改性玄武巖纖維生物巢技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

朱梓越,劉澤軍,齊嘯緣,劉丙軍,賀 凱,2*,梁止水,吳智仁

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 珠海 519082;2.廣東省環(huán)境資源利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189;4.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在污水生物處理工藝中,生物處理(生物膜法、活性污泥法等)由于具有處理效率高、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)而備受推崇。傳統(tǒng)生物膜法的原理是在水處理構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)置填料作為生物載體,待其在氧氣充足的條件下掛膜后,使污水以一定流速流過填料,填料中的微生物吸收分解水中的有機(jī)物,從而達(dá)到凈水目的[1]。填料作為其中重要的組成部分,是形成密集和多樣化的微生物群落,加強(qiáng)降解效率的關(guān)鍵[2-3]。因此,填料的開發(fā)和選擇一直以來是污水處理的研究重點(diǎn)。

目前,水處理中常用的填料為有機(jī)聚丙烯纖維、聚氨酯纖維及無機(jī)沸石等。王廣州等[4]發(fā)現(xiàn),以聚丙烯纖維、沸石為填料去除黑臭湖水中氨氮時(shí),其去除率分別可達(dá)89.7%、50.5%。曹新等[5]對(duì)比發(fā)現(xiàn),相較于沸石,聚丙烯纖維具有更好的生物親和性。張莉紅等[6]對(duì)比不同載體的掛膜效果發(fā)現(xiàn),聚氨酯纖維的啟動(dòng)掛膜快,處理效果好。然而,有機(jī)纖維類載體在生產(chǎn)過程中大多會(huì)產(chǎn)生有毒氣體,且其廢棄的纖維難降解,易造成二次污染[7]。與之相比,無機(jī)玄武巖纖維是通過礦石破碎熔融后拉制而成的,生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有毒氣體,對(duì)環(huán)境友好;同時(shí),無機(jī)玄武巖纖維具有較大面積和獨(dú)特生化特性,對(duì)污水處理效果較優(yōu)。

1 玄武巖纖維材料

近年來,以玄武巖纖維(Basalt Fiber,BF)作為微生物載體開展污水處理的研究持續(xù)受到關(guān)注(圖1)。特別是改性玄武巖纖維(Modified Basalt fiber,MBF),與目前污水處理中常用載體對(duì)比發(fā)現(xiàn),其具有更好的親水、生物親和性和水處理效果(表1)。此外,以MBF為填料可實(shí)現(xiàn)附著生長(zhǎng)微生物絮體的高密度顆粒化,構(gòu)建具有多樣性微生物種群分布的多孔透水巢狀結(jié)構(gòu)[8]。

表1 不同載體材料對(duì)比

1.1 玄武巖纖維材料的基本性質(zhì)

玄武巖是一種的天然火成巖,其主要化學(xué)成分有SiO2、A12O3和Fe2O3等。該礦石破碎后可在1 450～1 500℃的高溫下熔融并通過鉑銠合金拉絲漏板在高速下拉制成絲、再經(jīng)由加工編制成圖2所示的生物填料[7]。所制成的生物填料物化性能優(yōu)良,具體特性指標(biāo)見表2、3。

圖2 由玄武巖纖維制成的微生物載體填料

表2 玄武巖纖維物理特性指標(biāo)[9]

表3 玄武巖纖維化學(xué)特性指標(biāo)[10]

1.2 改性技術(shù)及效果

由于未經(jīng)表面改性的BF表面常呈疏水狀態(tài)及電負(fù)性,導(dǎo)致其生物親和性及吸附性能均有待提高,故需進(jìn)行表面改性。常用的改性方法有偶聯(lián)劑處理法、表面涂覆法、化學(xué)接枝法以及低溫等離子體處理法等[7,11]。Zhang等[12]用親水性陽離子聚合物(CTAC)對(duì)BF進(jìn)行改性并證實(shí)了改性能加速細(xì)菌的初始粘附。Xiao等[13]采用表面涂覆法及表面接枝法對(duì)BF進(jìn)行改性,發(fā)現(xiàn)改性后纖維的微生物固定化率提高了1.5～2.3倍。Zhang等[14]用檸檬酸鐵修飾BF,發(fā)現(xiàn)改性后纖維表面的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)含量明顯增加。Gao等[15]用不同濃度的CaCl2對(duì)BF進(jìn)行改性,發(fā)現(xiàn)纖維表面的揮發(fā)性懸浮固體增加了2.61倍。表面改性方法對(duì)MBF的表面性能提升見表4。

表4 改性玄武巖纖維的量化特性指標(biāo)

2 生物巢技術(shù)在污水處理中應(yīng)用

生物巢技術(shù)是基于生物法處理工藝中的活性污泥和生物膜原理提出的,該技術(shù)創(chuàng)新地利用改性玄武巖纖維作為生物填料,富集大量活性污泥,形成微生物聚集體并通過微生物種群的協(xié)同作用去除有機(jī)物,使污水得到凈化[16]。

2.1 生物巢技術(shù)

生物巢的形成主要是由于改性對(duì)纖維表面親水性和生物親和性的提升,使得MBF固定于填料架后能在水中自由分散、泳動(dòng)、纏繞逐漸形成籠狀結(jié)構(gòu)并富集污泥,最終發(fā)展成具有三維多膜層結(jié)構(gòu)的巢狀微生物聚集體,也即生物巢[17],生物巢內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 生物巢的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

微觀上看,生物巢的筑巢周期約為30 d,包括適應(yīng)期,成型期,成熟期和穩(wěn)定期。筑巢第一步是微生物的選擇性吸附[12],Nguyen等[18]應(yīng)用范德華力、靜電力和酸堿相互作用等理論進(jìn)行擴(kuò)展分析并發(fā)現(xiàn)微生物的吸附行為與填料表面電正性與親水性有關(guān)。一方面,MBF表面呈弱正電性,而大多數(shù)細(xì)菌在中性條件下因表面的羧基和磷酸鹽基團(tuán)而呈負(fù)電性,故細(xì)菌會(huì)在靜電力作用下吸附于填料[17];另一方面,MBF表面存在親水基團(tuán),具有較好的生物親和性,能被微生物定殖[12]。微生物吸附后,會(huì)在MBF表面分泌大量小分子有機(jī)物質(zhì),誘導(dǎo)更多微生物定殖,并逐漸形成微生物聚集體[19]。聚集體形成后,其物理化學(xué)梯度將促進(jìn)微生物間進(jìn)行水平向的基因轉(zhuǎn)移和強(qiáng)烈的胞間通訊[20]。隨著微生物群落的大量繁殖,巢狀體將逐漸形成、定型并產(chǎn)生大量以多糖和蛋白質(zhì)為主體的高分子混合物,即EPS。EPS的凝聚力逐漸增強(qiáng)并將最終完全包裹在巢狀體上。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度,高含量EPS能提供穩(wěn)定的內(nèi)部微環(huán)境,有助于微生物以高密度狀態(tài)穩(wěn)定生存[21]。從去除污染物角度,高含量EPS有利于膠體狀雜質(zhì)和懸浮物的絮凝、沉淀[22]。參照Zhang等[12]研究成果,生物巢形成過程示意見圖4。

圖4 生物巢形成過程示意

以往研究也對(duì)生物巢的生物生長(zhǎng)機(jī)理展開了微觀解析:關(guān)于不同深度細(xì)菌的分布,Ni等[19]利用激光掃描共聚焦顯微鏡(Confocal Laser Scanning Microscope,CLSM)觀察生物巢,發(fā)現(xiàn)其熒光信號(hào)強(qiáng)度由內(nèi)至外逐漸增加。結(jié)合生物巢中溶解氧濃度由內(nèi)至外逐漸增加,認(rèn)為生物巢中不同深度細(xì)菌的分布是由于對(duì)溶解氧的競(jìng)爭(zhēng),如:硝化菌、亞硝化單胞菌等好氧菌群因生長(zhǎng)速率較低、產(chǎn)量較小而大多分布在生物巢外部好氧區(qū);反硝化菌等兼性厭氧菌群大多分布于缺氧區(qū);硫酸鹽還原菌等厭氧菌群為大多分布在生物巢深層的厭氧區(qū)[20]。關(guān)于能量的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化,Nguyen等[18]根據(jù)生物巢在運(yùn)行過程中體積沒有明顯變化,推測(cè)生物巢可能通過食物鏈轉(zhuǎn)化其內(nèi)部死亡的微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),如:能量從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的細(xì)菌流失到高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的原生生物和后生生物等。關(guān)于化學(xué)反應(yīng),Ni等[21]推測(cè)生物巢中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)主要是傳統(tǒng)硝化反硝化反應(yīng)及同時(shí)硝化反硝化反應(yīng)(Simultaneous Nitrification and Denitrification,SND)。具體地,傳統(tǒng)硝化反硝化反應(yīng)是將污水中的各種含氮化合物轉(zhuǎn)化為分子氮(N2),而SND則將硝化和反硝化細(xì)菌結(jié)合在一個(gè)微空間中以促進(jìn)氮的高效去除。

2.2 污水處理應(yīng)用

目前,MBF生物巢技術(shù)在污水處理和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,常見應(yīng)用場(chǎng)景包括:高負(fù)荷有機(jī)污水處理、生活污水處理、工業(yè)污水處理、城市黑臭河道修復(fù)及人工濕地生態(tài)系統(tǒng)等(表4)。

表4 MBF生物巢技術(shù)的污水處理應(yīng)用場(chǎng)景

關(guān)于城市黑臭河道修復(fù),李東曉等[28]構(gòu)建了基于MBF仿生載體、微生物菌劑和曝氣復(fù)氧的組合工藝,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)曝氣處理可加強(qiáng)池內(nèi)有機(jī)物與微生物及溶解氧的接觸;投加微生物菌劑可促進(jìn)有機(jī)物氧化分解,緩解河道黑臭;而MBF仿生載體可有效解決微生物菌劑投加后易流失的問題。關(guān)于人工濕地生態(tài)系統(tǒng),Xiao等[29]發(fā)現(xiàn)添加BF后,濕地對(duì)氮、磷的去除率提高10%～25%。陳鳴等[30]發(fā)現(xiàn)間歇曝氣能使玄武巖纖維構(gòu)建濕地中脫氫酶和脲酶的活性得到明顯提升。

不僅在常規(guī)氮磷處理領(lǐng)域,MBF在污染物的吸附處理領(lǐng)域也具有較好的應(yīng)用前景。Sun等[31]以玄武巖纖維為載體材料,通過聚多巴胺涂層、胺化和羧化改性制備了一種新型復(fù)合吸附劑。該吸附劑易被Na2EDTA回收且其在連續(xù)4個(gè)再生循環(huán)后仍有約90%的吸附能力,在去除水中的Cu2+方面有很大的潛力。Letenkova等[32]研究了鐵(III)和鎳(II)離子在超薄玄武巖纖維(Super-thin Basalt Fiber,STBF)上的吸附動(dòng)力學(xué)的規(guī)律并建立了吸附率常數(shù)和離子擴(kuò)散系數(shù)之間的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵(III)離子的吸附平衡可由Freundlich模型很好地描述,而鎳(II)離子的吸附平衡可由Langmuir模型很好地描述。此外,針對(duì)內(nèi)分泌干擾物(EDCs)和藥品與個(gè)人護(hù)理用品(PPCPs)等新污染物,生物膜工藝也是最經(jīng)濟(jì)有效的選擇之一。李想等[33]基于活性污泥和生物膜工藝探究了污水中PPCPs的生物降解機(jī)制并建立了去除模型。

3 結(jié)束語

MBF抗沖擊能力強(qiáng)、耐酸堿腐蝕能力強(qiáng)、且具有較好的表面親水性及弱正電性,作為生物處理填料能夠形成三維(好氧、缺氧、厭氧)生物巢結(jié)構(gòu),富含多樣化的微生物群落,實(shí)現(xiàn)對(duì)多種污染物的同步去除,污泥減量明顯且能耗小。克服了傳統(tǒng)的生物填料生物親和性差、易脫落、傳質(zhì)效果差和二次污染等缺點(diǎn)。

目前,MBF生物巢技術(shù)在污水生物處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,特別是針對(duì)高負(fù)荷有機(jī)污水、印染污水、城市垃圾滲濾液等復(fù)雜污水。其節(jié)能高效的凈化效果在應(yīng)用中也得到了證實(shí),具有良好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

此外,以往研究主要關(guān)注MBF生物巢對(duì)常規(guī)污染物的去除效果,隨著中國(guó)對(duì)新污染物防控的重視,需要針對(duì)EDCs和PPCPs等新污染物在MBF生物巢中的去除機(jī)制開展相關(guān)研究。