开孔陶粒的制备与同步硝化/反硝化生物反应器的构建*

向天勇 陆惠明 张正红 单胜道 蓝建明

(1.嘉兴职业技术学院农业与环境学院，浙江 嘉兴 314036；2.浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室，浙江科技学院环境与资源学院，浙江 杭州 310023；3.浙江省嘉兴市嘉善县姚庄镇农技水利服务中心，浙江 嘉兴 314117)

氨氮是水产养殖的关键性控制指标，大量残饵和排泄物极易引起水体中氨氮浓度升高，导致鱼类中毒，甚至死亡。同步硝化/反硝化(SND)可快速同步脱除氨氮和硝态氮，具有节约供氧量25%[1]、节省碳源40%[2-3]、使反应器的容积减少30%～40%、缩短水力停留时间和减少产泥的优势[4]。长期以来，大量学者通过对温度、pH、游离氨浓度、DO等反应条件的控制实现了SND的顺利启动和稳定运行。然而，复杂的控制条件一直是影响SND规模化应用的难点。尤其是SND启动和运行一般要求较高的温度、较低的DO和弱碱条件，这不利于鱼类快速生长，限制了SND在水产养殖中的应用[5-9],[10]29,[11]2272。如何在常规淡水养殖条件下淡水实现SND，对于缓解氨氮对水产养殖的不利影响具有重要意义。

缺氧微环境理论是目前被普遍接受的SND反应机理，被认为是SND发生的主要原因之一[12-13],[14]78。已有的研究一般是利用污泥颗粒或多孔介质作为生物载体，硝化细菌附着在颗粒外围，通过颗粒表层的硝化细菌消耗溶液中的氧，从而构建一个内部的厌氧微环境，促进颗粒内部反硝化细菌的生长。目前常用的多孔介质有棉球、海绵、合成纤维球等，由于结构柔软导致孔隙结构不稳定，效果不佳，同时因无法再生，导致成本偏高。也有利用刚性多孔陶粒进行生物降解的研究[15]，但普通多孔陶粒采用发泡法制备，虽然其内部具有大量封闭的泡状空隙，但由于不具备开孔结构，水流难以进入陶粒内部，内部小孔优良的吸附性能和挂膜性能无法完全发挥。为开发性能优良的SND多孔陶粒，研究了纸纤维烧蚀法制备的工艺和方法，分析了所制备陶粒的表征和吸附特点，并运用制备的陶粒构建SND生物反应器(以下简称SND反应器)，初步验证了该反应器在模拟淡水养殖条件下的脱氮能力。

1 材料与方法

1.1 制备方法

以市售普通陶土(购自景德镇)和废纸屑为原料，通过烧蚀法制备具有开孔结构的多孔陶粒(以下简称陶粒)。工艺如下：将废纸屑添加20倍质量的水充分浸泡后捣成纸浆(水添加量过少容易造成捣碎机空转，而添加过多会导致纸浆含水量过高，掺入陶土后过稀，后期制粒困难)，经预试验，按纸纤维添加量(质量分数)0、1.5%、2.5%、3.5%与陶土配比(纸屑添加量高于3.5%，纸浆掺入后陶泥过稀，制粒前需干燥脱水，再者纸纤维添加量达到5.0%后，陶粒经初步预烧，发现内部孔隙过大，强度迅速下降)，将纸浆混入陶土并控制水分20%(质量分数)左右，充分揉匀后制成直径1.0 cm左右的陶粒，自然风干或低温烘干。将干燥的颗粒在700、800、900、1 000 ℃温度下烧制6 h，冷却后得到所需的陶粒。

1.2 温度和纸纤维添加量对陶粒内部结构的影响

陶器的烧成温度一般在700～1 000 ℃。温度过低，陶粒玻化不够，容易碎裂，但温度越高，纸纤维烧蚀形成的微孔也容易被熔融物再次填充，导致孔隙度和吸水率大幅度下降。在700、800、900、1 000 ℃温度条件下烧制陶粒，利用OLYMPUS CX31光学显微镜观察陶粒的玻化程度，并通过吸水率判定开孔孔隙的多少，选取既具备一定的硬度，又充分保留大量微孔、具备良好透水性的陶粒烧制温度。

另取添加纸纤维质量分数分别为0、1.5%、2.5%、3.5%，900 ℃烧制的陶粒，利用Phenom ProX台式扫描电子显微镜(SEM)进行SEM和能谱(EDS)分析(工作电压15.0 kV，不喷金)，观察陶粒的内部微细结构并分析陶粒成分元素的种类与含量；采用Nicolet iS10红外光谱仪分析陶粒表面的官能团结构；采用ASAP 2020 PLUS HD88 比表面和孔径分析仪测定其比表面积。

1.3 陶粒对氨氮的吸附特点

陶粒对氨氮的吸附可以提高SND的底物浓度，直接影响到SND的反应效率。研究表明陶粒表面电位一般为负值[16]，对带正电荷的离子有较强的吸附能力，这对于氨氮的吸附是有利的。采用NH4Cl作为吸附质，分析陶粒对氨氮的吸附性能。试验时称取约0.5 g的900 ℃烧制的陶粒样品若干份，分别置于100 mL具塞三角烧瓶中，分别加入50 mL的不同浓度的吸附质溶液，25 ℃、200 r/min恒温振荡7 h以达到吸附平衡，过滤后测定平衡浓度。氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法、Cl-采用AgNO3滴定法测定，计算平衡吸附量，绘制样品的吸附等温线。采用Langmuir和Freundlich 模型进行拟合，计算拟合参数。

1.4 以陶粒为载体的SND反应器的启动

试验以本课题组从活性污泥中富集培养出的优势复合菌群为菌种，采用SND反应器(见图1)进行试验。试验时工作溶液存放在恒温水浴锅内，通过恒流泵从陶粒柱的下端进入，并从上端回流至恒温水浴锅内。模拟淡水养殖废水作为工作溶液，以NH4Cl为氮源、CH3COONa为碳源，自来水配制，溶液最终氨氮质量浓度为15 mg/L、碳氮质量比(C/N)为25∶1、pH为7.4。试验时称取添加纸纤维0、1.5%、2.5%、3.5%，选定900 ℃烧制的陶粒350.0 g，装入玻璃柱，另设不加陶粒的空柱为对照(CK)。采用底部进料排除柱内空气，用500 mL混合菌液循环1 h，让菌种被陶粒大量吸附并充分进入陶粒内部。然后在恒温水浴锅中加入6 L新鲜配置的工作溶液(接种液保留在工作溶液中)。根据文献[17]、[18]的研究，选定在37 ℃恒温条件下，以30 mL/min的流速循环，每日测定氨氮、硝态氮、亚硝态氮、DO浓度，待总氮基本完全去除后结束试验。氨氮采用纳氏试剂分光光度法、亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、硝态氮采用麝香草酚分光光度法、总氮采用凯氏定氮法、DO采用德国WTW便携式DO仪测量。

1—恒温水浴锅；2—恒流泵；3—陶粒柱图1SND反应器示意图Fig.1 Schematic diagram of SND reactor

1.5 陶粒再生实验

采用LB液体培养基，用大肠杆菌为菌种，对添加1.5%、2.5%、3.5%纸纤维，900 ℃下所制陶粒进行快速模拟挂膜。15 d后，将挂膜后的陶粒在400 ℃煅烧40 min进行再生。测定并分析再生陶粒的吸水率、比表面积及对氨氮的吸附能力，初步验证陶粒的再生能力。

2 结果及分析

2.1 温度和纸纤维添加量的影响

在纸纤维添加量2.5%，700、800、900、1 000 ℃温度条件下烧制陶粒，观察陶粒的玻化程度，并通过吸水率判定开孔孔隙的多少。切面如图2所示。700 ℃条件下烧制8 h，所制陶粒在较轻的承压状态下即碎裂，证明未能有效烧结。随烧制温度的提高，陶粒颜色逐渐由陶土的浅棕红色变成青绿色，敲击声逐渐变脆，硬度逐渐增加。800 ℃温度条件下，2.5%纸纤维陶粒内部开始出现玻化后的结晶状颗粒，此时吸水率较高(约0.36 g/g)，但颗粒比较松散，烧结程度不够，不利于复杂工况下陶粒外形的保持；900 ℃温度条件下，陶粒切面较为规整，颗粒致密紧实，且纸纤维烧蚀后的孔状结构得到了较好地保留，透水性较好，陶粒吸水率在0.23 g/g左右，这有利于水分渗透深入颗粒内部，是理想的水处理材料；1 000 ℃温度条件下烧制的陶粒，陶粒内部的孔隙几乎完全被玻璃质填充，透水性急剧下降，吸水率几乎为零。

图2 陶粒切面(×100)Fig.2 Cut surface of ceramic grains (×100)

分别加入0、1.5%、2.5%、3.5%的纸纤维，900 ℃条件下烧制8 h，采用SEM观察所制陶粒的微细内部结构并分析陶粒成分元素的种类与含量。如图3所示，随着纸纤维添加量的增加，陶粒内部颗粒逐渐变大，结构变得疏松，开放的孔隙增多，且孔隙的不均匀性增加；纸纤维添加量达到2.5%时，颗粒表面开始形成蜂窝状的网状结构，纸纤维添加量达3.5%时，陶粒内具有大量蜂窝状结构。一般认为，该蜂窝状结构对水分进入和微生物附着是有利的。

图3 不同纸纤维添加量所制陶粒的SEM(×1 000)Fig.3 SEM images of ceramic grains by adding different amounts of paper fiber (×1 000)

EDS分析显示，添加0、1.5%、2.5%、3.5%的纸纤维对所制陶粒的元素组成没有影响，陶粒主要由O、Si、Al、K、Fe等元素组成，质量分数依次为64.7%、16.2%、9.2%、5.9%、3.5%。从组成推测，陶粒表面以硅羟基官能团为主。这在红外分析(见图4)中得到证实，在560、796、1 081 cm-1处分别有Si—O—Si基团的不对称伸缩振动峰、Si—O伸缩振动吸收峰。硅羟基在水溶液中容易离解出H+，使陶粒表现出一定表面负电性。

注：纸纤维添加量为2.5%,温度为900 ℃。图4 陶粒的红外光谱Fig.4 Infrared spectrum of ceramic grains

比表面分析结果显示，完全玻化的陶粒比表面积未检出(结果显示为负值)。900 ℃下，添加纸纤维所制陶粒的比表面积、吸附孔隙总体积、平均吸附孔隙直径与纸纤维添加量呈正相关(见表1)。可见，添加纸纤维可有效增加吸附孔隙，从而增加陶粒的比表面积，进而提高陶粒的吸水能力。

2.2 陶粒对氨氮的吸附特征分析

以NH4Cl作为吸附质，采用氨氮质量浓度分别为0、10、20、30、40、50 mg/L的NH4Cl溶液，25 ℃条件下进行陶粒的吸附试验。结果显示，所有陶粒对氨氮具备一定的吸附能力，但对Cl-则几乎没有吸附。添加纸纤维所制的3种陶粒对氨氮的吸附能力远大于未添加组，0.5 g添加3.5%纸纤维、900 ℃下所制陶粒，NH4Cl的初始质量浓度为50 mg/L时，7 h对氨氮的吸附量约为0.57 mg/g，而未添加纸纤维的陶粒仅约为0.14 mg/g，这与添加纸纤维烧蚀后的陶粒保留有大量开放的孔隙，使水可以渗透进陶粒内部，从而增大了有效比表面积有关。随着纸纤维添加量的增加，所制陶粒对氨氮的吸附能力呈略微增加的趋势，但对氨氮的吸附量没有显著差异，与比表面积也不具备显著相关性，说明静电引力与斥力是陶粒吸附氨氮的主要原因。陶粒的表面及孔内表面分布有硅羟基等活性基团，使其表现出一定表面负电性，易吸附氨氮，而陶粒只能通过表面作用产生少量Cl-吸附，这与文献[15]的研究结果一致。

25 ℃条件下吸附等温曲线如图5所示。未添加纸纤维的陶粒与添加纸纤维的各组表现出不一样的吸附特点。具体表现为：未添加纸纤维的陶粒对氨氮的平衡吸附量均低于添加纸纤维的各组，随着平衡浓度的增加，陶粒对氨氮的平衡吸附量逐渐逐渐增加；对于添加纸纤维的陶粒，当氨氮的平衡浓度较低时，陶粒的吸附量随平衡浓度增加的速度较慢，但当氨氮的平衡质量浓度接近20 mg/L时，陶粒的吸附量随平衡浓度的增大迅速增加，当平衡质量浓度继续增大到接近30 mg/L时，吸附量增加的趋势又逐渐减缓直至吸附量接近最大。

图5 氨氮的吸附等温曲线Fig.5 Adsorption isotherm of ammonia nitrogen

分别用Langmuir和Freundlich 模型进行拟合，未添加纸纤维烧制的陶粒组，Langmuir模型与Freundlich模型均能较好地描述对氨氮的等温吸附行为，这与刘莹等[19]的研究结果一致；对于添加纸纤维烧蚀法制备的3种陶粒，Langmuir模型拟合的相关系数仅为0.224～0.289(见表2)，说明氨氮的等温吸附行为只适合用Freundlich 模型描述。这是由于纸纤维的大量掺入，大大改变了陶粒的内部微孔结构，使其内部微孔表面呈现高度不均匀，以至于不再适合于Langmuir模型，这与陶粒SEM观察结果一致。

Freundlich 模型拟合参数可以看出，未添加纸纤维烧制的陶粒组的1/n明显低于其他组，且n大于1，证明该陶粒对氨氮的吸附属于优惠吸附；添加纸纤维烧制的各组陶粒的1/n大于1，KF较低，证明所制陶粒对氨氮的吸附亲和力不高，容易解吸附。

表1 陶粒的比表面积和孔径分析

表2Langmuir、Freundlich 模型拟合参数

注：1)Qm为最大吸附量，mg/g；KL为Langmuir系数， L/mg；KF为Freundlich系数，mg1-1/n·L1/n/g；n为Freundlich常数。

图6SND反应器启动过程中氨氮、硝态氮、亚硝态氮、DO的变化Fig.6 Changes of ammonia nitrogen,nitrate nitrogen,nitrite nitrogen and DO during start-up of SND reactor

2.3 SND反应器的启动

运行过程中每天氨氮、硝态氮、亚硝态氮、DO的变化如图6所示。

从4种监测指标的整体变化趋势分析可知：各试验组氨氮浓度下降的速度表现为1.5%>2.5%>3.5%>0>CK，氨氮浓度降至检测限以下所用时间依次为6、9、13、15 d，而在22 d时，CK中仍含有少量的氨氮(小于1 mg/L)，可见添加陶粒的各组氨氮浓度降低的速度要明显优于CK，并能获得较高的氨氮转化效率。相对于普通陶粒，添加纸纤维的陶粒更有利于氨氮的去除，添加1.5%纸纤维的陶粒组，氨氮浓度降低至检测限以下的时间比未添加纸纤维的普通陶粒要提前9 d，但随着纸纤维添加量的进一步增加，对氨氮的去除速率反而下降，说明陶粒中保持适度的开放孔隙有利于氨氮的转化，但孔隙过大，效率反而下降。CK的亚硝态氮仅在前期有少量积累，硝态氮表现为持续增加，证明CK中的亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的生长未受到有效抑制[11]2275，SND启动失败。添加陶粒的各组，在第4天后亚硝态氮开始大量积累，硝态氮在整个试验过程中未见积累，证明SND反应器高效地抑制了NOB 的活性，使氨氧化细菌(AOB)成为了优势菌[14]76，SND顺利启动。DO浓度的增加与氨氮浓度降低速度基本一致，氨氮浓度降低则DO浓度升高，证明氨氮氧化反应是溶液中主要的氧消耗反应。

SND反应器的作用过程可以分为3个阶段：(1)氨氮的吸附阶段。添加陶粒的各组在第1天时，氨氮浓度即有大幅度降低，降低幅度与前期陶粒对氨氮的吸附能力基本一致，此时硝态氮、亚硝态氮均未见显著积累，可见该阶段陶粒对氨氮的作用以吸附为主。(2)菌群竞争生长、增殖阶段。随着时间的进一步延长(2～8 d)，添加陶粒的各组，溶液中DO浓度变化幅度大于亚硝态氮，此阶段可以看作是各种菌群竞争生长、增殖的时期。此阶段，陶粒的开孔孔隙是影响AOB和NOB菌群竞争生长、增殖的关键，也是SND顺利启动的关键时期。具有开孔孔隙的陶粒允许水流流经陶粒内部，菌体可在孔隙内部大量吸附、生长并增殖，通过菌体生长和氨氮的氧化作用消耗氧，在微孔中形成DO梯度，由于AOB和NOB的氧亲和常数不同 (分别为0.3～0.5、0.7～1.8 mg/L[20-21])，厌氧微环境的形成抑制了NOB 的活性，使AOB成为了优势菌[10]31；未添加纸纤维的普通陶粒，只是利用表面的微孔，因此对菌群的筛选作用不强；添加纸纤维的陶粒，随着纸纤维添加量的增加，AOB形成优势菌所经历时间愈长(添加1.5%、2.5%、3.5%的纸纤维烧蚀陶粒，亚硝态氮开始积累的时间分别为2、6、10 d)；CK中由于水流循环过程的增氧作用，溶液中保持了较高的DO浓度，NOB的作用一直占主导地位，导致SND启动失败。(3)亚硝态氮的积累与分解阶段。此阶段AOB和NOB菌群基本完成增殖过程，且AOB成为了优势菌，氨氮浓度迅速降低，亚硝态氮大量积累并被反硝化细菌分解。由于陶粒对氨氮具有较强的吸附能力，因此亚硝态氮积累的峰值比氨氮浓度降至最低的时间滞后2～3 d。

2.4 陶粒的再生

对用大肠杆菌模拟挂膜的陶粒，105 ℃烘干后测定其吸水率，添加1.5%、2.5%、3.5%纸纤维所制陶粒的吸水率与挂膜前相比分别下降了47.2%、42.6%和36.1%。将挂膜后的陶粒在400 ℃煅烧40 min进行再生，测定再生陶粒的吸水率、比表面积及对氨氮的吸附能力。添加1.5%、2.5%、3.5%纸纤维所制陶粒的吸水率分别恢复到89.7%、93.2%和94.3%，比表面积与挂膜前相比恢复到95.2%、97.4%和101.3%，对氨氮的吸附能力恢复到90.1%、97.4%、106.8%。陶粒的刚性结构和耐高温的特点，决定了其良好的再生性能，添加纸纤维的量越大，再生陶粒的吸水率、比表面积及对氨氮的吸附能力恢复得也越好。

3 结 论

(1) 通过在陶土中添加1.5%的纸纤维，900 ℃烧蚀6 h，可制得内部具有开孔孔隙结构的多孔陶粒；利用该陶粒构建SND反应器，在常规淡水养殖条件下，可顺利启动SND反应，氨氮初始质量浓度为15 mg/L时，2 d时亚硝态氮开始显著积累，6 d时氨氮浓度可降至检测限以下；添加纸纤维的陶粒经烧蚀后内部形成大量具有开孔结构的孔隙，使其在SND反应过程中比普通陶粒更容易形成好氧/厌氧的微环境，同时内部具有更大的有效比表面积，从而有利于对NOB的抑制，提高SND的反应效率；但随着纸纤维添加量的增加，烧蚀后陶粒内部孔隙增大，导致内部孔隙的DO梯度变小，溶液DO浓度增加，从而使AOB成为优势菌；陶粒表面具有丰富的Si—O—Si官能团，将使陶粒表现出一定表面负电性，对溶液中氨氮有选择吸附的能力，在SND反应过程中可有效增加微生物表面的氨氮浓度，从而提高SND反应效率。

(2) 纸纤维的掺入，使陶粒内部微孔表面呈现高度不均匀，以至于所制陶粒对氨氮吸附不再适合于Langmuir模型；该陶粒对氨氮的吸附亲和力不高，容易解吸附，这对SND反应有利。

(3) 所制陶粒具备良好的再生性能，400 ℃煅烧40 min，吸水率、比表面积及对氨氮的吸附能力基本可恢复到90%以上。