优化辅助填料配比强化生物除钒
据报道，麦饭石是一种具有生物活性的复合矿物，在反应器中可以起到一定的辅助作用，并可释放微量元素增强微生物活性。陶粒是一种取材方便、经济实惠的无机矿物，具有优良的吸附和离子交换特性，且其适宜作为厌氧微生物载体，增强污染物的去除，对维持生物系统的长期稳定非常重要。
那么，辅助填料是否可以强化基于麦秆的生物除钒系统的性能及可持续性，本期结合课题组最新发表的研究成果来一探究竟。
撰文 | 王新利
责编 | 郝丽婷
01基于不同辅助填料的钒去除效果评价
采用了惰性填料（2-4 mm陶粒）和活性填料（2-4 mm麦饭石）作为辅助填料，评价了单一/不同比例填料对钒的去除性能，并进一步优化了辅助填料的组合形式。
图1 辅助填料及不同比例/组合形式对(a)V(V)和
(b)总V的去除（来自原文）
在未接种的对照组中，秸秆、陶粒和麦饭石三种材料对V(V)的吸附去除率（120 h）分别为67.1%（A组）、22.0%（B组）和5.7%（C组），未接种的填料显示出明显的V(V) 去除性能，这可能是由非生物反应或对材料上土著微生物的不完全灭菌引起的（图1a）。相应地，对总钒的吸附去除率为秸秆（54.1%）＞陶粒（18.8 %）＞麦饭石（6.1%），与V(V)去除结果一致（图1b）。
在接种的实验组中，单一辅助填料可增强V(V)的生物去除。混合填料系统（G、H和I组）中的V（V）去除效率高于单一填料系统（E和F组）。60 h时，E、F、G、H和I组的V(V)去除有显著差异（p<0.05），这表明V(V)去除性能与辅助填料的种类和比例有关。60 h时，I组的V(V)去除率达98.3%，显著高于G、H组（p=0.085）。显然，辅助填料的添加比例对V(V)去除产生了影响。较高比例的麦饭石可有助于达到较好的V(V)生物还原效果，但反应时间逐渐延长。混合填料体系比单一填料体系更有利于V(V)的生物还原。
02碳的利用及转化
在所有实验组中，TOC呈上升趋势（图2a）。随着易降解有机质的溶出及其被微生物降解为小分子物质，系统中微生物快速适应生长，并增强了V(V)的还原。添加有麦饭石实验组（433.6-565.2 mg/L）的TOC释放量普遍高于陶粒组（352.4 mg/L）和麦秆组（346.4 mg/L）；混合填料组（493.5-565.2 mg/L）的TOC释放量又普遍高于单一填料组（346.4-433.6 mg/L），故推测TOC浓度与V(V)去除率有一定相关性。
TOC可来源于小麦秸秆中有机物的浸出、降解和溶解等。除进水中含有一定量的TIC外，假设其余TIC是在微生物呼吸作用下产生的，故TIC也可以用来反映微生物活性。根据实验结果分析（图2b），混合填料组在反应前期（0-36 h）的微生物活性强于其他单一填料组，这与混合填料组中更好的V(V)去除相一致。
图2 不同比例及组合形式优化系统中(a)TOC和
(b)TIC随时间变化情况（来自原文）
图3 DOM（0、72、144 h）的区域积分占比（来自原文）
系统中最初的腐殖质可能来自麦秆水解产生的大分子，然后随着大分子的逐渐水解和微生物的利用形成微生物代谢物。DOM主要由类腐殖质物质和可溶性微生物产物组成。荧光区域积分比例如图3所示，E-I组实验结果表明，在麦秆水解早期，可溶性微生物产物（区域IV）积累，类腐殖质物质（区域V）减少。此外，混合填料体系（G组、H组和I组）中大分子底物和代谢物的水解转化，刺激了微生物活性也是区域比例变化的原因之一。
03微量元素
图4 系统中微量元素浓度变化情况：(a)Mg、Fe; (b)Ni、Mo（来自原文）
在研究中分析和评估了四种常见的微量元素（Mg、Fe、Ni和Mo）（图4）浓度变化，Mg和Fe的浓度变化很大，Mo和Ni一般低于0.1和0.3 mg/L。由于微生物对微量元素的溶解和利用，系统中微量元素的含量波动较大，然而，填料（尤其是麦饭石）可持续释放微量元素，进而可影响微生物的生长和代谢、增加有机碳积累的消耗、提高底物的转化效率等。因此，填料添加组中微量元素的溶解很可能是V(V)可持续生物修复的潜在机制之一。此外，据报道麦饭石还有助于改变环境条件（如pH值等），其对酶的合成和活性的定量影响有待进一步研究证实。
04结论
（1）陶粒和麦饭石均可强化V(V)的生物去除，混合填料比单一填料填充更有效。
（2）陶粒与麦饭石的比例为1:3时，60 h后V(V)去除率达到98.3%。
（3）色氨酸和类腐殖质物质在V(V)生物还原中至关重要。
（4）填料中微量元素的溶解有助于增强微生物活性及生物除钒效果。
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