生物載體功能材料論文范文

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1傳統生態浮床的不足及其摸索

傳統生態浮床存在的不足包括：①植物根系懸浮在水體中無法從底泥中獲取足夠的微量元素而影響其生長效果；或懸浮的根系容易被水體中草食類動物吞噬；②低溫下植物枯萎后整個生態浮床系統無任何凈化效果，更有甚者會產生二次污染［2］；③僅有植物根系少量的生物膜和植物同化作用以致浮床凈化效果相對低下。為此國內外進行諸多探索，并取得良好的效果。（1）強化浮床系統內的微生物。為了提高傳統生態浮床的凈化效果，業內人士進行了大量的探索。孫連鵬等［3］將固定化反硝化細胞應用到生態浮床的脫氮過程，使生態浮床系統脫氮效果大大提高；李淼等［4］將離子束輻照定向誘變技術應用于生態浮床除磷脫氮過程中，并取得了良好的效果；李先寧等［5］將濾食性動物和人工合成生物載體加入生態浮床系統中，利用濾食性動物的濾食能力提高水體的可生化性和人工材質生物載體富集微生物達到聯合修復富營養化水體，取得了良好的效果。（2）強化水體的復氧過程。水體復氧過程是水體自凈發生的主要成因之一。操家順等［6］構建生物膜和浮床植物復合技術浮床，并設置了一定間距以形成大氣復氧區，強化了待修復水體的復氧過程，從而提高了水體的修復效果。章永泰等［7］利用風力發電技術強化浮床系統水下曝氣和水下照明，強化了水下生態系統的氧化能力和浮游植物的光合作用，從而提高水體修復效果。基于生態浮床實用性和成本低廉性原則以及各種強化手段中的共性部件（生物膜載體），業內人士均認為：人工合成生物載體加入生態浮床系統（組合式生態浮床）中是最可行、最低廉、最廣泛的技術，故而被廣泛研究和采用。

2組合式生態浮床和凈化效果

將生物載體引入到傳統生態浮床中而組建組合式生態浮床，通過提高浮床系統中微生物量和生態浮床的輻射“場強”使其凈化效果得到了極大的提升［8，9］。其作用原理是：通過在不同材質生物載體上富集極其復雜的、大量的生物膜系統，提高組合式生態浮床系統內的生物量、生物種類以及系統的“生物場強”［10］，提高組合式生態浮床的凈化效果。而且生物載體的應用可以避免冬季低溫條件下因植物枯萎而出現無凈化效果的情況，因為低溫條件下生物載體上的微生物雖生物凈化效果差，但是仍然會有一定凈化效果。

2．1傳統的組合式生態浮床存在的弊端生物載體是組合式生態浮床系統的重要組成部分，最原始的形式就是將人工合成生物載體懸掛在生態浮床的底部，僅僅就是為了提高生態浮床的生物持有量和凈化效果以及生物場強，并取得了良好的效果。但是這種生態浮床系統，植物根系和生物載體相互獨立，并無耦合效應，植物和生物載體之間并沒有很好的配合。另外也有將生物載體作為生物膜附著體和植物根系基質，植物根系和生物載體相互作用、相互依賴，生物載體為根系提供保護和承受部分污染負荷，而根系為生物載體上的微生物提供氧氣。而生物載體和植物根系自身的凈化效果仍然在發揮優勢，而且耦合了兩者的優勢。

2．2新型組合式生態浮床的凈化效果和現狀本課題組經過大量的實驗研究認為，將生物載體不懸掛于浮床底部而是作為植物生長基質，即實現生物載體和植物根系“親密接觸”而形成濕地型新型組合式生態浮床，其凈化效果和管理維護會更好些。而且業內人士對生物載體作為浮床基質時的效果也進行一定的探索研究。

2．2．1無機型生物載體在生態浮床中的應用徐麗花等［11］研究了沸石、沸石－石灰石、石灰石3種生物載體系統的水質凈化能力，結果表明：沸石、沸石－石灰石和石灰石系統的TN平均去除率分別為68％、78．3％、60．9％。沸石－石灰石系統的去除率最高，這是由于沸石和石灰石發生了協同作用，沸石吸附NH＋4－N，石灰石促進了硝化作用，使得系統對TN的去除效果好于其生物載體單獨使用時的效果。熊聚兵等［12］利用泥炭、石英砂等為植物生物載體強化脫氮過程，研究發現泥炭可提供碳源有利于脫氮，該系統中的NH＋4－N、NO－3－N、NO－2－N和TN的去除率分別為98．05％、98．83％、95．60％、92．41％，而石英砂提供過濾補充脫氮，兩者結合的去除效果明顯高于任一者的單獨去除效果。無機生物載體在組合式生態浮床中具有較好的處理效果，但因其密度較大，在實際景觀水體修復中需要浮體較多，增加處理成本，降低其推廣效能。

2．2．2人工合成生物載體在生態浮床中的應用人工合成生物載體因其穩定性強、堅固耐用、能夠有效抵擋水流沖擊，在組合式生態浮床生物載體中被廣泛應用。虞中杰等［13］通過構建美人蕉竹制框架下加掛球形生物載體的方式，該系統對TP、NH＋4－N、NO－3－N和CODMn的去除率分別達到74．3％、76．6％、63．6％和67．5％。這得益于人工合成的球形生物載體表面易于附著微生物，有利于強化水體中污染物的降解。張雁秋等［14］以傳統生態浮床為對比照組，以空心塑料生物載體作為基質和生物載體組建的組合式生態浮床系統為實驗組。初始進水的TN、NH＋4－N、NO－3－N是17、6、11mg／L時，該組合式生態浮床的最終TN、NH＋4－N、NO－3－N的質量濃度分別為（1．05±0．20）、（0．38±0．18）、（0．17±0．03）mg／L，而傳統生態浮床的最終TN、NH＋4－N、NO－3－N的質量濃度分別為（5．23±1．12）、（0．29±0．11）、（4．19±2．08）mg／L，顯示出良好的脫氮效果，并使硝態氮濃度保持較低濃度。

2．2．3天然纖維素物質生物載體在生態浮床中的應用玉米秸、稻草、油菜秸、麥秸等農作物秸稈和竹絲、樹皮等植物莖稈類的廢棄物均可以作為生物載體原料。而且用植物纖維素物質作生物載體的較其他人合成的生物載體更容易降解，使用一定時間會自行分解，比人工稱合成的生物載體容易形成載體污泥更利于保護環境［15］。本課題組對植物纖維素物質進行預處理后作為組合式生態浮床的生物載體，既能合理利用秸稈資源，拓寬秸稈的利用價值，又能有效修復水體和生態環境，取得良好的效果。施亮亮等［16］構建以稻草為生物載體和植物生長基質，以美人蕉和菖蒲為植物的復合組合式生態浮床為實驗組，以人工合成填料為基質的組合式生態浮床為對照組。添加稻草為生物載體的組合式生態浮床在去除污染物方面明顯優于以人工合成填料為基質的組合式生態浮床。筆者在研究中發現以竹絲為生物載體的組合式生態浮床，CODMn、TN、NH＋4－N和NO－3－N的平均去除率分別為63．50％、63．86％、47．80％和64．75％明顯優于無生物載體組合式生態浮床的49．56％、31．29％、28．24％和43．90％，鏡檢發現竹絲表面具有較豐富的生物相，大量活性良好的群居鐘蟲、草履蟲、累枝蟲和鞭毛蟲等，活性、數量均占優勢的指示性原生動物，處理過程竹絲穩定降解，釋放無機鹽類和小分子有機物為微生物生長提供必需的營養成分。樓菊青等［17］發現以毛竹為原料的生物載體在膜速度、掛膜量上有較明顯的優勢。以上文獻研究均顯示了天然纖維素物質在組合式生態浮床生物載體制造領域的潛在價值，為浮床生物載體基于天然纖維素物質資源化利用的多元化發展打下堅實的基礎［18］。采用天然纖維素物質不僅作為親水性很強的生物載體，還可以作為反硝化碳源，本課題組已經通過紅外光譜分析方法掌握以下信息：①可生物降解材料表面具有較豐富的親水性基團（－OH（主要在纖維素、多糖物質中）、－CH2（主要在脂肪類物質中）、－NH2（主要為蛋白質）），可形成更為復雜的生物膜體系，更容易吸附微生物，更利于生物增殖、生物種群的多樣性；②可生物降解材料使用過程中，被吸附其表面的微生物分解，形成一些可被微生物作為營養的物質，而強化微生物的生長，如果生物載體是固體碳源，釋放出來的碳源有利于提高水體的脫氮效果。

3生物載體在生態浮床應用中急需解決的科學難題

3．1作為浮床基質的生物載體與植物根系交互作用機理研究作為浮床基質的生物載體與植物根系是一種相互耦合的關系，互為對方提供生長繁殖所需要的養分，在一定程度上促進提高了生態浮床系統的凈化效果、凈化進程和生物多樣性。目前本課題組已經發現以可生物降解的稻草作為生態浮床系統中植物生長的基質時，其中水生植物（美人蕉和菖蒲）葉子呈碧綠色，而以人工合成生物載體（塑料球）為植物基質或無任何基質時，2種浮床中水生植物葉子呈淺黃色。分析認為稻草、塑料球均作為生物載體和植物基質，生長速率緩慢的硝化菌更容易附著在親水性良好的稻草上，塑料球因其親水性差、生物親和性欠缺而使硝化菌增殖緩慢，稻草上大量的硝化菌就能將相對不容易被植物吸收的氨氮轉化為更容易被植物吸收的硝態氮，充分的氮素使稻草基質生態浮床中的植物葉子更為翠綠，生長速率更快。即稻草基質為植物根系提供充分的養料（硝酸鹽）；而根系能為稻草表面微生物膜提供來自光合作用的氧氣，并在稻草基質中產生脫氮所需要的好氧、缺氧環境，提高整個生態浮床的脫氮效果。但是根際微生物和生物膜相互作用、相互影響研究并沒有取得很好的成果，值得深入研究。

3．2生物載體表面和植物根系表面微生物種群差異分析由于根系表面和生物載體表面存在非常大的差異，根際微生物種群類別和生物載體表面微生物類別差異、數量差異和特性差異均需要深入研究，目前很多的研究仍然處于定性分析中階段。微生物作為生態修復和污染物去除的主體，不同生理生化特性的微生物承擔著不同生物降解過程，所以掌握不同生物載體和植物根系表面微生物種群存在的差異（生長速率、呼吸類型、降解底物酶系種類、微生物種群數和數量級等），對不同污染物采取不同的不同載體和植物，或不同生物載體組合，或不同植物的多樣化組合，或人工干預提供不同的環境以實現污染物去除，實現通過對微生物相關特性的強化和調控而實現微生物對污染物的降解。

3．3生物載體材質在不同污染源種類的水體修復中的選擇方法生物載體作為生態浮床中重要的生物附著場所，有時也作為浮床植物的基質，其作用較大，但是隨著生物載體的材質和形態等不斷多樣化，生物載體形態主要由從水流速度、使用方便和造景等因素考慮，對水體修復效果不會造成實質上的影響，而生物載體材質的不同對水體修復效果會產生極大的影響。傳統意義上的生物載體是塑料材質，并將懸掛在生物載體框架以下，其作用原理是：在生物載體表面形成生物膜以提高生態浮床系統中微生物量達到強化生態浮床的修復效果，在其表面形成的微生物是復雜的、多樣的、雜亂的叢生，并無特定的靶向污染物，在復合污染較重的現在存在一定的優勢。但是塑料材質生物載體存在親和性和親水性差而導致微生物量少、附著困難［19］。而且對于以氮素為主要污染物且C／N低的地表水修復過程中來說并無太大的價值，因為脫氮過程中涉及硝化和反硝化過程，反硝化過程需要補充有機碳以提高脫氮效果，而塑料材料生物載體并不能提供碳源，投加液體碳源存在計量無法控制和運行管理復雜等問題，如果以人工合成高聚物作為生物載體和碳源雖然可以實現良好的脫氮過程和硝化菌群的富集，但費用過高［20，21］；所以天然纖維素物質是理想的碳源、載體，不僅天然親水性和生物親和性可以實現生物量的最大化和掛膜的最快化，而且生物釋碳按需供給和，其來自極為廣泛（農業廢棄物、林業廢棄物等。對于磷含量相對較高的地表水體修復時，塑料材質或天然纖維素材質的生物載體應用于生態浮床中則效果較差，根據生物除磷均以排泥的方式，地表水體污染物濃度較輕，污泥量少或無污泥，無排泥也就除磷效果很低。現在一些工藝中為了提高除磷效果，采用一些孔隙多樣化吸收磷或含有某些能夠與磷發生化學反應的生物載體以提高除磷效果。

4展望

隨著生態修復工藝技術的不斷進步和水體環境形式勢不容樂觀以及復合污染條件下，將各種類型的生物載體和生物浮床進行耦合以應對不同污染類型、不同污染濃度將已成為發展的重點。水生植物與生物載體耦合的組合式生態浮床系統不僅強化修復效果，同時在治理過程中美化水域景觀。生物載體的選擇廣度增大，如何根據具體的水環境特點選擇有針對性的生物載體，如何根據各種生物載體的特性選擇多種生物載體按一定比例組成復合生物載體提高污水脫氮除磷效果等問題值得深入研究。如能因地制宜，發展以組合式生態浮床為核心的水體修復系統，在修復過程中利用污水資源轉化而來的生物資源與能源將會有非常重要的意義。

作者：李睿黃浩韓錫榮周大眾曹文平劉自強單位：徐州工程學院環境工程學院