負載EM菌天然沸石對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 a. 生命與環境科學學院，b. 生態系統保護與恢復杭州市重點實驗室，浙江 杭州 310036)

隨著世界人口的急劇增加、城市化進程的不斷加快，以及工業、農業的快速發展，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養化的元兇之一。富營養化水體中的藻類會大量生長繁殖[4-5]，致使水中溶解氧含量降低，水質惡化，水中魚類及其他水生生物大量死亡[6]。目前，我國水體富營養化現象較為嚴重[7-9]，去除水中過量的氨氮刻不容緩。

國內外學者采用生物法[10-12]、化學沉淀法[13]、折點加氯法[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，生物法具有對水質適應性強、處理效果好、運行管理方便等優點，而物化法的處理效果穩定、處理速度較快；因此，物化法與生物法相結合的處理方法成為關注的熱點。有學者將膜生物反應器與反滲透法結合，處理焦化廢水中的氨氮，去除率高達99.8%[15]。

沸石是一種含水的具有四面體結構的鋁硅酸鹽天然礦石，對NH3等極性分子和微生物有很強的吸附能力。沸石種類豐富，價格低廉，已成為處理富營養化水體的重要材料[20]。沸石對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，利用微生物的硝化與反硝化作用脫氮，有望提升沸石對氨氮的去除效果。為此，特選擇負載EM菌的天然沸石進行試驗。首先考查吸附時間、沸石粒徑、沸石投加量及氨氮初始濃度對于天然沸石去除氨氮的影響，然后根據以上試驗結果，選擇天然沸石負載EM菌，考查EM菌濃度、EM菌接觸時間對負載EM菌天然沸石去除氨氮的影響。為沸石聯合生物法處理污水氨氮提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用天然沸石產自河南鞏義，為斜發沸石，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k60≤1.5，不均勻系數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，主要成分為硝化細菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌、地衣芽孢桿菌、光合細菌等。

1.2 方法

1.2.1 天然沸石去除氨氮試驗

取洗凈烘干的天然沸石，稱取相同質量，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，吸附不同時間后取上清液，采用連續流動-水楊酸分光光度法(HJ 665—2013)測定上清液中的氨氮濃度，確定最佳吸附時間。根據確定的最佳吸附時間，稱取相同質量、不同粒徑的天然沸石對100 mL 10 mg·L-1氨氮模擬溶液進行吸附，測定上清液中的氨氮濃度，確定最佳沸石粒徑。根據確定的最佳吸附時間、最佳沸石粒徑，稱取不同質量的天然沸石對100 mL 10 mg·L-1氨氮模擬溶液進行吸附，測定上清液中的氨氮濃度，比較不同沸石投加量對氨氮去除的影響。根據最佳吸附時間，稱取等質量的最佳粒徑的天然沸石對100 mL不同濃度氨氮模擬溶液進行吸附，比較不同初始氨氮濃度對氨氮去除的影響。

1.2.2 天然沸石負載EM菌去除氨氮試驗

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

2 結果與分析

2.1 天然沸石去除氨氮

2.1.1 吸附時間的影響

天然沸石吸附時間對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一致，均在5 min時達到最高值，此時去除率為4.24%，吸附量為0.088 mg·g-1，說明試驗所用的天然沸石對于氨氮的吸附并不穩定，去除率和吸附量在達到一個極值后會迅速下降。可能是由于過長的吸附時間會導致氨氮從沸石中解吸出來。

圖1 吸附時間對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，對氨氮的去除率越高。該結果與以往的研究一致[21]。粒徑0.5～1 mm的天然沸石對氨氮的去除率為4.24%，而粒徑2～4 mm的天然沸石對氨氮的去除率只有1.4%。這是因為當沸石質量一定時，粒徑小的天然沸石總的比表面積大，因此，對氨氮的吸附效果更好。

圖2 粒徑對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，氨氮去除率為2.1%，吸附量為0.464 mg·g-1；當沸石投加量為2.5 g時，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到一定值后，繼續增加投加量，反而會降低單位沸石的吸附量。

圖3 投加量對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20 mg·L-1氨氮溶液的去除率最高，達6.62%，吸附量為0.265 mg·g-1。天然沸石對氨氮去除率和吸附量均隨著氨氮初始濃度的增加而增加。當天然沸石質量一定時，在一定范圍內氨氮初始濃度越高，天然沸石對氨氮的去除效果越好。

圖4 氨氮初始濃度對沸石去除氨氮的影響

2.2 天然沸石負載EM菌去除氨氮

2.2.1 EM菌濃度的影響

如圖5所示：當EM菌≤9.6×109mL-1時，隨著EM菌濃度的增加，負載EM菌天然沸石對氨氮的去除率和吸附量逐漸增加；當EM菌濃度為9.6×109mL-1時，負載EM菌天然沸石對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，負載EM菌天然沸石對氨氮的去除率及吸附量有所下降。

圖5 EM菌濃度對負載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間的影響

如圖6所示，EM菌與天然沸石接觸時間對氨氮去除率和吸附量的影響表現為先增加后減小。當EM菌與天然沸石接觸6 h時，對氨氮的去除率和吸附量分別為4.81%和0.097 mg·g-1；當接觸時間延長至24 h，對氨氮的去除率和吸附量分別為24.79%和0.502 mg·g-1；繼續增加接觸時間至48 h，對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間對負載EM菌天然沸石去除氨氮的影響

2.2.3 負載EM菌天然沸石對氨氮的去除效果

根據前述試驗確定的最佳反應條件(EM菌濃度，及EM菌與天然沸石的接觸時間)，制備負載EM菌天然沸石，對100 mL含10 mg·L-1氨氮的水體進行吸附試驗。結果表明，負載EM菌天然沸石對氨氮的去除率和吸附量隨時間延長表現為先增加后平衡的狀態，吸附3 d左右即達到一個較為穩定的狀態，去除率和吸附量分別穩定在21.81%～24.79%和0.441～0.502 mg·g-1(圖7)。相較于天然沸石，負載EM菌的天然沸石對氨氮的去除效果有所提升，且去除效果穩定。

圖7 負載EM菌天然沸石對氨氮的去除效果

3 小結

本試驗表明，粒徑0.5～1 mm的天然沸石吸附5 min，即對100 mL含10 mg·L-1氨氮的模擬溶液達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降低單位質量天然沸石對于氨氮的吸附量。在天然沸石上負載EM菌可提升其對水體氨氮的去除效果。天然沸石負載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，負載EM菌的天然沸石對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24.79%和0.502 mg·g-1，且處理效果穩定，可為沸石聯合微生物處理低濃度氨氮提供參考。

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