浮床,去除率提高21.2%,相较于Y2浮床,去除率提升20.4%;夏季试验Y3浮床较Y1浮床,去除率提高18.8%,相较于Y2浮床,去除率提升12%,因此,Y3NH+4-N的降解效果更好。

    图6中显示Y1浮床对NH+4-N的去除率变化较为平缓,而Y2、Y3浮床的去除率在整个实验周期内增长较为明显,尤其在实验的前半个周期内,增长趋势显著。图7针对3种浮床系统的NH+4-N降解速率进行计算,得到Y1在冬季和夏季的降解速率分别为0.436 mg·(L·d)−1和0.611 mg·(L·d)−1,Y2浮床在冬季和夏季的降解速率分别为0.432 mg·(L·d)−1和0.691 mg·(L·d)−1,而Y3浮床在冬季和夏季的NH+4-N降解速率分别达到0.583 mg·(L·d)−1和0.8 mg·(L·d)−1,高于Y1、Y2浮床的降解速率。

    4)污水中TN的去除效果。图8为实验过程中3种浮床系统及空白组的TN浓度和去除率的变化情况。由图8可知,传统植物浮床在实验初期对TN的降解作用并不明显,随着水力停留时间的延长,降解作用越来越显著。冬季实验结束后,Y3浮床的TN去除率为73.3%,夏季实验结束后,Y3浮床的TN去除率为80%。在冬季和夏季实验中Y3浮床较Y1浮床对TN的去除率分别提高了23.3%和30%,较Y2浮床的去除率分别提升了8.6%和3.3%。

    图9为3种浮床系统对TN的降解速率影响情况,综合冬、夏两季的实验结果,Y3浮床的降解速率最大,冬季和夏季的降解速率分别达到0.73 mg·(L·d)−1和1.114 mg·(L·d)−1、而Y2浮床在冬季和夏季的降解速率分别为0.702 mg·(L·d)−1和1.071 mg·(L·d)−1,Y1浮床在冬季和夏季的降解速率分别为0.61 mg·(L·d)−1和0.774 mg·(L·d)−1,均低于Y3浮床的降解速率。

    综上所述,微生物耦合铁碳微电解强化浮床对污染物的去除效果强于传统浮床和微生物强化浮床,去除率显著增加,且降解速率也均高于其他2种浮床系统,由于其微生物与铁碳微电解的协同作用,使生活污水的出水浓度大幅度降低,且达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级排放A标准。

  • 根据式(2),对圆币草的干重进行了测定,实验前、后圆币草干质量见表3。由表3可知:在冬季实验结束后,Y3浮床的植物干重增量是Y2浮床的1.13倍,是Y1浮床的5.42倍;夏季实验结束后,Y3浮床的植物干重增量是Y2浮床的1.14倍,是Y1浮床的2.76倍。微生物耦合铁碳微电解强化浮床系统显著促进了植物干重的增加。氮是植物重要的结构物质,是植物生长发育过程中需求量较大的营养元素,植物可通过自身吸收氨态氮和有机氮进行营养补充[17]。浮床中的微生物可以释放难溶矿质中的营养元素、提高植物的抗逆性、降低污染物、减少毒性,以促进植物的生长[18]。Fe作为植物生长发育过程中的重要微量元素,也是细胞内大量重要霉的组成部分,铁碳填料的加入,利用其微电解作用,对浮床系统补充更多的铁元素,用于植物的生长需要[4],因此,二者的协同作用对植物生长的促进效果更为明显。

  • 实验结束后,按照1.6、1.7节中的实验方法,分别测定Y2浮床和Y3浮床中填料上微生物数量和活性,结果如表4所示。在冬季实验中,Y3浮床的微生物数量相比Y2浮床提高了17.32%,Y3浮床中的微生物活性是Y2浮床中的1.81倍。在夏季实验中,Y3浮床中微生物数量相比Y2浮床提升了5.33%,Y3浮床中微生物活性是Y2浮床中的1.45倍。

    由实验结果可知,在夏季实验中铁碳填料对微生物数量的影响并不明显;但铁碳填料有效促进了微生物活性的提高,提高了约45%。吴伟等[6]的研究表明,植物对微生物的生产力和生物量具有一定影响,由此看来微生物活性与数量的提高,一部分原因是依靠铁碳微电解作用,经微电解反应,产生无数微电流,还原有机物以及改变有机物的结构和特性,使之更容易被微生物利用,为微生物的繁衍创造了条件,并促进了微生物的分解代谢能力[19];而冬季温度较低,微生物活性会受到影响,微电解产生了参与微生物生命活动的Fe2+、Fe3+离子,由于2种铁离子浓度的增大,加快了微生物细胞电子传递速率,增大了生物活性,生物量随之增加[20],另外,由于实验周期较长,延长了反应时间,从而提高了微生物的种群丰度和活性[21-22]

  • 在植物浮床中有机物去除主要有植物直接吸收有机污染物、根系释放分泌物和酶降解有机物以及填料上微生物的降解作用,通常主要依靠后2种方式[23]。Y3浮床系统由于铁碳填料的加入,通过耦合在植物系统中的铁碳材料形成原电池,利用微生物与铁碳微电解的协同作用,达到了更好的污染物降解效果,发生如式(4)~式(7)所示的反应[24-25]。阳极反应见式(4)和式(5),阴极反应见式(6)和式(7)。

    铁碳微电解过程产生大量的具有活性的[H]和Fe2+,促使大分子难降解有机物转化为容易被微生物降解的简单小分子有机物[26];这些活性物质破坏了水中的环状与链状有机物,使其发生断裂。系统中的Fe2+被O2氧化成Fe3+,在这个过程中会产生具有强氧化性的·OH和O·,发生的反应如式(8)~式(10)所示。

    在式(9)和式(10)中产生的·OH和O·可以破坏—CN键和C=O键[27],使水中难降解的有机物降解为小分子物质,促进COD的降解。

    微电解产生的Fe2+和氧化后产生的Fe3+在化学及微生物作用下,会生成具有较强吸附能力的胶体絮凝剂Fe(OH)2和Fe(OH)3,其絮凝作用可降低出水浊度[28];同时Fe3+也会与PO34反应生成FePO4沉淀[29-30];另外,浮床中的有机质可以与Fe2O3结合,使磷得到更好的吸附[4]。由于传统植物浮床一般会缺少碳元素,所以Y3浮床中铁碳微粒用以补充植物所需的碳元素;夏季温度高,微生物的活性相较于冬季偏高,氮磷累积量会达到最佳值[5],微生物的生命活动也需要更多的碳作为营养物质,因此铁碳微电解材料的加入也可以促进微生物对磷的吸收。因此,Y3浮床在电化学、化学沉淀、微生物作用、吸附作用等多种作用下达到除磷的目的,相比于Y1、Y2浮床,Y3浮床具有更强的作用能力,使磷的去除效果增强。

    植物浮床中的氮元素主要利用硝化作用与反硝化作用去除,铁碳微电解过程产生的Fe2+,被O2氧化后生成的Fe2O3作为催化剂可加快硝化反应的进行,进而提高氮的脱除效率[26]。此外,浮床系统中溶解氧也是不可或缺的物质,浮床系统中的微生物对污染物的降解需要消耗大量的溶解氧,随着溶解氧的含量下降,氧化还原电位降低,致使Y2浮床后期对NH+4-N的去除效果减弱[31]。对于氮元素的降解,之所以Y3浮床作用能力更强,这可能是由于Y3浮床中的植物主要是利用硝化反硝化过程脱氮,铁碳微电解中的铁可以刺激硝化、反硝化细菌的繁殖,进而促进硝化和反硝化过程[32]NH+4-N在好氧情况下又可被硝化细菌氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮,后续随着水力停留时间的延长反硝化菌的出现,将微电解产生的Fe2+和[H]作为电子供体,将NO2-N、NO3-N还原为分子态氮,实现物化-生物耦合,降低了传统生物脱氮过程对有机碳的依赖,进而提高脱氮效率[33]

    综合以上分析,污染物降解过程如图10所示。

  • 分别对实验前和实验后的微生物耦合铁碳微电解填料进行SEM分析,结果如图11所示。由图11可见,实验前填料表面平整、结构紧密,在实验后由于微电解作用使得离子析出,导致填料表面凹凸不平,空隙增多。由图12可知,填料表面的附着物发现,主要含有铁、碳、磷和氧元素。主要为含铁化合物,包括FePO4、Fe(OH)3、Fe2P和Fe6(PO4)4(OH)5等,Fe6(PO4)4(OH)5的产生是由FePO4和Fe(OH)3的共沉淀作用造成的。

  • 由于各个变量之间存在一定的相互作用关系,利用SPSS Statistics25软件,对微生物活性、微生物数量、植株增量以及各污染物的去除率进行了相关性分析和因子分析。由表5可知,微生物数量与TP去除率、NH+4-N去除率的相关性强,微生物活性与TN的去除率和植株增量相关性显著,COD去除率与NH+4-N去除率相关性强。由此可推断,微生物数量与活性的提升,对污染物的去除均产生一定作用,且微生物活性的增大也有助于植株的生长。

    PCA分析结果提取到2个主成分,总方差解释中第1主成分的方差贡献率为84.961%,第2主成分的方差贡献率为14.137%,且2个成份的总方差解释度达到99.098%。由此可见,这2个因子能够反映大部分数据信息。表6中第1主成分说明了微生物数量与各污染物去除率之间的关系,第2主成分说明了植株增量、微生物活性与TN去除率之间的影响。由此印证上述的研究结果,微生物耦合铁碳微电解强化浮床对促进植物生长、降解污染物以及生物数量与活性的提升有重要作用,正是由于微电解与微生物之间的耦合作用,促进微生物活性与数量的增长,使传统植物浮床的作用加强,满足对农村生活污水的处理。

  • 1)微生物耦合铁碳微电解强化浮床对污染物的降解效果以及降解速率均强于传统植物浮床和微生物填料强化浮床。在冬季实验进行25 d后,微生物耦合铁碳微电解强化浮床系统的COD、TP、NH+4-N和TN出水浓度分别为21、0.41、5.6和8 mg·L−1,夏季实验进行20 d后,出水浓度分别为11、0.44、4.9和6 mg·L−1,均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A排放标准。

    2)微生物耦合铁碳微电解强化浮床对浮床植物有明显的促生长作用,冬季和夏季中的实验植株干质量分别增加了23.3 g和67.4 g,与传统植物浮床相比,分别为冬季和夏季实验植株干质量增量的5.42倍和2.76倍,且植株的良好生长有益于水中污染物的去除。

    3)微生物的数量和活性大小对污染物去除率有一定影响。较微生物填料强化浮床,耦合强化浮床中的微生物活性与微生物数量均有所升高,且微生物活性和数量的增长,亦提升了污染物的降解效率。

参考文献 (33)

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