改性丝瓜络填料对富营养化水体的高效脱氮特性

王 尉， 常雅军， 崔 键， 刘晓静， 杜凤凤， 姚东瑞

江苏省中国科学院植物研究所， 江苏 南京 210014

丝瓜络是葫芦科植物丝瓜成熟以后的维管束，具有比表面积大、天然网状结构、吸附能力强等优点[1]. 目前，丝瓜络已作为生物膜载体或碳源被广泛应用于多种水处理领域，所涉及的方向包括重金属吸附[2-4]、纤维改性[5-6]、再生纤维制备方法[7]、石油类污染物吸附[8-9]、生物接触氧化床载体[10]、复合材料及制备方法[11]、天然中空纤维的应用[12]、水污染原位净化方法[13-14]、多孔微生物载体[15-16]等.

生物膜法是一种集生物絮凝作用、过滤截留作用和生物氧化作用于一体的新型水处理技术[17]. 然而，生物膜技术经常存在反硝化脱氮所需的碳源供给不充足、处理效果不稳定的问题[18-19]. 因此，生物膜反应器内经常被添加相应的碳源作为反硝化的电子供体[20]. 添加秸秆类的碳源会因纤维快速分解导致碳源在短时间内大量释放，引起下游水体CODCr污染[21-22].

丝瓜络作为一种自然界普遍存在的天然维管束，由65.5%的纤维素、17.5%的半纤维素和15.2%的木质素构成，具有较强的力学性能和多羟基化学结构[23]. 该研究以丝瓜络维管束为材料，探究对其进行改性处理的适宜条件，并将其制备成一种可持续供给碳源的缓释填料，使其兼顾微生物挂膜的载体和提供反硝化脱氮所需的碳源两方面功能，以实现生物膜技术运行的稳定性和高效性. 采用不同浓度NaOH溶液浸泡法制备改性丝瓜络填料，构建处理富营养化水体的BDBR(生物膜原位脱氮系统)，研究不同浓度NaOH溶液制备的改性丝瓜络填料所构建的BDBR的挂膜效果(生物量、硝化及反硝化菌数量)和脱氮效能，并从脱氮系统生物量、硝化反硝化菌数量角度对其脱氮机理进行解析，以期为富营养化水体的原位脱氮技术开辟新途径.

1 材料与方法

1.1 改性丝瓜络填料的制备

采用NaOH溶液浸泡法对丝瓜络进行改性处理. 将规格大小相对一致的丝瓜络段分别放置在质量分数为2%、5%和10%的NaOH溶液中，完全浸没. 若丝瓜络上浮，可放置重物将其下压至完全浸没. 浸泡30 min后取出，先用大量自来水冲洗，后用去离子水漂洗至漂洗液呈中性.

1.2 试验装置与方法

将制备好的改性丝瓜络自然风干至恒质量. 采用投加改性丝瓜络填料(填充比50%)的序批式生物膜反应器，其材质为有机玻璃，有效容积为5 L(见图1). 在各反应器中一次性接种来自于江苏省南京市栖霞区十里沟的底泥350 g(鲜质量). 接种底泥中w(TN)、w(TP)平均值分别为3.05、0.72 mgg，w(有机质)平均值为4.48%. 反应器的试验进水也取自于江苏省南京市栖霞区十里沟，进水的ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)、ρ(TN)、ρ(TP)分别为191.88、24.68、32.92、6.99 mgL. 底泥与试验进水完全混合后开始曝气，进行间歇式进水挂膜. 生物膜反应器内温度由加热棒和温度控制器维持在25 ℃. 反应器运行参数：进水0.25 h、好氧7.5 h、缺氧4 h、沉淀排水0.25 h，一个周期为12 h.

图1 以改性丝瓜络为填料的BDBR试验装置Fig.1 Experimental apparatus of BDBR with modified loofah fillers

将2%、5%和10%的NaOH溶液处理的丝瓜络填料填充的反应器(各3个重复)依次命名为2%组、5%组和10%组，且3个重复无NaOH溶液处理的丝瓜络填料所填充的反应器作为对照组. 在生物膜的挂膜试验中，用生物膜上原生动物的出现指示生物膜的成功构建[24-25]. 当生物膜成功构建后，每两个运行周期(24 h)对各组反应器的进、出水ρ(CODCr)、ρ(TN) 和ρ(NH3-N)进行检测. 同时，在与上述反应器同体积的有机玻璃缸中，放入同质量和体积的河道底泥和污染水(设3个重复)，在无丝瓜络填料和曝气处理的条件下作为该研究的自然净化组. 同时，在生物膜成功构建后，反应器运行的第8天，剪取各组合填料，对上面的生物量、硝化和反硝化细菌数量进行分析.

1.3 测试方法

1.3.1表面结构变化

使用JSM-7600F场发射扫描电镜(SEM，日本电子株式会社)对丝瓜络纤维改性前、后的形貌变化进行观察. 在SEM样品台上贴上一层碳导电胶，将改性完成的丝瓜络试样于45 ℃低温干燥后，平整放置于此导电胶面上，然后于离子溅射仪内真空喷镀金60 s(约100 μ)，溅射电流为10 mA，SEM观察并拍照.

使用VERTEX 80V型傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司)观察改性前、后的丝瓜络表面基团的变化. 称取0.5～2 mg过0.15 mm尼龙筛的试样粉末样，将样品与KBr粉末以1∶100的比例混合于玛瑙研钵中，充分研磨混匀，压片机压片后，立刻置于傅里叶变换红外光谱仪上测定. 扫描范围为 4 000～400 cm-1，分辨率为2 cm-1，扫描次数为64次.

1.3.2生物膜生物相

在各组反应器启动挂膜的第6天，剪取各组合填料，通过CX31型三目生物显微镜(日本奥林巴斯株式会社)进行生物膜生物相分析.

1.3.3生物膜生物量和硝化、反硝化菌数量

确认各反应器的生物膜已成功构建后，启动为期28 d的试验. 每天对各反应器进、出口水质进行测定，在各反应器运行至第8天时，剪取载有生物膜的组合填料，测定膜生物量和硝化、反硝化菌数量. 膜生物量采用脂磷法测试[26]. 该方法是用每g干质量填料(DW)上的磷脂含量表示活性微生物数量，即1 nmol 的磷含量约等于108个大肠杆菌大小的微生物，生物量的单位用nmol表示. 硝化、反硝化菌数量采用MNP-Griess法测定[27].

1.3.4水质指标测定

ρ(CODCr)采用重铬酸钾法测定；ρ(NH3-N)采用纳氏试剂比色法测定；ρ(TN)采用紫外分光光度法测定；ρ(TP)采用分光光度法测定[28].

1.4 数据分析

采用Microsoft Office 2010和OriginLab软件对数据进行处理，用平均值进行图表制作.

污染物的去除率为

η=(C0-Ci)C0×100%

式中：η为CODCr、TN、TP、NH3-N的去除率，%；C0为进水ρ(CODCr)、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NH3-N)，mgL；Ci为出水ρ(CODCr)、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NH3-N)，mgL.

2 结果与讨论

2.1 改性丝瓜络材料的表面结构变化

利用扫描电镜对不同改性处理的丝瓜络进行形貌观察，结果如图2所示. 由图2可见，对照组中的丝瓜络纤维表面光滑，经NaOH溶液(2%、5%、10%)浸泡后，丝瓜络表面蜡质层和粘性物质减少，表面单纤维暴露、变得粗糙. 经NaOH溶液浸泡处理后的丝瓜络纤维表面细痕明显，大量深浅不一的沟槽使其具有较大的表面积，并能产生毛细管效应，更有利于物质吸附和微生物附着，并且随NaOH溶液浓度的增加，纤维暴露、受损的程度也越明显，这与Tanobe等[29-30]在化学处理丝瓜络时的发现一致. Gupta等[31]使用有机原料丙烯酸处理丝瓜络也得到类似结果，但与NaOH浸泡相比，使用丙烯酸处理的温度和时间等条件(35 ℃、60 min、pH=7.0)更为严格.

图2 不同浓度NaOH处理的改性丝瓜络表面扫描电镜Fig.2 Scanning electron micrograph of modified loofah surface treated with different NaOH concentrations

图3 对天然(对照组)和改性(2%组)丝瓜络基团结构的红外光谱图分析Fig.3 Infrared spectrum analysis of the group structure of modified loofah

2.2 改性丝瓜络填料构建的BDBR系统内生物膜的生物相观察

采用密闭循环法对对照组、2%组、5%组和10%组BDBR反应器进行挂膜. 在进水0.25 h、好氧7.5 h、缺氧4 h、沉淀排水0.25 h的运行情况(合计12 h)下，在各组反应器启动挂膜的第6天，各组反应器的组合填料上附着一层厚厚的微生物黏液，即为生物膜[35]. 生物膜可包含多种不同微生物(如细菌、古菌、原生动物、真菌和藻类)，且每组种类的微生物执行专业化的代谢功能[36-37]. 通过生物显微镜观察，发现均有较高等的原生动物如草履虫、变形虫、线虫、钟虫和轮虫等频繁出现(见图4)，表明生物膜已成熟，试验随即启动.

2.3 改性丝瓜络填料构建的BDBR系统内生物膜生物量和硝化、反硝化菌数量

在确认各组反应器的生物膜挂膜成熟后，启动试验，即开始对各组反应器的进、出水质进行为期28 d的测定. 与此同时，在水质指标检测的第8天剪取各组生物膜，对膜上生物量、硝化和反硝化菌数量进行分析. 由表1可见，改性处理的丝瓜络反应器(2%组、5%组和10%组)的膜生物量均显著高于对照组，其中2%组反应器的膜生物量为12.12×106nmol(以每g干质量磷脂计，下同)，相当于每g填料表面生长了与大肠杆菌相似大小的微生物12.12×1014个，表明改性处理有助于提高丝瓜络填料的膜生物量. 并且随着NaOH浓度从2%增至10%，对应的膜生物量从12.12×106nmol增至24.02×106nmol. 这是由于生物膜的形成主要依靠微生物分泌的EPS(胞外聚合物)而吸附在填料表面[38]，改性丝瓜络表面粗糙和富含羟基有利于EPS与其结合，且NaOH浓度越高，改性后的丝瓜络表面越粗糙，越有利于微生物附着[39-41].

同时，发现改性处理的丝瓜络表面生物膜上的硝化、反硝化菌数量均显著高于对照组(见表1). 就改性处理组而言，2%的NaOH溶液处理的丝瓜络构建的反应器的生物膜的硝化、反硝化菌数量显著高于其他两个处理组. 这可能是由于2%的NaOH溶液浸泡丝瓜络，对维管束天然网状结构破损小，造成孔隙度和比表面积增大(见图2)，更利于氮、磷等营养物质的吸附[42]，在间歇性曝气的条件下有利于硝化和反硝化菌的大量繁殖和生长. 丝瓜络填料也缓慢地降解，纤维素中的碳元素可作为碳源供应反硝化作用，而Boeije等[43]在聚丙烯填料构建的生物膜系统中，因人工模拟的河道中碳源不足，反硝化作用效率初始很高之后很快降低.

表1 膜生物量、硝化及反硝化菌数量

2.4 改性丝瓜络填料构建的BDBR系统对富营养化水体中CODCr的去除

各组反应器的生物膜挂膜稳定后，对各组反应器的进、出水水质进行测定. 由图5可见，在整个试验过程中，对照组和处理组(2%组、5%组和10%组)反应器对富营养化河道水中CODCr的去除率无显著差异. 在反应器运行的前3 d，各反应器中的ρ(CODCr)均下降较快. 当反应器运行至第4天时，对照组、2%组、5%组和10%组反应器的出水ρ(CODCr)分别为40.0、44.1、36.5和49.5 mgL，对应的CODCr去除率也趋于稳定，分别为78.9%、76.8%、80.8%和73.9%，表明各组丝瓜络填料反应器对富营养化河道水中CODCr均具有较高的去除效果. 分析认为，这是由于丝瓜络具有天然的多孔性和较大的比表面积，可吸附进水中的CODCr、氮、磷等营养物质，在填料周围形成较高浓度的营养环境，而底泥微生物经曝气活化和悬浮后，倾向于聚集在营养物丰富的丝瓜络空隙中进行迅速的生长和繁殖[44-45]，因而各组生物膜反应器在运行至第8天时，膜上存在大量的微生物，其生物量在12.12×106～24.02×106nmol之间(见表1)，这些微生物的大量存在有利于CODCr的去除. 与CAO等[21-22]在利用秸秆作为反应器填料的研究相比，改性丝瓜络作为填料没有出现ρ(CODCr)随着填料分解而突然大量增加的情况.

图5 改性丝瓜络填料构建的BDBR系统中ρ(CODCr)随运行时间的变化Fig.5 CODCr concentration change with run time in BDBR system constructed by modified loofah fillers

2.5 改性丝瓜络填料构建的BDBR系统对富营养化水体中总氮和氨氮的去除

由图6(a)可见，在4个试验组中，2%和5%组反应器中的ρ(TN)下降最快，运行至第6天时ρ(TN)分别为9.0和7.5 mgL，对应的TN去除率为67.5%和72.9%. 各组反应器运行至14 d后，TN去除率趋于稳定，其中，2%组和5%组TN去除率维持在90.8%和91.9%左右，10%组为83.2%，而对照组维持在67.2%左右. 同时，在整个试验过程中，处理组反应器TN去除率均显著高于对照组，这是由于2%组和5%组反应器的生物膜上的反硝化菌数量显著高于对照组膜上的反硝化菌数量引起(见表1). 此外，当系统运行至14 d后，2%组和5%组反应器的TN去除率均高于10%组，这可能是因为10%组反应器中反硝化菌数量减少导致反硝化效率下降. 与BioMTM载体(一种应用较多的弹性填料)构建的反应器(需外加甲醇作为碳源)相比，以2%和5%的NaOH溶液处理的丝瓜络为填料构建的反应器TN去除率(90.8%和91.9%)显著高于BioMTM填料反应器的84.5%(外加甲醇作为碳源)或80.6%(外加葡萄糖作为碳源)，而10%的NaOH溶液处理的丝瓜络反应器的TN去除率(83.2%)与之接近[20]. 说明改性丝瓜络填料是一种可持续供给碳源的缓释填料，可兼顾微生物挂膜的载体和供给碳源两方面的功能.

由图6(b)可见，反应器运行10 d后，2%组和5%组反应器NH3-N去除率高达82.8%和88.4%. 在整个试验过程中，对照组反应器的NH3-N去除率维持在68.1%左右，而无丝瓜络填料的空白组仅为25.8%. 这是由于2%和5%的NaOH溶液处理后的丝瓜络对应的膜上硝化菌数量(以每g干质量大肠菌群计)分别为9.8×104和5.2×104个，显著高于对照组(0.56×104个)和10%组(2.2×104个)，因为硝化菌数量越多越有利于BDBR系统中NH3-N的去除.

图6 改性丝瓜络填料构建的BDBR系统中ρ(TN)、ρ(NH3-N)随运行时间的变化Fig.6 TN and NH3-N concentration change with run time in BDBR system constructed by modified loofah fillers

综上，2%和5%的NaOH溶液处理的改性丝瓜络不仅可以有效提高BDBR系统的硝化菌数量，也有利于反应系统硝化速率的提高和稳定运行. 但是随着系统运行时间的推移，更多的微生物及底泥被吸附在填料表面，使得生物膜厚度增大，过大的生物膜厚度会影响膜内溶氧、营养物质的传质效果和生物膜活性[46]. 因此，反应器生物膜上的硝化、反硝化菌数数量随着NaOH溶液浓度的增大而减少. 综合考虑，利用2%的NaOH溶液处理的丝瓜络所构建的BDBR系统，对应的膜上生物量、增大硝化和反硝化细菌数量均比5%和10%的NaOH溶液处理的要高，脱氮效果也最好.

3 结论

a) 用NaOH溶液浸泡法对丝瓜络进行改性处理，丝瓜络表面蜡质层和粘性物质减少，木质素和半纤维素脱去，多羟基特性的纤维素暴露出来，造成丝瓜络基团结构的红外光谱图区波峰变宽.

b) 采用密闭循环法对各组BDBR反应器进行挂膜，在进水0.25 h、好氧7.5 h、缺氧4 h、沉淀排水0.25 h的运行情况下(合计12 h)，6 d可完成生物膜的构建.

c) 利用NaOH溶液浸泡法进行改性处理，有助于提高丝瓜络填料的膜生物量和硝化、反硝化菌数量，但硝化、反硝化菌数量会随着改性处理的NaOH溶液浓度的增大而减少.

d) 利用丝瓜络填料所构建的BDBR反应器，对富营养化河道水中的CODCr均具有较高的去除能力，这与丝瓜络是否进行改性处理无关. 但是，利用低浓度NaOH溶液(2%)对丝瓜络进行改性处理后所构建的BDBR系统，不仅体现出了最高的生物膜硝化、反硝化菌数量，还体现出了最好的TN和NH3-N的去除效果，可应用于富营养化水体的BDBR中，以实现生物膜的快速构建和系统的稳定运行.