探討千屈菜生物浮床載帶異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌對水體中氮磷的去除效果

張麗艷，郭 玲

（河北省秦皇島環(huán)境監(jiān)測中心，河北 秦皇島 006000）

生物浮床技術(shù)是利用植物和微生物的協(xié)同作用去除水體中氮、磷及有機(jī)污染物，達(dá)到凈化水體的目的[1]。該技術(shù)按著植物自身生長規(guī)律，以浮床作為載體，把水生植物種植到富營養(yǎng)化水體水面，通過植物的吸收、根系的吸附及附著微生物的水解代謝作用，達(dá)到凈化水質(zhì)的效果，是改善河道富營養(yǎng)化水體的有效方法之一[2]。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強(qiáng)化生態(tài)浮床是通過掛膜將異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌與填料結(jié)合，加強(qiáng)對富營養(yǎng)化水體中氮、磷和有機(jī)物的去除效果。強(qiáng)化生態(tài)浮床技術(shù)操作簡單、成本低、凈化效果好，以其獨(dú)特的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)秦皇島市所處區(qū)域的地理氣候特點(diǎn)、河道水質(zhì)狀況及對植物抗逆性研究，選擇具有耐鹽性、抗污性強(qiáng)的千屈菜作為浮床植物，構(gòu)建小型強(qiáng)化生態(tài)浮床，將建好的生物浮床置于人工模擬池中，監(jiān)測其對某河口水體去除氮、去磷的效果，為本地地表水的治理和修復(fù)提供良好的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 浮床植物的遴選

浮床植物的選擇是生物浮床技術(shù)成功的關(guān)鍵。選擇浮床植物是在對植物的生物學(xué)特性、耐污性、耐水性、對氮和磷去除能力等深入了解的基礎(chǔ)上，篩選出具有一定耐受性，對當(dāng)?shù)貧夂颉⑺摹⑺|(zhì)現(xiàn)狀等有較好適應(yīng)能力的土著種類。不同植物耐污能力及最適濃度不同，針對不同程度富營養(yǎng)化水體，以植物最適濃度作參考，選擇適合的植物作為浮床植物[3]。根據(jù)秦皇島市的地理氣候、河道水質(zhì)狀況及對植物抗逆性研究，通過對本地常見水生植被物種的分布情況，河道浮床客觀條件對植物株高、生長周期的限制及對河道景觀的功能要求等，對適合秦皇島市河道生物浮床植物進(jìn)行遴選。

作為沿海城市，秦皇島市河道水體中的鹽度較高，植物的耐鹽性是首要的選取指標(biāo)之一。研究顯示，千屈菜（Lythrum salicaria L.）耐Nacl 的臨界質(zhì)量濃度為1 700 mg/L，表明千屈菜是耐NaCl 較強(qiáng)的植物之一[4]。千屈菜是多年生草本植物，喜強(qiáng)光，耐寒性強(qiáng)，適合在華北等地栽培。穗狀花序，紅紫色或淡紫色花，具有觀賞性。千屈菜還具有繁殖能力強(qiáng)、栽培容易、方便管理等特點(diǎn)。其次是耐污性，千屈菜最適濃度在中-重度富營養(yǎng)化水平，適合秦皇島市河道的水質(zhì)污染現(xiàn)狀[5]。由于千屈菜獨(dú)特的耐鹽性、耐污性、耐寒性及特有的景觀效果，它是首選的適合秦皇島市氣候環(huán)境和水質(zhì)特征的浮床植物之一。

千屈菜在水體中的生長凈水效果和植物的吸收、吸附、富集作用與植物的根系發(fā)達(dá)程度密切相關(guān)。發(fā)達(dá)的植物根系，除其本身可以吸收吸附水體中大量的污染物外，還為微生物提供了優(yōu)良生存環(huán)境，通過植物的光合作用，可以在根際區(qū)形成厭氧-好氧區(qū)，利于硝化-反硝化菌的生長繁殖。試驗(yàn)選用的千屈菜是處于生長旺期、根系發(fā)達(dá)健壯的7月扦插苗，平均株高20 ～30 cm，須洗凈植物根部，移栽至試驗(yàn)水體進(jìn)行預(yù)培育。待千屈菜適應(yīng)試驗(yàn)水體環(huán)境并開始長出新枝葉后，即可移入試驗(yàn)浮床，進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的篩選與純化

1.2.1 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌脫氮優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌進(jìn)行的生物脫氮過程具有獨(dú)特優(yōu)勢：硝化和反硝化可同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮，并且異養(yǎng)硝化和好氧反硝化反應(yīng)是相互促進(jìn)的。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌可同時(shí)利用NH4＋-N、NO2--N、NO3--N 作為氮源，好氧反硝化菌能夠在有氧氣時(shí)進(jìn)行反硝化，實(shí)現(xiàn)了硝化和反硝化在時(shí)間和空間上的統(tǒng)一；硝化過程生成的硝酸鹽、亞硝酸鹽可以直接被反硝化過程利用，防止了它們對反硝化過程的抑制[6]。

研究證明，好氧反硝化菌強(qiáng)化生態(tài)浮床通過掛膜將異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌與填料結(jié)合，能提高浮床對水體中氮的去除效果，強(qiáng)化生態(tài)浮床對水體中總氮去除率，比單獨(dú)浮床系統(tǒng)可提高17.3%，證明了對浮床反硝化作用進(jìn)行強(qiáng)化能較好地提高系統(tǒng)的脫氮效果[2]。此外，部分菌種具有特定的生存屬性，如耐鹽性、耐低溫、耐貧營養(yǎng)、耐高濃度氨氮等，對特殊環(huán)境下的污水處理具有重要意義[7]。

1.2.2 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的篩選與純化

（1）菌株來源。用于篩選的污泥來源于秦皇島市某河口水體底泥。

（2）培養(yǎng)基。需要配制富集培養(yǎng)基；異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基、好氧反硝化培養(yǎng)基、BTB 培養(yǎng)基、牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和LB 培養(yǎng)基。固體平板和斜面培養(yǎng)基均需在上述液體培養(yǎng)基中增加2%的瓊脂粉或條。以上所有培養(yǎng)基均需在高壓121℃滅菌20 min 后使用[7]。

（3）初篩試劑。格林斯試劑:A 液:對氨基苯磺酸0.5 g，稀醋酸（10%） 150 mL，避光保存一個(gè)月內(nèi)可用。B 液:a-萘胺0.1 g，蒸餾水20 mL，稀醋酸（體積分?jǐn)?shù)10%）150 mL。臨用前，A 和B 兩溶液等量混合[7]。

（4）異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的富集篩選。稱取30 g 污泥于富集培養(yǎng)基中，在恒溫水浴搖床中150 r/min，30℃培養(yǎng)3 代后，取菌液適當(dāng)稀釋后涂布于牛肉膏蛋白胨固體平板培養(yǎng)基上培養(yǎng)，24 h 后平板上長出菌落，挑取單個(gè)菌落進(jìn)行初篩與復(fù)篩。

（5）異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的篩選與分離純化。將上述得到的菌株接種到異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基中，搖床培養(yǎng)2 d 后，取菌液滴加格林斯試劑，試劑變紅的菌株具有異養(yǎng)硝化活性；將其菌液稀釋后涂布于BTB固體培養(yǎng)基中，30℃培養(yǎng)24 h，如果BTB 培養(yǎng)基顏色由黃綠色轉(zhuǎn)變藍(lán)色，證明該菌株具有好氧反硝化活性；進(jìn)一步用LB 培養(yǎng)基進(jìn)行3 次分離純化，初篩得到試驗(yàn)用菌株[7]。

1.3 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強(qiáng)化生物浮床的構(gòu)建

生物浮床床體采用XPS 擠塑聚苯乙烯泡沫，切割成20 cm×20 cm 的正方形，在上面挖出6 cm×6 cm 洞孔。為增加其比表面積，利于微生物附著生長，采用丙綸繩和圓形立體填料相結(jié)合的組合方式。試驗(yàn)前將純化的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌投加到試驗(yàn)水體中，通過掛膜與填料結(jié)合。在浮床上栽種準(zhǔn)備好的符合試驗(yàn)要求的千屈菜，建成小型強(qiáng)化生物浮床，將構(gòu)建好的生物浮床置于人工模擬池中。試驗(yàn)用水取自秦皇島市某河口，鹽度為4.75‰。

2 試驗(yàn)結(jié)果

植物根系活力、生長與溫度、光照密切相關(guān)，隨溫度增加，植物生長速度加快，需要的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)也不斷增加，水體凈化效果更顯著[3]。本試驗(yàn)于7月中旬至8月中旬進(jìn)行，此時(shí)溫度高、光照強(qiáng)，利于千屈菜和微生物生長繁殖。

觀察千屈菜及掛膜微生物在生態(tài)浮床上的生長狀況，監(jiān)測其通過吸收、吸附作用，凈化水體的效果。試驗(yàn)用水取自秦皇島市某河口，鹽度為4.75‰，取水樣后立即進(jìn)行監(jiān)測，主要監(jiān)測NH4＋-N、NO3--N、TN、TP 等項(xiàng)目。在8月中旬試驗(yàn)結(jié)束前，再次監(jiān)測試驗(yàn)水體的NH4＋-N、NO3--N、TN、TP，監(jiān)測方法按《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版），監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強(qiáng)化生物浮床對NO3--N 和NH4+-N 具有較好的去除效果，總氮、總磷去除率分別高達(dá)60.3%、82.2%，凈化去除效果良好。有資料表明，總氮、總磷的去除率與水體中總氮、總磷濃度呈正相關(guān)，說明浮床栽植千屈菜在中、重污染水體中凈化效果更加顯著，強(qiáng)化的生物浮床對富營養(yǎng)化水體的總氮、總磷具有較全面的降解效果。

3 結(jié)論

本室內(nèi)模擬試驗(yàn)利用千屈菜生物浮床載帶異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌，對水體中氮、磷的去除效果進(jìn)行了研究，結(jié)果證明，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強(qiáng)化生物浮床的硝化和反硝化作用較強(qiáng)，對水體中氮素具有明顯降解效果；千屈菜在高鹽度水體生長良好，其發(fā)達(dá)的根系，能為微生物生長繁殖提供良好環(huán)境，對水體污染物既有截留、吸附、沉降等物理作用又有化學(xué)沉淀、生物吸附等化學(xué)生物作用[2]。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強(qiáng)化生物浮床在微生物和植物的協(xié)同作用下對總氮、總磷均有很好的凈化效果，去除率分別為60.3%、82.2%，在脫氮除磷和去除有機(jī)物方面更加高效穩(wěn)定。該試驗(yàn)為本地實(shí)際河道中高鹽度、富營養(yǎng)水體利用強(qiáng)化生物浮床脫氮除磷，凈化、改善、恢復(fù)水生生態(tài)環(huán)境提供了理論基礎(chǔ)。強(qiáng)化生物浮床具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景，將為秦皇島市河道凈化修復(fù)提供一種更加環(huán)保、高效的技術(shù)手段，并且能夠綠化美化環(huán)境，維護(hù)生物多樣性，營造優(yōu)美的自然生態(tài)景觀。