生物沸石与微污染水源净化8梁国飞颜培实（南京农业大学动物科技学院南京 210095）摘要：通过实验室和现场应用研究生物沸石净化微污染水源的效果，实验室研究结果显示添加菌种和微孔滤膜有利于生物沸石的形成，沸石组（Z组）、滤膜组（FM组）、菌种组（SZ组）和菌种滤膜组（SF组）生物膜形成时间分别为35d、 30d、18d和16d；生物沸石净化微污染水源适宜的滤速为6-8m/h，此时对NH3-N 的去除率为95.4%，对COD Mn的去除率为39.8%；现场实验结果显示生物膜成熟后，出水NH3-N浓度低于0.2mg/L，出水NO2—N浓度低于0.01mg/L；生物沸石对COD Mn的去除率稳定在45%左右，比沸石对COD Mn的去除率高出20%；沸石对大肠杆菌很好的去除效果，挂膜第4天对大肠杆菌的去除率为93.7%，第11天的去除率为69.3%。
关键词：生物沸石；氨氮；大肠杆菌数；COD Mn天然沸石可以用于微污染水源去除氨氮，当沸石吸附水体中的铵达到一定水平后，就必须考虑更换沸石或对沸石进行再生将富集于沸石上的铵解吸或转化，恢复沸石对铵的吸附能力。
Murphy等人在1978年提出了沸石生物再生法[1]，在浸没沸石的溶液中加入一定量的硝化细菌，观察到15d的转化效果相当于不加菌种时28d的效果，生物再生后的沸石可恢复80%的铵吸附容量。
生物再生法成本低廉，但再生速率慢、效率低，所以实际应用价值似乎不大，这方面的研究曾一度处于停滞状态。
随着环境问题的日益复杂，沸石的生物再生问题重新被认识，并且得到深入研究。
Tsuno等（1994）开发了生物沸石反应器[2]，在反应器中，沸石既是铵的吸附材料，又是硝化细菌生长的载体，它会逐渐变成长满细菌的生物沸石。
由于沸石对铵地交换作用，水体氨氮浓度受到控制，吸附到沸石上的铵会被表面的细菌硝化，实现沸石的动态生物再生。
因而生物沸石反应器可以稳定地去除高浓度氨氮，并能适应冲击负荷。
在长期的实际应用中，频繁更换沸石会增加劳动量，而化学再生法成本较高、流程复杂等缺点在一定程度上限制了沸石的应用，而依靠微生物的作用，将沸石进行生物再生，在技术上和经济上均具有可行性。
我们在实验室和现场开展生物沸石对微污染水源中低浓度氨氮去除效果及可行性研究。
1、材料和方法1.1沸石材料沸石材料来源处理方法同第一章，沸石粒度为0.355-2.0mm。
1.2实验装置1.2.1实验室实验装置实验室实验采用高位逆流进水方式，基本装置图同动态吸附装置。
交换柱用PVC管制成，柱高为120cm，内径为40mm，沸石柱填充高度为60cm。
1.2.2现场实验装置水泵将水井中地下水打入鸡棚内高位水箱中，沸石柱接在高位水箱和自动饮水器管网之间，高位水箱中水经沸石柱净化处理后进入自动饮水器管网，实验装置基本示意图如1。
交换柱用PVC管制成，柱高为120cm，内径为160mm，沸石柱填充高度为60cm。
1.3实验内容1.3.1实验室实验原水采用池塘水，塘水氨氮平均浓度为3.43mg/L，亚硝酸盐氮平均浓度为0.74mg/L，COD Mn平均浓度为4.26mg/L，溶解氧平均浓度为2.55mg/L。
实验按照添加菌种和滤膜分四8梁国飞，男，农学硕士，环境测试与污染控制。
导师：颜培实博士，家畜环境卫生学。
组：对照组（Z组）、滤膜组（FM组）、菌种组（SZ组）、菌种滤膜组（SF组），每组三个重复。
滤膜组在沸石柱上加0.22µm微孔滤膜；菌种组将菌种（1L活性污泥）和沸石混合装填入交换柱中，通入塘水至将沸石柱全部浸没，按气水比1.5：1.0曝气培养24h；菌种滤膜组按菌种相同处理后在交换柱中加入0.22µm微孔滤膜。
将交换柱接到高位水箱，按照气水比1.0:1.0曝气，控制进水线速度4.0m/h通水。
间隔24h取样测定氨氮、亚硝酸盐氮浓度，以出水氨氮和亚硝酸盐氮浓度降低并稳定于较低水平来判定沸石生物膜形成。
生物沸石形成后，调节进水线速度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0m/h，通水4h后取样测定氨氮、COD Mn，观察滤速对生物沸石净化微污染水源效果的影响。
图1 实验装置图Fig.1 The diagram of experimental apparatus1.3.2 水质调查黄墟镇位于镇江市丹徒区东部，总面积40.2 hm2，地形以低山丘陵为主，人畜用水以自家浅井水为主，2007年初黄墟镇并入姚桥镇。
2007年12月分别对姚桥镇20户4年以上的养殖户和20户1年内养殖户浅井水进行水质调查，一年以内包括未进鸡的新建棚。
主要测定指标为pH值、氨氮浓度、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、COD Mn、氯化物、总硬度。
1.3.3现场实验现场实验分别在黄墟镇两养殖户家进行，徐姓养殖户养殖规模为1.2万羽，浅井水平均氨氮浓度为1.83mg/L，COD Mn平均浓度为10.58mg/L，溶解氧平均浓度为4.58mg/L，水温为20-17℃；於姓养殖户养殖规模为7000羽，浅井水平均氨氮浓度为1.26mg/L，COD Mn 平均浓度4.02mg/L，溶解氧平均浓度6.37mg/L，水温为21-19℃。
将菌种、营养物（0.5g氯化铵）和沸石混合装填入交换柱中，通入井水至将沸石柱全部浸没，按气水比1.5：1.0曝气培养16h。
将沸石柱接入高位水箱和自动饮水器管网之间，间隔24h取进出水样测定pH值、氨氮浓度、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和CODMn。
第3d、第10d和第17d取徐姓养殖户进水和出水测大肠杆菌数。
1.4测定指标和方法实验中主要测定指标为pH值、氨氮浓度、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、COD Mn、氯化物、总硬度、溶解氧和大肠杆菌数，具体测定方法和主要测定仪器如下：pH值：玻璃电极法（GB6920-86），pH计（pH-HJ90B，上海雷磁，中国）氨氮浓度：纳氏试剂比色法（GB7479-87），紫外可见分光光度计（UV-120-02，岛津，日本）亚硝酸盐氮浓度：重氮化偶合比色法（GB7493-87），紫外可见分光光度计（同上）硝酸盐氮浓度：紫外分光光度法（GB7480-87），紫外可见分光光度计（同上）COD Mn：酸性高锰酸钾滴定法（GB/T11892-89）氯化物：硝酸银滴定法（GB11896-89）总硬度：EDTA-2Na容量法（GB7477-87）溶解氧：碘量法（ISO5813-1983）大肠杆菌数：麦康凯琼脂法1.5数据分析实验数据用Excel进行初步处理分析，作折线图、柱状图，水质调查试验结果作单因素方差分析，差异性检验。
2、实验结果2.1实验室实验结果2.1.1生物沸石形成时间图2为不同条件下生物沸石形成所需时间。
结果显示添加菌种和微孔滤膜有利于生物沸石的形成，沸石组（Z组）、滤膜组（FM组）、菌种组（SZ组）和菌种滤膜组（SF组）生物膜形成时间分别为35d、 30d、18d和16d。
添加菌种和微孔滤膜有利于生物膜的形成，添加菌种时再加微孔滤膜对生物膜形成的作用小于未添加菌种时。
图2不同条件下生物沸石形成所需时间Fig2 Culture time of bio-zeolite under different conditions2.2.1滤速对生物沸石净水效果的影响表1为滤速对生物沸石净水效果的影响，结果显示线速度在2-8m/h时，生物沸石对氨氮的去除率在91-98%，对COD Mn的去除率在37-43%；当线速度到10m/h时，生物沸石对氨氮的去除率为75.6%，对COD Mn的去除率为25.45%，线速度过大，水力停留时间短，不利于沸石对水中氨氮的离子交换吸附，使得出水氨氮浓度升高，对氨氮去除率降低；同时线速度过大，容易造成生物膜脱落，使得出水有机物浓度升高。
生物沸石净化微污染水源适宜的滤速为6-8m/h。
表1滤速对生物沸石去除氨氮和CODMn的影响Fig3-1 Effect of flow rate on ammonia and CODMn removal滤速（m/h） 2 4 6 8 10 NH3-N去除率（%）97.67±0.52 97.00±1.00 95.33±1.53 91.32±1.52 75.60±2.64 COD Mn去除率（%）43.13±0.72 42.51±2.01 40.95±2.31 37.52±2.52 25.45±1.802.2水质调查结果调查结果显示，所调查水井的主要超量指标为氨氮和COD Mn（地下水Ⅲ类水标准氨氮为0.2mg/L，COD Mn为3.0mg/L），4年以上浅井水氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和COD Mn均高于1年以内养殖户的浅井水，且差异极显著（P＜0.01）；pH值、氯化物和总硬度则是1年以内养殖户的浅井水高于4年以上养殖户的浅井水，差异极显著（Ｐ＜0.01）。
具体情况见表2。
表2 水质调查结果Table2 Result of water quality survey4年以上1年以内项目平均值合格率a平均值合格率pH值 6.49±0.20 50% 7.36±0.40 100% NH3-N(mg/L) 1.23±0.22 0% 0.54±0.22 10% NO3--N(mg/L) 0.70±0.45 100% 0.42±0.34 100% NO2--N(mg/L) 0.015±0.006 100% 0.007±0.005 100% COD Mn (mg/L) 7.72±4.34 9% 3.29±1.47 45%氯化物(mg/L) 38.38±7.46 100% 50.14±11.15 100% 总硬度(mg/L) 116.43±16.40 100% 156.55±49.85 100%注：a以地下水质量标准（GB/T14848-93）Ⅲ类水标准为评价标准2.3现场实验结果2.3.1挂膜期间三态氮变化从图3可以看出挂膜初期的4-5d对氨氮的去除率较高且不断下降，前两天对氨氮的去除率在90%左右，此后3d出水氨氮浓度逐渐变大，对氨氮的去除率不断下降；第6-10d，出水氨氮浓度较高，沸石对氨氮的去除率在45%之间；第10-13d，出水氨氮浓度逐渐减少，对氨氮的去除率逐渐升高至70%左右；第14-17d，对氨氮的去除率稳定在95%左右，出水氨氮浓度低于0.2mg/L。
对NO2-N的监测结果显示：前4d，进出水NO2--N浓度基本不变，第5d后，出水NO2--N浓度逐渐升高，第10d出水NO2--N达到最高，之后开始降低，到第15d，出水NO2--N浓度低于0.01mg/L。