Purification effect of immobilized effective microorganism community of fly ash ceramsite on aquaculture wastewater

粉煤灰取自某热电厂的干排粉煤灰。X射线荧光光谱(XRF)成分分析表明：粉煤灰中的主要成分(质量分数)：二氧化硅56.42%、三氧化二铝24.33%、三氧化二铁4.28%、氧化钙3.36%、氧化镁1.44%、氧化钾1.37%、其他8.80%；池塘底泥，取自淮安白马湖水产养殖池塘，黑色，具臭味，自然风干后，105 ℃烘干，粉碎后过100目筛；还原铁粉、碳酸钙粉末、EM原液(南京爱睦乐生物技术有限公司生产，有效菌数量约1.0×10¹²个·L⁻¹)、糖蜜。

将EM原液、糖蜜、去离子水、质量浓度为2%的钙离子(Ca²⁺)溶液按1∶1∶6∶2的体积比例混合，转入发酵瓶中，150~220 r·min⁻¹恒温震荡发酵4~6 d(常温密闭条件)，制得含螯合态钙成分的EM菌液。将粉煤灰、活性底泥、铁粉 (氧化铁和二氧化三铁)、碳酸钙按一定质量百分比均匀混合(表1)，洗净、灭菌后烘干，将混合物放入造粒机中造粒，烘干，于1 100 ℃下烧结，制得粉煤灰陶粒。将粉煤灰陶粒与EM菌液混合浸泡2 d，使菌液均匀地吸附于粉煤灰陶粒表面，制成固定化EM粉煤灰陶粒(0.3~0.5 g·粒⁻¹)。

分别称取1.17 g氯化铵，0.13 g磷酸二氢钾溶于1 L水中，制得氨氮质量浓度为30 mg·L⁻¹、磷酸根质量浓度为30 mg·L⁻¹的氮、磷溶液。取250 mL氮、磷溶液，分别加入不同组分的粉煤灰陶粒，设置处理为T₁、T₂、T₃，每个处理粉煤灰陶粒投放量为7个梯度(0.2、0.4、0.8、1.0、2.0、5.0 g)。将混合溶液在室温125 r·min⁻¹条件下连续振荡24 h，分别在1、2、4、8、12、24 h取水样，离心、0.45 μm滤膜过滤后，比色测定上清液总氮和总磷。

称取氯化铵1.19 g，硝酸钾0.04 g，磷酸二氢钾0.09 g，葡萄糖0.47 g，加入到1 L的水中，配制氨氮、总氮、总磷及化学需氧量质量浓度分别为50、55、20、500 mg·L⁻¹的水产养殖污水。取250 mL配制水样，通过以上实验确定合适投加量，分别加入不同组分的粉煤灰固定化EM陶粒，常温条件下曝气培养6 d，隔1 d采集水样，测定氨氮、总氮、总磷质量浓度。

总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；电镜采用Hitach S-480型扫描电子显微镜(日本Hitach公司)。数据取3次重复的平均值，用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，各因素不同水平的差异采用LSD法进行多重比较，P＜0.05表示差异显著。

由15 000倍下的扫描电子显微镜图(图1)可知：T₁与T₂相较于T₃处理的表面孔隙较多，相对粗糙，其中T₂表面最为粗糙，表面沟壑结构明显。根据表2粉煤灰陶粒性能可知，T₃粉煤灰陶粒磨损率为1.78%，比表面积为1.42 m²·g⁻¹，说明粉煤灰陶粒具有一定的耐久度以及较高的比表面积。进一步分析各组粉煤灰陶粒的元素组成，T₁和T₂的铁质量分数远高于T₃。结合李亮等^[17]的研究与表3可以判断，T₁、T₂表面的颗粒物质可能为铁氧化物，为粉煤灰陶粒吸附氮磷提供强化效果。

Figure 1.  SEM photo of fly ash ceramsite with different proportions (×15 000)

T₁和T₂在硅、镁、铝、钾等元素的质量分数也有明显差异，这应该是由于制作时添加的粉煤灰与池塘底泥配比不同造成的。粉煤灰陶粒含有硅、铝、铁、镁等金属氧化物，且富含羟基、羧基等含氧官能团，有效提高陶粒表面的亲水性，也促进了陶粒对氮、磷的吸附^[18]。相较于T₁与T₂，T₃的陶粒没有加入铁粉，而T₁与T₂的孔隙率高于T₃，并且具有较大的比表面积，证明铁粉可改变粉煤灰陶粒表面的孔隙结构，缓解固液相间的阻力，促进毛细管作用对氮、磷的吸附，并通过表面张力将其束缚，强化粉煤灰陶粒对氮、磷理化吸附效果。

如图2所示：粉煤灰组分含量较低时，所制备陶粒对氮、磷具有一定吸附作用，但效果并不理想，吸附前2 h，氮、磷吸附速率最大，随后吸附趋于稳定。T₁和T₂中氮、磷的吸附效果远高于T₃，表明陶粒中粉煤灰与氧化铁发生化学反应生成的结合体可强化对氮、磷的吸附。这与鲍腾等^[19]、茹菁宇等^[20]的研究结论一致。

Figure 2.  Curve of nitrogen and phosphorus adsorbed by fly ash ceramsite on 5 g with different proportions under untreated conditions

进一步采用Langmuir和Freundlich吸附方程对实验数据进行拟合。Langmuir等温线是单层吸附，假设表面上有均匀的能量位点，其线性形式由以下方程表示^[21]：

式(1)中：Q_e(mg·kg⁻¹)是粉煤灰陶粒上的平衡氮磷质量分数，C_e (mg·L⁻¹)是溶液中的平衡氮磷质量浓度，Q_m (mg·kg⁻¹)是最大单层氮磷吸附容量，k_L (L·mg⁻¹)是吸附常数。

Freundlich等温线是用于描述非均质系统的经验吸附方程，其线性化形式写成^[22]：

式(2)中：K_F[(mg·kg⁻¹)·(mg·L⁻¹)^−1/n]和1/n是Freundlich常数，分别与吸附容量和吸附强度有关。

模型拟合的结果及相关参数如图3和表4所示。结果显示：不同组分粉煤灰陶粒对氮磷的吸附特征均符合Langmuir(R²＞0.982)和Freundlich (R²＞0.971) 等温方程，表明吸附前期陶粒主要通过物理吸附方式吸附水体氮、磷，T₂的粉煤灰陶粒最大单层氮磷吸附容量可分别达到1 652.0和1 113.7 mg·kg⁻¹。

Figure 3.  Langmuir and Freundlich fitting curves for adsorption of nitrogen and phosphorus by fly ash ceramsite with different proportions under untreated conditions

根据等温吸附试验确定了粉煤灰陶粒的投加量5 g净化效果较好，加入5 g不同配比粉煤灰EM陶粒对模拟水产养殖废水的氨氮及总氮去除效果进行研究，结果如图4所示。处理6 d后，T₁、T₂和T₃的氨氮去除率分别为90.50%、98.67%和83.81%，总氮去除率分别为92.18%、93.80%和70.91%。由此认为：EM可以提升粉煤灰陶粒对氨氮及总氮的去除效果，提升程度受粉煤灰陶粒中粉煤灰与铁粉的比例影响。T₁较T₂的粉煤灰陶粒的粉煤灰含量低10%，陶粒的孔隙较少，且生物相容性较差，吸附的微生物量较少，导致T₁氨氮及总氮去除效果相对较差。此外，当铁粉比例较低时，陶粒表面铁氧化物质量分数减少，比表面积和含氧官能团含量下降，也会导致微生物负载量下降，因此，T₃中的氨氮及总氮去除效果受到了一定影响。各处理氨氮质量浓度在3 d时大幅下降，氨氮去除率高达78.89% ~85.55%。这是由于实验初期分解氨氮的硝化细菌并未活化，随着时间推移，硝化细菌经过扩繁逐渐适应水体环境，进而开始发挥作用，大量分解氨氮。各处理总氮质量浓度在5 d后维持相对稳定，可能是由于微生物所需碳源匮乏，抑制了其脱氮功效，这与唐海芳^[23]的研究结果一致。T₂中氨氮及总氮的去除效果最好，说明添加铁粉并调节好其与粉煤灰的配比有利于提升粉煤灰EM菌陶粒的氮素净化效果。

Figure 4.  Curves of NH₄⁺ and TN Concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

不同配比EM粉煤灰陶粒对总磷的去除效果如图5所示。各处理总磷质量浓度随处理时间呈降低—升高—降低的变化规律。实验结束后，T₁、T₂和T₃总磷去除率分别为37.35%、45.35%和29.00%。各时段T₂的总磷去除效果最好，这主要与EM去除总磷的机理有关。EM中的聚磷菌在厌氧条件下可将聚磷酸盐以${\rm{PO}}_4^{3-} $-P等形式释放，并在好氧条件下通过氧化分解反应将其脱除^[24]。相比T₁和T₃，T₂处理陶粒表面附着的有效微生物较多，因此总磷的去除效果最优。此外，由于在T₂陶粒中添加了铁粉，其表面的氧化铁、三氧化二铁在水中的水解产物氢氧化铁可与游离态的磷酸根相结合形成沉淀，因而也促进了总磷的去除。本研究中，相较于氮，总磷去除率并不高。一方面由于微生物新陈代谢的持续进行大量消耗了水中的溶解氧导致被聚磷菌吸收的磷二次释放，另一方面微生物细胞的衰老破裂也会导致磷的二次释放。

Figure 5.  Curves of TP concentrations with time under immobilization of EM bacteria on 5 g fly ash ceramsite with different proportions

由图4和图5还可看出：实验结束后，较空白处理，T₂中的氨氮、总氮和总磷去除率分别提高了约70%、60%和25%，表明EM菌强化粉煤灰陶粒去除氮、磷的效果显著。尽管多孔结构，陶粒对氮、磷有一定吸附作用，但由于得不到降解，这部分被吸附的氮、磷依旧存在二次污染的风险，而通过将微生物固定化在粉煤灰陶粒中，可提高微生物对水体环境的适应能力，充分发挥其对氮磷污染物的降解作用，更加有效地提升对水质的净化效果。

本研究以粉煤灰与活性底泥为主要原料，与铁粉和碳酸钙粉末按不同材料配比制作粉煤灰陶粒，通过制作陶粒的性能和其对氮、磷的吸附效果确定最佳配比粉煤灰陶粒，并与EM联合净化模拟水产养殖废水得出以下结论。①通过等温吸附试验，发现前2 h吸附速率较快，比较对氮磷的去除率，筛选出最佳配比的煤灰陶粒中质量比为m(粉煤灰)∶m(活性底泥)∶m(碳酸钙)∶m(铁粉)=50∶40∶5∶5。② T₂粉煤灰陶粒单独对总氮、总磷的去除率分别为29.89%和20.50%，在与EM联合作用后总氮、总磷去除率最大可达93.80%和45.35%。说明粉煤灰陶粒与EM联合作用下，微生物是水体中氮去除的主力军，对磷的去除亦有一定作用。将微生物固定化在粉煤灰陶粒中，能进一步发挥微生物对水体中氮磷的净化作用。③粉煤灰陶粒的磨损率和比表面积最高为1.78%和2.21 m²·g⁻¹，表明利用粉煤灰烧制的陶粒具有较强的耐久性，且烧制表面孔隙成形较好；加入适量铁粉后，陶粒烧制过程中生成的铁氧化物能够改变粉煤灰陶粒的表面特征，增强对氮磷的吸附作用。④试验表明：陶粒浸泡在EM复壮液中，一段时间后能吸附微生物成膜，可作为生物滤池、生态湿地的生物填料部分，固定化微生物防止其流失、扩散到自然水体，造成潜在生态问题。今后研究中可选取特定微生物菌种来代替EM，进一步强化微生物对特定污染物的去除作用。