曝氣及生物制劑對營養化湖水凈化實驗研究

陳舒蕾，唐 雨，劉冬妹，覃雪云，溫新穎，丘海峰，莫德清

(桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004)

水體富營養化是目前全球關注的熱點問題，水體富營養化會引起水體發生水華和嚴重危害人類健康，治理水體富營養化成為當下熱點研究領域[1-3]。由于微生物修復法具有操作簡單、處理成本低，具有維護水體生態平衡和二次污染小等特點。利用微生物修復技術等生物方法治理富營養化水體成為學術界廣泛關注的問題[4]。曾冠軍[5]在研究在處理景觀富營養化水體中發現：增加曝氣能夠對景觀水體中TN、TP的去除效果有明顯的增加；Tang Van Tai[6]通過生物工程菌與曝氣相結合，對去除COD、NH3-N與增加微生物群落效果明顯。本研究針對富營養化湖水通過實驗探究利用微生物與曝氣模擬構建微生態環境，以促進水體的自凈化能力的提升。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

(1)生物制劑：生物制劑(SEM菌)，來源于武漢施普瑞環保工程有限公司，SEM由光合細菌、乳酸菌、酵母菌、曲菌、放線菌等的微生物構成。其中，可分為SEM-W菌與SEM-D菌，SEM-W菌多含光合細菌、曲菌、放線菌等微生物，SEM-D菌多含光合細菌、乳酸菌、酵母菌等微生物。

(2)試驗用水：為某景觀湖湖水，收納了附近污水處理設施排水作為景觀用水，由于污水處理設施因各種原因使污水未能達標排放，致使湖水具輕微腥臭味，湖水呈富營養化狀態。基本水質指標氨氮、總磷、COD濃度分別為21.83～50.70mg/L、2.286～5.10 mg/L、24.16～48.11 mg/L。

1.2 試驗方法

實驗所使用的裝置由玻璃水箱、曝氣系統(氣泵、導管、簡易的氣體流量控制閥及曝氣頭)組成，在水箱中注入湖水，按實驗要求進行生物制劑和底泥添加，并輔以曝氣。每2天定期對水體的氨氮、總磷、COD水體指標進行監測，了解水體凈化效果。

1.3 檢測方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法；總磷采用鉬酸銨分光光度法；COD采用快速消解分光光度法。

2 結果與分析

2.1 曝氣對富營養化湖水凈化的影響

圖1 水中氨氮濃度的變化情況Fig.1 Changes of Ammonia Nitrogen Concentration in Water

圖1 為湖水以及湖水和底泥共存物在曝氣和非曝氣條件下氨氮濃度的變化情況。由圖1可知，湖水在不曝氣的情況下，氨氮濃度隨放置時間的有所下降，15天下降了約29.4%，這可能與氨氮的自然揮發或水中的少量硝化菌的作用有關。湖水在曝氣條件下與非曝氣下氨氮的變化趨勢相似，15天下降的量也較為接近，說明單一湖水中硝化菌的量甚微，可見，在微生物缺乏時采用曝氣方式來降低氨氮較難起到效果。湖水和底泥共存時，放置過程其氨氮的幾乎變化不大；而在曝氣條件下，5 天后氨氮的下降趨勢則較為明顯，這可能是泥中存在較為豐富的微生物，當有氧條件下逐漸發揮其作用促進了氨氮的降解。

圖2 為湖水以及湖水和底泥共存物在曝氣和非曝氣條件下水中總磷濃度的變化情況。由圖2可知，湖水在放置過程和曝氣過程其總磷濃度變化甚微，這與水中微生物較少有關。湖水和底泥共存時，放置過程水中總磷含量呈現增加的趨勢，這可能是泥中的磷向水中釋放的結果。對湖水和底泥進行曝氣，總磷濃度隨之下降，15天可降低86.1%，說明曝氣可激活泥中微生物的作用。

圖3為湖水以及湖水和底泥共存物在曝氣和非曝氣條件下水中COD濃度的變化情況。由圖3可知，湖水在放置過程COD會出現波動并有所升高，特別放置5～10天上升較大，最高時增加57.1%，說明富營養化水如不進行治理可能會造成惡化。對湖水進行曝氣COD濃度有所下降，但下降量非常有限。湖水和底泥共存時，放置過程水中COD含量呈先上升后下的趨勢，15天下降了66.9%，這是泥中的微生物慢慢適應環境并進行繁殖利用了碳源的結果。對湖水和底泥曝氣，COD下降速度增加，15天COD下降了94.7%，體現較好的凈化效果。

圖2 水中總磷濃度的變化情況Fig.2 Changes of Total Phosphorus Concentration in Water

圖3 水中COD濃度的變化情況Fig.3 Changes of COD Concentration in Water

由圖1至圖3可見，當微生物存在條件下進行曝氣有利于富營養化湖水的凈化。

2.2 生物制劑對富營養化湖水凈化的影響

圖4 生物制劑添加對氨氮的凈化效果Fig.4 Purification of Ammonia Nitrogen by Adding Biological Agents

圖4、圖5和圖6分別為在湖水中按3ppm濃度添加生物制劑進行曝氣處理過程氨氮、總磷和COD的的變化情況。初始加入生物制劑，水中氨氮、總磷和COD有所提升，隨著曝氣進行，氨氮、總磷和COD濃度下降。圖4顯示，曝氣7天，氨氮的去除效果開始明顯，至18天時氨氮基本凈化完全，其中投加SEM-W的凈化速率優于SEM-D。圖5 顯示，投加SEM-W曝氣4天，投加SEM-D曝氣7天，總磷的凈化效果開始明顯，至18天時兩者總磷的去除率分別為93.2%和92.3%。圖6顯示，投加SEM-W曝氣第2天COD明顯降低，18天時COD降至2.24mg/L；投加SEM-D曝氣7天顯現較好效果，18天時COD降至6.47mg/L。

圖5 生物制劑添加對總磷的凈化效果Fig.5 Purification of Total Phosphorus by Adding Biological Agents

圖6 生物制劑添加對COD的凈化效果Fig.6 Purification of COD by Adding Biological Agents

2.3 不同生物制劑配比對富營養化湖水凈化的影響

圖7 不同生物制劑配比氨氮的凈化效果Fig.7 Purification Effect of Ammonia Nitrogen with Different Ratios of Biological Agents

圖8 不同生物制劑配比總磷的凈化效果Fig.8 Purification Effect of Total Phosphorus with Different Ratios of Biological Agent

考慮水中微生物的豐富度，將SEM-W與SEM-D進行配合使用進行曝氣，分別按3∶1、1∶1和1∶3進行了嘗試，結果見圖7、圖8和圖9。對比圖4至圖6可以看出，SEM-W與SEM-D配合使用較單一生物制劑降解速度更快，曝氣6天時即達到較好的效果。按SEM-W：SEM-D為 3∶1、1∶1和1∶3，曝氣6天，氨氮的降解率分別為90.5%、96.4%和78.2%，總磷的降解率分別為68.5%、75.8%和22.5%，COD的降解率分別為79.1%、84.5%和79.0%；曝氣14天，氨氮的降解率分別為95.4%、98.1%和93.1%，總磷的降解率分別為67.8%、83.9%和66.9%，COD的降解率分別為86.7%、92.9%和88.9%。圖7、圖8和圖9都表明， SEM-W與SEM-D比例為1∶1效果最好。

圖9 不同生物制劑配比COD的凈化效果Fig.9 Purification Effect of COD with Different Ratios of Biological Agent

2.4 自凈能力分析

在對營養化湖水通過添加生物制劑進行曝氣22天后停止曝氣，持續監測，水質依然保持較好的凈化效果；通過物相分析發現，出現了輪蟲、喇叭蟲、刀口蟲、鐘蟲、漫游蟲等生存在環境較好水體的指示微生物(見圖10)，表明經過一段時間的處理，營養化湖水的水質狀況有了較好的改善。可見，曝氣和生物制劑配合可改善微生物的生長環境，對水質的自凈化能力有一定的提升。

圖10 微生物圖片Fig.10 Pictures of microorganisms

3 結論

(1)當水中微生物微少的情況下對富營養化湖水進行曝氣凈化效果甚微，通過曝氣與添加生物制劑共同作用，可促進營養化湖水的凈化。

(2)SEM-W和SEM-D兩種制劑分別進行使用時，SEM-W效果好于SEM-D。

(3)將SEM-W和SEM-D兩種制劑混合使用比單一制劑效果更好，其中SEM-W和SEM-D按1∶1配比對湖水的凈化效果相對較好。

(4)通過曝氣和生物制劑結合，可改善水質環境，提升水體自凈化能力。