我国竹资源丰富,竹林面积约占森林面积的3%。同时竹产业成熟,竹产品获取便捷灵活,是一种潜在的廉价碳源。纤维丝状竹锯末是竹加工后的产物,主要成份为木制纤维素。竹锯末不同于粉碎的竹屑,其具有一定硬度与硬度,纤维交互堆叠并具有丰富孔隙,不易堵塞,表面粗糙,利于微生物附着,可作为废水处理填料和反硝化碳源。与通常禾专科农业动物不同,竹为木制生物质,纤维素和木制素浓度更高,纤维结构愈发复杂紧密,造成微生物的分解相对困难。木制生物质的缺点是反硝化率不高,优点是利于常年应用。
零价铁具有物理还原性强、对微生物的生长有益、氧化产物无毒的特征,被广泛应用于地下水、废水污染物的清除等方面。生物反应器中的零价铁可剌激微生物进化并降低微生物多样性,释放的铁离子可强化微生物集聚并降低生物量,增强生物降解能力。已有研究将零价铁与需氧生物处理方式耦合以消除水底硝氮,结果表明,耦合体系具有污染物质清除率高、性能稳定、成本低等特性。纳米铁、铁粉等粒径小的铁虽比表面积大、活性高,但腐蚀过快,不利于常年借助。据悉,较小的粒径规格降低了实际应用难度。已有研究显示,比表面积较低的铁形态在水底的腐蚀相对较慢,在加强生物脱氮的过程中,可降低NH4+的产生,是一种较受追捧的铁形态。铁屑是金属加工后的下脚料,除了成本低,并且比表面积也高于纳米铁或铁粉等,利于常年应用,且其具有较好的机械与水力特点,愈加符合实际应用需求。目前,将铁屑与竹基液相反硝化系统耦合以加强脱氮的研究鲜见报导。
实验采用连续流动态反硝化装置(图1),反应柱为透明有机玻璃制成,外径为11cm,高为50cm,从下至上分别为卵石承托层(约5cm)、填料层(约32cm)和火山岩固定层(约3cm)。装置共2组:1号为耦合体系实验组,其填料层为160g竹锯末、80g铁屑和1g肥料,竹锯末逐层铺装,铁屑分2次铺装于填料层顶部,装填时,将1g肥料分层铺洒于填料层中;2号为单纯液相反硝化对照组,填料层只有160g竹锯末,和1g肥料,铺装同上,堆肥为广州水之国复合脱氮肥料(主要成份为短小芽孢杆链球菌、腊样芽孢链球菌、苏云金芽孢链球菌属微生物及营养剂等,有效活菌数≥200×108个·g-1)。实验装置总有效容积约为2.16L,采用顶部连续进水形式,温度运行105d(2021年5—9月)。先从装置顶部进水,使填料完全浸入,然后停止进水并曝晒1周,再开始连续进水并计时。进水流速为2mL·min-1,水力逗留时间约为18h。定期测试进、出水的TN、COD、总铁等指标。0~73d,进水TN约为40mg·L-1;74~105d,进水TN升至60mg·L-1左右。
有机物是反硝化的主要电子供体与能量来源,但有机物过多会引起二次污染。图2为实验装置进、出水COD变化情况。由图2可知,启动阶段(0~12d),前5d,2组出水COD较高(>100mg·L-1),然后迅速增加,9d后,2组出水COD高于50mg·L-1。13~105d(阶段I~阶段II),2组出水COD基本稳定,喻示挂膜成熟,1号和2号出水COD分别为(45.97±6.58)mg·L-1和(32.37±9.05)mg·L-1。启动阶段,竹锯末表层可溶有机物溶出较多,致使前5d出水COD较高,这确保了生物膜的快速生长。运行约12d后,竹锯末表层可溶有机物基本消耗完全,微生物主要通过分解、利用竹纤维素获取能源与电子供体等,但木制纤维素结构复杂稳定,分解较慢。另外,随着菌群的逐步稳定,微生物对纤维素类物质的分解与借助趋向平衡,随水流出的有机物不多,因而,2组出水COD在阶段I~阶段II基本维持在较低水平。