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生物载体功能材料论文

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1传统生态浮床的不足及其摸索

传统生态浮床存在的不足包括:①植物根系悬浮在水体中无法从底泥中获取足够的微量元素而影响其生长效果;或悬浮的根系容易被水体中草食类动物吞噬;②低温下植物枯萎后整个生态浮床系统无任何净化效果,更有甚者会产生二次污染[2];③仅有植物根系少量的生物膜和植物同化作用以致浮床净化效果相对低下。为此国内外进行诸多探索,并取得良好的效果。(1)强化浮床系统内的微生物。为了提高传统生态浮床的净化效果,业内人士进行了大量的探索。孙连鹏等[3]将固定化反硝化细胞应用到生态浮床的脱氮过程,使生态浮床系统脱氮效果大大提高;李淼等[4]将离子束辐照定向诱变技术应用于生态浮床除磷脱氮过程中,并取得了良好的效果;李先宁等[5]将滤食性动物和人工合成生物载体加入生态浮床系统中,利用滤食性动物的滤食能力提高水体的可生化性和人工材质生物载体富集微生物达到联合修复富营养化水体,取得了良好的效果。(2)强化水体的复氧过程。水体复氧过程是水体自净发生的主要成因之一。操家顺等[6]构建生物膜和浮床植物复合技术浮床,并设置了一定间距以形成大气复氧区,强化了待修复水体的复氧过程,从而提高了水体的修复效果。章永泰等[7]利用风力发电技术强化浮床系统水下曝气和水下照明,强化了水下生态系统的氧化能力和浮游植物的光合作用,从而提高水体修复效果。基于生态浮床实用性和成本低廉性原则以及各种强化手段中的共性部件(生物膜载体),业内人士均认为:人工合成生物载体加入生态浮床系统(组合式生态浮床)中是最可行、最低廉、最广泛的技术,故而被广泛研究和采用。

2组合式生态浮床和净化效果

将生物载体引入到传统生态浮床中而组建组合式生态浮床,通过提高浮床系统中微生物量和生态浮床的辐射“场强”使其净化效果得到了极大的提升[8,9]。其作用原理是:通过在不同材质生物载体上富集极其复杂的、大量的生物膜系统,提高组合式生态浮床系统内的生物量、生物种类以及系统的“生物场强”[10],提高组合式生态浮床的净化效果。而且生物载体的应用可以避免冬季低温条件下因植物枯萎而出现无净化效果的情况,因为低温条件下生物载体上的微生物虽生物净化效果差,但是仍然会有一定净化效果。

2.1传统的组合式生态浮床存在的弊端生物载体是组合式生态浮床系统的重要组成部分,最原始的形式就是将人工合成生物载体悬挂在生态浮床的底部,仅仅就是为了提高生态浮床的生物持有量和净化效果以及生物场强,并取得了良好的效果。但是这种生态浮床系统,植物根系和生物载体相互独立,并无耦合效应,植物和生物载体之间并没有很好的配合。另外也有将生物载体作为生物膜附着体和植物根系基质,植物根系和生物载体相互作用、相互依赖,生物载体为根系提供保护和承受部分污染负荷,而根系为生物载体上的微生物提供氧气。而生物载体和植物根系自身的净化效果仍然在发挥优势,而且耦合了两者的优势。

2.2新型组合式生态浮床的净化效果和现状本课题组经过大量的实验研究认为,将生物载体不悬挂于浮床底部而是作为植物生长基质,即实现生物载体和植物根系“亲密接触”而形成湿地型新型组合式生态浮床,其净化效果和管理维护会更好些。而且业内人士对生物载体作为浮床基质时的效果也进行一定的探索研究。

2.2.1无机型生物载体在生态浮床中的应用徐丽花等[11]研究了沸石、沸石-石灰石、石灰石3种生物载体系统的水质净化能力,结果表明:沸石、沸石-石灰石和石灰石系统的TN平均去除率分别为68%、78.3%、60.9%。沸石-石灰石系统的去除率最高,这是由于沸石和石灰石发生了协同作用,沸石吸附NH+4-N,石灰石促进了硝化作用,使得系统对TN的去除效果好于其生物载体单独使用时的效果。熊聚兵等[12]利用泥炭、石英砂等为植物生物载体强化脱氮过程,研究发现泥炭可提供碳源有利于脱氮,该系统中的NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N和TN的去除率分别为98.05%、98.83%、95.60%、92.41%,而石英砂提供过滤补充脱氮,两者结合的去除效果明显高于任一者的单独去除效果。无机生物载体在组合式生态浮床中具有较好的处理效果,但因其密度较大,在实际景观水体修复中需要浮体较多,增加处理成本,降低其推广效能。

2.2.2人工合成生物载体在生态浮床中的应用人工合成生物载体因其稳定性强、坚固耐用、能够有效抵挡水流冲击,在组合式生态浮床生物载体中被广泛应用。虞中杰等[13]通过构建美人蕉竹制框架下加挂球形生物载体的方式,该系统对TP、NH+4-N、NO-3-N和CODMn的去除率分别达到74.3%、76.6%、63.6%和67.5%。这得益于人工合成的球形生物载体表面易于附着微生物,有利于强化水体中污染物的降解。张雁秋等[14]以传统生态浮床为对比照组,以空心塑料生物载体作为基质和生物载体组建的组合式生态浮床系统为实验组。初始进水的TN、NH+4-N、NO-3-N是17、6、11mg/L时,该组合式生态浮床的最终TN、NH+4-N、NO-3-N的质量浓度分别为(1.05±0.20)、(0.38±0.18)、(0.17±0.03)mg/L,而传统生态浮床的最终TN、NH+4-N、NO-3-N的质量浓度分别为(5.23±1.12)、(0.29±0.11)、(4.19±2.08)mg/L,显示出良好的脱氮效果,并使硝态氮浓度保持较低浓度。

2.2.3天然纤维素物质生物载体在生态浮床中的应用玉米秸、稻草、油菜秸、麦秸等农作物秸秆和竹丝、树皮等植物茎秆类的废弃物均可以作为生物载体原料。而且用植物纤维素物质作生物载体的较其他人合成的生物载体更容易降解,使用一定时间会自行分解,比人工称合成的生物载体容易形成载体污泥更利于保护环境[15]。本课题组对植物纤维素物质进行预处理后作为组合式生态浮床的生物载体,既能合理利用秸秆资源,拓宽秸秆的利用价值,又能有效修复水体和生态环境,取得良好的效果。施亮亮等[16]构建以稻草为生物载体和植物生长基质,以美人蕉和菖蒲为植物的复合组合式生态浮床为实验组,以人工合成填料为基质的组合式生态浮床为对照组。添加稻草为生物载体的组合式生态浮床在去除污染物方面明显优于以人工合成填料为基质的组合式生态浮床。笔者在研究中发现以竹丝为生物载体的组合式生态浮床,CODMn、TN、NH+4-N和NO-3-N的平均去除率分别为63.50%、63.86%、47.80%和64.75%明显优于无生物载体组合式生态浮床的49.56%、31.29%、28.24%和43.90%,镜检发现竹丝表面具有较丰富的生物相,大量活性良好的群居钟虫、草履虫、累枝虫和鞭毛虫等,活性、数量均占优势的指示性原生动物,处理过程竹丝稳定降解,释放无机盐类和小分子有机物为微生物生长提供必需的营养成分。楼菊青等[17]发现以毛竹为原料的生物载体在膜速度、挂膜量上有较明显的优势。以上文献研究均显示了天然纤维素物质在组合式生态浮床生物载体制造领域的潜在价值,为浮床生物载体基于天然纤维素物质资源化利用的多元化发展打下坚实的基础[18]。采用天然纤维素物质不仅作为亲水性很强的生物载体,还可以作为反硝化碳源,本课题组已经通过红外光谱分析方法掌握以下信息:①可生物降解材料表面具有较丰富的亲水性基团(-OH(主要在纤维素、多糖物质中)、-CH2(主要在脂肪类物质中)、-NH2(主要为蛋白质)),可形成更为复杂的生物膜体系,更容易吸附微生物,更利于生物增殖、生物种群的多样性;②可生物降解材料使用过程中,被吸附其表面的微生物分解,形成一些可被微生物作为营养的物质,而强化微生物的生长,如果生物载体是固体碳源,释放出来的碳源有利于提高水体的脱氮效果。

3生物载体在生态浮床应用中急需解决的科学难题

3.1作为浮床基质的生物载体与植物根系交互作用机理研究作为浮床基质的生物载体与植物根系是一种相互耦合的关系,互为对方提供生长繁殖所需要的养分,在一定程度上促进提高了生态浮床系统的净化效果、净化进程和生物多样性。目前本课题组已经发现以可生物降解的稻草作为生态浮床系统中植物生长的基质时,其中水生植物(美人蕉和菖蒲)叶子呈碧绿色,而以人工合成生物载体(塑料球)为植物基质或无任何基质时,2种浮床中水生植物叶子呈浅黄色。分析认为稻草、塑料球均作为生物载体和植物基质,生长速率缓慢的硝化菌更容易附着在亲水性良好的稻草上,塑料球因其亲水性差、生物亲和性欠缺而使硝化菌增殖缓慢,稻草上大量的硝化菌就能将相对不容易被植物吸收的氨氮转化为更容易被植物吸收的硝态氮,充分的氮素使稻草基质生态浮床中的植物叶子更为翠绿,生长速率更快。即稻草基质为植物根系提供充分的养料(硝酸盐);而根系能为稻草表面微生物膜提供来自光合作用的氧气,并在稻草基质中产生脱氮所需要的好氧、缺氧环境,提高整个生态浮床的脱氮效果。但是根际微生物和生物膜相互作用、相互影响研究并没有取得很好的成果,值得深入研究。

3.2生物载体表面和植物根系表面微生物种群差异分析由于根系表面和生物载体表面存在非常大的差异,根际微生物种群类别和生物载体表面微生物类别差异、数量差异和特性差异均需要深入研究,目前很多的研究仍然处于定性分析中阶段。微生物作为生态修复和污染物去除的主体,不同生理生化特性的微生物承担着不同生物降解过程,所以掌握不同生物载体和植物根系表面微生物种群存在的差异(生长速率、呼吸类型、降解底物酶系种类、微生物种群数和数量级等),对不同污染物采取不同的不同载体和植物,或不同生物载体组合,或不同植物的多样化组合,或人工干预提供不同的环境以实现污染物去除,实现通过对微生物相关特性的强化和调控而实现微生物对污染物的降解。

3.3生物载体材质在不同污染源种类的水体修复中的选择方法生物载体作为生态浮床中重要的生物附着场所,有时也作为浮床植物的基质,其作用较大,但是随着生物载体的材质和形态等不断多样化,生物载体形态主要由从水流速度、使用方便和造景等因素考虑,对水体修复效果不会造成实质上的影响,而生物载体材质的不同对水体修复效果会产生极大的影响。传统意义上的生物载体是塑料材质,并将悬挂在生物载体框架以下,其作用原理是:在生物载体表面形成生物膜以提高生态浮床系统中微生物量达到强化生态浮床的修复效果,在其表面形成的微生物是复杂的、多样的、杂乱的丛生,并无特定的靶向污染物,在复合污染较重的现在存在一定的优势。但是塑料材质生物载体存在亲和性和亲水性差而导致微生物量少、附着困难[19]。而且对于以氮素为主要污染物且C/N低的地表水修复过程中来说并无太大的价值,因为脱氮过程中涉及硝化和反硝化过程,反硝化过程需要补充有机碳以提高脱氮效果,而塑料材料生物载体并不能提供碳源,投加液体碳源存在计量无法控制和运行管理复杂等问题,如果以人工合成高聚物作为生物载体和碳源虽然可以实现良好的脱氮过程和硝化菌群的富集,但费用过高[20,21];所以天然纤维素物质是理想的碳源、载体,不仅天然亲水性和生物亲和性可以实现生物量的最大化和挂膜的最快化,而且生物释碳按需供给和,其来自极为广泛(农业废弃物、林业废弃物等。对于磷含量相对较高的地表水体修复时,塑料材质或天然纤维素材质的生物载体应用于生态浮床中则效果较差,根据生物除磷均以排泥的方式,地表水体污染物浓度较轻,污泥量少或无污泥,无排泥也就除磷效果很低。现在一些工艺中为了提高除磷效果,采用一些孔隙多样化吸收磷或含有某些能够与磷发生化学反应的生物载体以提高除磷效果。

4展望

随着生态修复工艺技术的不断进步和水体环境形式势不容乐观以及复合污染条件下,将各种类型的生物载体和生物浮床进行耦合以应对不同污染类型、不同污染浓度将已成为发展的重点。水生植物与生物载体耦合的组合式生态浮床系统不仅强化修复效果,同时在治理过程中美化水域景观。生物载体的选择广度增大,如何根据具体的水环境特点选择有针对性的生物载体,如何根据各种生物载体的特性选择多种生物载体按一定比例组成复合生物载体提高污水脱氮除磷效果等问题值得深入研究。如能因地制宜,发展以组合式生态浮床为核心的水体修复系统,在修复过程中利用污水资源转化而来的生物资源与能源将会有非常重要的意义。

作者:李睿黄浩韩锡荣周大众曹文平刘自强单位:徐州工程学院环境工程学院

生物载体功能材料论文责任编辑:杨雪    阅读:人次