人工湿地植物外加碳源的预处理研究

由于人工湿地可以因地制宜构建、投资和运行费用较低、具有良好的水质净化和景观效果等优点，近几十年来，被广泛用于处理各种污水，在污染控制方面发挥了独特的作用[1]。但是人工湿地作为一种新兴的污水处理技术，在污水处理过程中，也面临因有机碳源不足抑制反硝化反应从而影响脱氮效果的问题[2]。目前，国内外学者针对人工湿地处理低碳源污水时脱氮效果不佳这一问题，多采用向进水中投加葡萄糖、甲醇、醋酸钠等液态有机碳[3-4]的方法。由于液态有机碳易生物降解，反应速度快，为保持稳定的脱氮效率需不断补充，从而增加了运行成本和后续管理难度[5]。植物作为一种天然纤维素原料，分解时能释放出体内富含的有机物质，为反硝化反应提供碳源，提高人工湿地脱氮效率，克服液体碳源需经常添加的困难，具有后续管理方便等优点[6]。已有研究发现将植物添加到人工湿地中可显著提高系统的反硝化脱氮效能[7-12]。但是在实际应用中，直接以纤维素类物质作为外加碳源时，反应一段时间后纤维素类物质中坚硬的晶格结构和纤维素、半纤维素和木质素的交联缠绕不利于碳源的分解利用，释放的碳源不足以满足高效反硝化的需要，致使脱氮速率降低。针对这一问题，目前通常对纤维素类物质进行预处理加以解决。本研究以玉米秸秆为研究对象，采用碱加热处理和酸加碱处理2种处理方法对玉米秸秆进行预处理，分析每种预处理方法对玉米秸秆碳、氮、磷元素释放量、释放速率、释放C/N等方面的影响，优选出适宜的玉米秸秆固体碳源预处理方式，以期为提高玉米秸秆作为生物反硝化固体碳源的脱氮效果提供参考。1实验部分1.1实验材料将玉米秸秆水洗除尘，108℃烘干2h，剪短至1cm左右，而后纵向剪成适宜大小，放在80℃的干燥箱中烘干待用。称取2份20g切好的玉米秸秆，一份加入盛有500mL质量分数1%NaOH溶液的烧杯中900℃恒温水浴加热1h，一份先加入盛有500mL质量分数20%HCl溶液的烧杯中900℃恒温水浴加热1h，再加入盛有500mL质量分数1%NaOH溶液的烧杯人工湿地植物外加碳源的预处理研究马兴冠1，赵秋菊1，江涛2（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168；2.广州市市政工程设计研究院，广东广州510060）摘要：为使纤维素类物质在作为人工湿地外加碳源时，能够持续释放更多的碳，满足反硝化的需要，提高人工湿地脱氮效率。以玉米秸秆作为研究对象，分别采用1%NaOH溶液中加热浸泡1h，20%HCl溶液中加热浸泡1h之后再在1%NaOH溶液中加热浸泡1h的方法对玉米秸秆进行预处理。结果表明，碱加热处理玉米秸秆的碳源累积释放量约为酸加碱处理秸秆释放量的2倍，碱加热处理和酸加碱处理后的玉米秸秆累积C/N分别稳定在26.6、12.3，并且通过对碱加热处理玉米秸秆进行荧光分析得知其中含有大量微生物可利用的小分子类氨基酸物质。碱加热处理后玉米秸秆较适宜作为人工湿地的反硝化碳源，碱加热处理更有利于秸秆木质纤维素、半纤维素的释放，更适宜作为植物外加碳源的预处理方式。关键词：外加碳源；预处理；C/N；荧光分析中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-3770(2015)07-0026-005收稿日期：2015-02-03基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项项目（2012ZX07505-004）作者简介：马兴冠（1972－），男，教授，研究方向为水处理技术；电子邮件：95106396@qq.com联系作者：赵秋菊；电子邮件：771639560@qq.com第41卷第7期2015年7月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.41No.7Jul.,201526中900℃恒温水浴加热1h。处理后用自来水洗净，在烘箱中烘干至恒重，放在烘箱内冷却，然后装入样品袋置于干燥器中备用。1.2实验方法分别称取1.5g上述预处理后的2种样品置于250mL锥形瓶内，加入250mL蒸馏水浸泡，并用带有小孔的保鲜膜封住瓶口，分别在0.5、1、2、3、4、5、10、24、48、72、96、120、144h时取水样上清液测定COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP等常规水质指标。每次取样后换水，并确保水质、水温不变。1.3主要监测指标及方法本实验主要监测水质指标包括COD、DO、pH、TN、TP、氨氮、硝态氮、亚硝态氮等，其中COD采用快速消解法，DO采用膜电极法，pH采用玻璃电极法，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，硝态氮（NO3--N）采用紫外分光光度法，亚硝态氮（NO2--N）采用N-(1萘基)-乙二胺光度法，TN采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法，TP采用过硫酸钾钼锑抗分光光度法进行测定[13]。2结果与讨论2.1释放速率规律2.1.1COD玉米秸秆经过预处理，原有的结构被破坏，由于预处理条件不同，被破坏程度