海藻酸鈉包埋對氨氧化細菌去除景觀水體中氨氮的影響分析

摘要：城市景觀水體由于凈化能力弱，一旦水體被污染將難以通過自身凈化得以恢復，因此城市景觀水體也是當前生態環境保護工作的重點之一。結合城市景觀水體的特征，選擇城市景觀水體治理理想的生物接觸氧化技術，以海藻酸鈉作為氨氧化細菌的包埋固定載體，運用生物接觸氧化系統處理城市景觀水體中的氨氮，探討氨氮的去除規律。研究結果表明，停曝比3∶1、曝氣量0.3 L/min、水溫25℃、水力停留時間1 h時，生物接觸氧化系統對NH3-N的去除效果最好。

關鍵詞：生物接觸氧化；硝化菌；景觀水體；脫氮

基金項目：金華市科技項目（2022-4-010，2022-4-011，2021-4-337）

引言

城市景觀水體由于相對流動性差，水體凈化能力弱，因此受到污染后很難自然恢復。目前，常用的景觀水體污染治理手段主有物理方法、化學方法和生物方法。其中，生物方法修復成本相對較低，運行維護技術相對成熟，可在實踐中被廣泛應用[1]。而在水處理工藝中，與其它生物處理方法相比，生物接觸氧化法處理技術具有適用范圍廣、比表面積大、水流阻力小，處理難度低等優點，在輕度污染的景觀水體處理中具有一定的優勢[2]。生物接觸氧化法處理技術是利用氨氧化細菌對污染景觀水體中的氨氮進行去除，并通過氨氧化細菌的硝化作用，將氨氧化為亞硝酸鹽，有效降低景觀水體中的氨氮濃度。但氨氧化細菌屬于自養微生物，生長周期長，形成的生物膜老化后難以脫落，會對景觀污水的凈化產生負面影響，因此需條件溫和、細胞容量高且成本低的包埋法， 通過固定化包埋微生物技術彌補以上的不足[3][4]。

固定化包埋微生物技術的關鍵在于載體材料的選用。海藻酸鈉是一類天然的多糖碳水化合物，具有較好的生物相容性，安全無毒、忍受生物降解性能好，被廣泛應用[5-8]。本研究利用海藻酸鈉作為氨氧化細菌包埋載體，運用生物接觸氧化技術處理景觀水體中的氨氮，以探索城市景觀水體中氨氮的去除規律，并優化運行參數，提高氨氮去除率。

1試驗裝置

試驗采用自行設計的生物接觸氧化裝置，裝置材料為加工而成的有機玻璃板，裝置構造如圖1所示。景觀污水由進水泵采用升流式供給，通過安裝在池底的微孔曝氣頭爆氣，填充材料（孔隙度為95%）固定在水面0.3m以下。

2試驗設備和材料

2.1 試驗設備

進水泵流量150m3/h，揚程18m，功率18.5kW；鼓風機單臺風量為1.5m3/min，采用蘇州頂裕節能設備有限公司生產的玻璃鋼鼓風機；轉子流量計為德國科隆的產品，型號為H250H；加熱器溫控儀為杭州美控自動化技術有限公司的產品；微孔曝氣頭為云南美固環保科技有限公司的產品。

2.2氨氧化細菌富集和海藻酸鈉固定化包埋

2.2.1 活性污泥的取樣和馴化

污泥取自浙江省金華市污水處理廠，將10g活性污泥置于裝有90mL氨氧化細菌培養基的250mL錐形瓶中，溫度26℃，時間20d，振蕩培養。之后，取10mL培養液，置于另一90mL新鮮的氨氧化細菌培養液，按以上條件，連續富集培養4次后，得到目標菌群。

2.2.2 海藻酸鈉固定化包埋

取適量氨氧化細菌富集培養液，通過高速離心（10000rpm/min）去除上清液，并用無菌去離子水清洗6次后備用。將3%海藻酸鈉溶液滅菌（121℃，25 min），冷卻之后與收集的目標菌群混合均勻，用毛細吸管取混合液逐滴滴入4%的CaCl2溶液中，形成均勻的固定化小球（直徑約2～4mm）。之后，放置于4℃冰箱中，固定24h，用無菌去離子水洗滌3次，瀝干備用。

2.3 實際景觀水體取樣及典型水質

試驗所用的景觀水體取自浙江省金華市，為了解其水質，連續監測1個月內的水質特征，其月平均水質特性如表1所示。

3生物接觸氧化試驗

由圖2可知，出水氨氮濃度隨著培養時間的延伸，在培養的第4天到第5天，表現為下降趨勢，至第5天后逐漸趨于平穩；進水氨氮濃度從培養的第2天開始，由前1天的下降轉化為逐漸上升趨勢，最高達約70mg/L；氨氮去除率從培養訓化的第2天到第4天，表現為逐步上升趨勢，之后趨于平穩，平均去除率達91.6％。這表明，系統運行穩定及處理效果較好。

由圖3可見，馴化培養7d后，NO2--N濃度達1.0mg/L以上，NO3--N濃度達8.0mg/L以上并逐步上升，且與進水氨氮濃度變化趨勢相似，說明在裝置體系中已建立了良好的硝化作用。但產生的硝態氮濃度低于初始氨氮濃度，只有部分的氨氮轉化為NO3--N和NO2--N，這可能是由于裝置較深，部分區域存在缺氧，反硝化菌將硝態氮還原為氮氣，起到了脫氮作用，導致脫氮菌富集引起的。

4生物接觸氧化系統運行期凈化效果

4.1曝氣量對氨氮去除效果的影響

生物氧化需不斷消耗水中的溶解氧，試驗通過裝置反應器的曝氣量以滿足水中的溶解氧濃度，同時充足的曝氣量還具有一定的攪拌作用，促進了生物膜的快速更新，保證了污染物的去除效果。生物氧化裝置曝氣運行參數如表2所示。

由圖4可知，氣水比設置為0.5∶1和1∶1時，連續曝氣對應的氨氮平均去除率僅為72.98%和63.53%。生物氧化裝置曝氣編號5#和6#，由于連續曝氣（氣水比0.5∶1和1∶1），微生物厭氧程度較低，水體中的氨氮濃度降解幅度較小。而采用間歇式曝氣，一方面可有效沖擊生物膜表面，促進生物膜更新，另一方面微生物代謝存在一個較長的厭氧過程，從而提高了氨氮的去除效果。當停曝比為3∶5、4∶4、5∶3和3∶1，平均去除率分別為81.67%、76.94%、76.05%和75.50%?？紤]到能耗成本，停曝比為3∶1，曝氣量為0.3L/min時，去除氨氮效果最佳。

4.2溫度對氨氮去除效果的影響

水溫是影響微生物活性的主要因素，可對氨氮的去除產生影響。同時，污染物質向微生物擴散的速率也與水溫有關。從圖5可知，在夏季，原水水溫在25℃左右，預處理反應器對氨氮的去除達到83.21%，去除效果穩定；在冬季，原水水溫8℃左右，對氨氮的去除下降至55.92%。這表明，水溫降低了微生物的活性和污染物擴散的速率，導致氨氮去除率下降。

4.3水力停留時間對氨氮去除效果的影響

水力停留時間是影響氨氮去除率的重要參數。如圖6所示，原水氨氮濃度為2.16mg/L、HRT為0.5h時，氨氮去除率僅為51.75%，因此水力停留時間短會造成污染物生化反應不完全，無法被充分降解處理，同時生物量不足，也會對生物膜的穩定性產生不良影響，進而降低污染物去除率。適當延長水力停留時間，水質處理效果會相應提高，當HRT為1h時，氨氮去除率達到86.49%，但繼續增大HRT至2h，出水氨氮濃度有所上升，氨氮去除效果下降，去除率僅為81.46%。因此，對微污染水來說，水力停留時間過長會使氧氣量不足，讓微生物處于內源呼吸狀態，導致生物膜老化，從而影響處理效果。

4.4 水力停留時間對亞硝態氮去除效果的影響

亞硝酸鹽細菌雖然可將氨氮氧化成亞硝態氮，但是利用微生物對污染物進行降解需要一定接觸時間作為保證，因此運行期間亞硝態氮會出現波動現象。從圖7可知，水力停留時間為0.5h時，微生物對氨氮的處理反應時間少，此時存在反應不完全，污染物未被生物膜進行完全的生化反應，轉化為亞硝酸態氮較少。HRT為1h時，微生物對氨氮去除效果較好。HRT為2h時，微生物對亞硝態氮有足夠的處理時間，但可能由于水體中的氧氣含量較低，硝化反應不完全，硝酸鹽菌未將亞硝態鹽轉化為硝酸鹽，使得亞硝態氮濃度上升，高于進水濃度。

結論

生物氧化系統對城市景觀水體具有較好的凈化效果。停曝比為3︰1、曝氣量為0.3L/min時，具有良好的凈化效果。當水溫為25℃時，氨氮的去除率為83.21%左右。HRT為1 h時，氨氮去除率為86.36%。因此，采用生物氧化系統處理城市景觀水體具有可行性，是分散式處理工藝的理想選擇。

參考文獻

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作者簡介

胡曉聰（1981—），男，漢族，浙江蘭溪人，副教授，碩士，主要從事園林環境生態研究工作。

通信作者

邢承華（1976—），男， 漢族，浙江金華人，教授，博士，主要從事環境生態研究工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-22