3種不同濾料生物固定化除錳效果

翁國(guó)永 陳建軍 鄭晨

摘要[目的] 尋找一種合適的濾料，既有利于微生物著床，又適合去除水體中的渾濁度等雜質(zhì)。[方法]從地表水供水系統(tǒng)中采集土著菌，利用選擇性培養(yǎng)基對(duì)錳細(xì)菌分離純化、搖床擴(kuò)大培養(yǎng)富集，以石英砂、陶粒、火山巖濾料為載體，采用吸附法進(jìn)行固定化。[結(jié)果] 3種濾料的出水錳含量和對(duì)錳的去除率均取得較好的效果，出水錳含量符合GB/T 5749—2006生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。從長(zhǎng)久的運(yùn)行結(jié)果看，石英砂濾料的出水水質(zhì)最佳。 [結(jié)論] 石英砂濾料具有成本低、硬度大、濾料之間空隙小等特點(diǎn)，作為除錳著床濾料最為理想。

關(guān)鍵詞 濾料；除錳效果；微生物；地表水

中圖分類號(hào) X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）03-0055-03

Abstract[Objective] To find suitable filter material that was conductive to microbial implantation，and suitable to remove the turbidity and other impurities in the water.[Method] Microorganism was collected from the surface water supply system，then manganese bacterium was purified by selective medium and enrichment culture by shaker expansion.Manganese was immobilized by adsorption by quartz sand，ceramic，volcanic rock filter as the carrier.[Result] There was satisfied quality of removal manganese for three kinds of filter material.The manganese content of filtered water was up to standard by GB/T 5749—2006 standards for drinking water quality.In the long run，the water from quartz filtered material was best.[Conclusion] Quartz sand filter material had the characteristics of low cost，high hardness and less clearance，and is the most ideal filter material.

Key words Filter material；Manganese removal effect；Microorganism；Surface water

錳是人體主要的生理元素，在自然界分布廣泛，屬于高等動(dòng)物不可缺少的10種微量元素之一，但吸入過量的錳會(huì)損害人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)[1-2]。水體中錳含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象在世界各地普遍存在，錳含量超標(biāo)對(duì)于人們的生活和健康、工業(yè)生產(chǎn)都有很大影響[3-4]。目前大部分制水廠應(yīng)用強(qiáng)氧化劑氧化或催化氧化來去除水源水中的鐵和錳，相對(duì)于生物氧化，不僅凈化流程長(zhǎng)、藥劑消耗量大，而且操作復(fù)雜、制水成本昂貴[5-7]。生物除錳技術(shù)以其處理效果好、投資費(fèi)用少、運(yùn)行效果穩(wěn)定等特點(diǎn)，越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[8-9]。地下水除錳一直受到學(xué)者的關(guān)注和重視，張杰等[10-11]、張錫輝[12]利用天然錳砂采用自然接種方式，在濾池中培養(yǎng)出大量的錳細(xì)菌，取得了良好的除錳效果。地表水相對(duì)于地下水具有水質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，除錳難度較大。筆者針對(duì)3種不同的濾料，利用生物固定化除錳，出水錳含量符合國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，取得了滿意的效果。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種。供試菌種來源于臺(tái)州市長(zhǎng)潭水庫(kù)西洋鄭集水井調(diào)節(jié)池壁泥。

1.1.2 培養(yǎng)基。

PYCM培養(yǎng)基：蛋白胨0.8 g，酵母浸膏0.2 g，MnSO4·H2O 0.2 g，K2HPO4 0.1 g，MnSO4·7H2O 0.2 g，NaNO3 0.2 g，CaCl2 0.1 g，（NH4）2CO3 0.1 g，H2O 1 000 mL，調(diào)pH為6.8～7.2，固體培養(yǎng)基加瓊脂15 g/L。JFMII培養(yǎng)基：檸檬酸三鈉 8.0 g，檸檬酸 2.0 g，檸檬酸鐵銨 13.0 mg，MnSO4 4.0 g，NaNO3 0.5 g，CaCl2 0.2 g，H2O 1 000 mL，固體培養(yǎng)基加瓊脂15 g/L。

1.1.3 濾料。河南鞏義產(chǎn)石英砂、陶粒和火山巖。

1.1.4 試驗(yàn)裝置。3根模擬濾柱均為定制玻璃柱，高度1 200 mm，內(nèi)徑40 mm，濾柱內(nèi)壁放置2個(gè)寬度1.0 mm、厚度0.5 mm的聚乙烯環(huán)，用來減少過濾的邊壁效應(yīng)，原水自頂部進(jìn)入，底部出水處安置一個(gè)閥門用于反沖洗（圖1）。

1.1.5 試驗(yàn)用水。西洋鄭集水井調(diào)節(jié)池含錳原水，原水水質(zhì)見表1。

實(shí)驗(yàn)室用水以黃巖自來水公司出廠水加硫酸錳配制。

1.2 方法

1.2.1 菌種的分離。

10 g菌泥加20 mL無菌水，用玻璃棒劇烈攪拌，配制成菌種原液、10倍稀釋液、100倍稀釋液，JFMII平皿培養(yǎng)基涂布分離。

1.2.2 菌種的形態(tài)觀察。

將分離后的菌種在電子顯微鏡下觀察其形態(tài)，另取少量菌落，分別用過硫酸銨法和TMPD法測(cè)定錳含量。過硫酸銨法結(jié)果呈紅色且TMPD法結(jié)果呈藍(lán)色的菌落具有氧化錳能力，其他情況均表明菌落無氧化錳能力。

1.2.3 菌種的固定化。

3 m/h的低濾速培養(yǎng)3 d，每天反沖洗1次，再用擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種浸泡24 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 錳氧化細(xì)菌的分離和純化

生物濾池除需要適宜的濾料外，還與細(xì)菌菌種的分離、篩選和純化程度有關(guān)。從西洋鄭集水井調(diào)節(jié)池池壁上采集的菌泥，菌種種類繁多，在電子顯微鏡下觀察，革蘭氏染色后的桿菌、線菌、球菌都有很好的氧化Mn2+能力，在JFMII培養(yǎng)基上均能很適應(yīng)地繁殖。經(jīng)過一段時(shí)間培養(yǎng)后，平板上出現(xiàn)了各種菌落，菌落中心的棕色物質(zhì)是高價(jià)錳氧化物。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，棕色物質(zhì)逐漸變黑，黑色物質(zhì)向菌落四周擴(kuò)大，說明微生物氧化能力越來越強(qiáng)。典型菌落呈棕色，直徑1～6 mm，邊緣整齊，表面光滑，中心略凹或凸起，易于培養(yǎng)基分離的菌落進(jìn)行劃線分離純化培養(yǎng)。

2.2 錳氧化細(xì)菌的擴(kuò)大培養(yǎng)

將經(jīng)過JFMII平板培養(yǎng)基分離純化后的菌落，挑入CYPM液體培養(yǎng)基進(jìn)行搖床擴(kuò)大培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度25℃，轉(zhuǎn)速120 r/min。搖床培養(yǎng)過程菌種生長(zhǎng)會(huì)經(jīng)過滯后期、指數(shù)或?qū)?shù)生長(zhǎng)期、靜止期和死亡期[13]。搖床培養(yǎng)后菌液的pH緩慢升高，3 d后pH達(dá)8.6。pH與菌種的滯后期、生長(zhǎng)期、靜止期、死亡期相對(duì)應(yīng)。將菌液和陶粒、菌液和火山巖同時(shí)搖床培養(yǎng)，3 d后陶粒和火山巖在菌液中變得疏松，最后全部溶于菌液中。陶粒和火山巖的菌種固定不能采用同時(shí)搖床培養(yǎng)的方法。石英砂可以和菌液同時(shí)搖床培養(yǎng)，最后得到一個(gè)較理想的著床力。

2.3 錳氧化細(xì)菌的固定

采用低濾速、弱反沖物理吸附法使微生物和3種濾料直接發(fā)生作用，將微生物固定在濾料表面。結(jié)果表明，固定的效果可以用出水的錳含量來衡量。30 d后3種濾料的出水錳含量均小于0.05 mg/L，說明均達(dá)到了固定要求。

2.4 3種濾料的濾后水錳含量及錳去除率

2.4.1 3種濾料對(duì)實(shí)驗(yàn)室配制原水錳的去除效果 將石英砂、火山巖、陶粒3種濾料分別置于3支玻璃柱內(nèi)，按黃巖自來水公司的出廠水添加硫酸錳作為進(jìn)水，原水錳含量為0.45 mg/L，3種濾料出水錳含量逐日變化及錳去除率見圖2、3。

3種濾料在無有微生物存在的情況下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室配制的含錳水無去除能力。3種濾料對(duì)水中的錳離子僅有吸附作用，剛開始時(shí)吸附能力由大到小依次為火山巖、陶粒、石英砂。經(jīng)一段時(shí)間后出水錳濃度和進(jìn)水錳濃度基本一致，出水錳濃度在進(jìn)水錳濃度附近上下波動(dòng)。

2.4.2 3種濾料對(duì)西洋鄭調(diào)節(jié)池原水錳的去除效果。

將石英砂、火山巖、陶粒3種濾料分別置于3支玻璃柱內(nèi)，進(jìn)水采用浙江省臺(tái)州市長(zhǎng)潭水庫(kù)西洋鄭調(diào)節(jié)池原水，出水錳含量逐日變化及去除率見圖4、5。

原水中含有土著除錳微生物，經(jīng)過前3 d的適應(yīng)期，慢慢進(jìn)入菌種生長(zhǎng)期。3種濾料對(duì)錳有不同程度的去除率，火山巖和陶粒的比表面積大于石英砂，前期的去除率前二者大于后者。火山巖和陶粒比表面積較大，材質(zhì)也較疏松，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料脫落和分散情況嚴(yán)重，雖然錳去除率較高，但實(shí)際生產(chǎn)中不是一種很理想的濾料。

從地表水分離純化的土著菌經(jīng)過搖床的擴(kuò)大培養(yǎng)，菌液pH達(dá)8.5左右，菌種接近對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，采用低濾速弱反沖的方法，接種于3種濾料，均可達(dá)到滿意的結(jié)果，大大縮短了土著菌的適應(yīng)期，此工藝對(duì)于制水廠采用微生物除錳具有指導(dǎo)意義。

與地表水直接馴化土著菌著床于濾料相比，通過搖床擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種能夠更好地吸附在濾料上，出水的錳含量低于前者，配合地表水的自然培養(yǎng)，濾后水的錳含量能夠符合國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)（圖6、7）。

3 結(jié)論

（1） 利用含錳原水分離純化的土著錳氧化菌，對(duì)原水具有較強(qiáng)的氧化能力，進(jìn)行擴(kuò)增培養(yǎng)后接入濾池中，表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性，濾料會(huì)盡早成熟，大大縮短了微生物的培養(yǎng)期。

（2） 采用浸泡、低濾速、弱反沖固定的錳氧化細(xì)菌具有很強(qiáng)的除錳率，濾后水錳含量能夠達(dá)到國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

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