固定化復合微生物菌劑對農村河道黑臭水體的凈化試驗

燕可翀

(太原城市職業技術學院，山西 太原 030027)

0 引言

黑臭水體的形成是由于水環境納入的有機污染超過自凈能力，有機物分解消耗溶解氧，產生H2S和NH3等氣體，同時產生FeS和MnS等黑色物質，從而造成的一種極端污染水體。水體發黑并伴有臭味，水中的浮游生物基本消失，水生植物嚴重退化，環境中的食物鏈斷裂，水體生態平衡遭到破壞，水體功能喪失[1]。黑臭水體不僅影響環境景觀，還對人體產生健康危害。黑臭水體的治理方法主要有物理處理、化學處理和生物處理3大類。由于生物法具有處理量大、成本較低和無二次污染等優點而被廣泛用于黑臭水體的治理[2]。

生物處理主要包括微生物強化凈化和植物凈化兩類。而投加菌劑是黑臭水體治理中最常用的微生物強化法。通過投加選育的菌劑可以使水體中微生物多樣性和生物量提高，從而加快微生物對污染物的降解過程。投放的菌劑一般為土著菌劑及工程菌劑兩大類[3]。黃彬等[4]從活性污泥中篩選出高效反硝化菌株B8，用于A/O生物反應器強化去除總氮(total nitrogen，TN)和總磷(total phosphorus，TP)，去除率達到70.72%和73.03%。王海珊等[5]使用土著菌劑在搖瓶中進行黑臭水凈化試驗，結果顯示對氨氮(NH3-N)、TP和化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)的去除率分別達到92.39%、89.29%和62.93%。尹莉等[6]研究了使用工程菌強化黑臭水體的凈化，結果顯示，在最佳試驗條件下，COD、NH3-N、TP濃度分別由800、37和2.44 mg/L降到53、0和1.33 mg/L，去除率分別達到了93.38%、100%和45.49%。

微生物菌劑強化雖然具有較好的水體凈化作用，但是外加菌劑容易流失，水體凈化持續時間短，或者需要不斷添加菌劑，從而抬高工程化成本。為了提高并完善游離微生物凈化的持續效果，微生物固定化技術從20世紀60年代開始迅速發展起來。通過篩選微生物的載體，避免菌體流失，提高菌體利用率與處理效率，從而降低工程成本[7]。

此外，針對污水處理過程中存在脫氮效率低的問題，發展出了向缺氧區投加外碳源提高反硝化脫氮效率的工藝。TONG J等[8]利用回收氮磷后的剩余污泥水解酸化液作為外加碳源，TN和TP的去除率分別為83.2%和92.9%。木質纖維素類生物質主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等，其碳氮比比剩余污泥高，更適合作為外加碳源[9]。邵留等[10]選擇稻草作為碳源直接投加到含硝酸鹽的污水中，孫雅麗等[11]以刨花、玉米芯和腐朽木為碳源物質，對污水中硝酸鹽氮的去除效果進行了研究，均取得了較好的結果。

通過上述文獻分析，結合對菌劑的吸附固定材料篩選，提出使用汽爆玉米秸稈作為菌劑吸附固定材料的設想，經過汽爆預處理的秸稈使吸附面積大幅增加，通過汽爆預處理也使秸稈中的纖維素和半纖維組方分離，更易于被微生物降解，從而也可以作為廢水處理過程的外加碳源[12]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所需水樣取自河北省邢臺市某村污水河道，該河道流速低，污染較重，水體黑臭，河道兩岸有較多居民和各種中小企業，是較為典型的農村黑臭水體。將該黑臭河道的水樣靜置2 h后，測定水樣的主要參數，結果如表1所示。

表1 試驗用水水質主要參數

1.2 試驗方法

1.2.1 復合微生物菌劑的制備

將黑臭水樣置于25 ℃培養箱中，以160 r/min振蕩培養3 d，將振蕩培養后的污水與原污水以體積比1∶10的比例混合，并置于培養箱中，以相同的條件振蕩培養2 d，重復上述步驟，共傳代4次，富集培養得到復合微生物菌劑。

1.2.2 汽爆玉米秸稈的制備

玉米秸稈使用粉碎機粉碎為長度<1 cm的小段，噴入50%(W/W)的自來水，混勻后裝入汽爆反應器中進行汽爆預處理，預處理條件為蒸汽壓力1.2 MPa，停留時間5 min[13]。汽爆預處理完成后，在60 ℃下烘干并粉碎到60目以下，制得汽爆玉米秸稈粉。

1.2.3 固定復合微生物菌劑的制備

將汽爆玉米秸稈粉和復合微生物菌劑以質量體積比為1∶50進行混合，然后置于培養箱中，以25 ℃和200 r/min振蕩培養3 d，使汽爆玉米秸稈粉和復合菌劑充分混合固定，最后離心分離得到固定化復合微生物菌劑。

1.2.4 黑臭水凈化能力測定

取10 L河道黑臭水體置于體積為15 L的塑料桶中，添加一定量的固定化復合菌劑(另設對照組，添加游離菌劑或者汽爆玉米秸稈粉或者不加菌劑)，在常溫下以曝氣好氧的方式進行污水凈化反應，通過控制曝氣流速，使水體中溶氧控制在(2±0.5)mg/L。每隔一定時間取樣測定CODCr、NH3-N、TP，通過污水凈化速率和污染物去除率來考察固定化復合菌對河道黑臭水體的凈化效果和凈化速率。所有的試驗設置3個平行，試驗結果以平均值±SD的方式報告。

1.2.5 水質測定方法

主要分析項目及分析方法下：pH，HANNA HI98129型pH計；溶解氧(DO，mg/L)，HACHHQ30D溶氧儀；COD采用重鉻酸鹽法測定，并標記為CODCr；TN，mg/L，堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；NH3-N，ml/L，納氏試劑分光光度法；TP，mg/L，過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法[13]。

1.2.6 統計分析

采用Microsoft 365中的Excel和OriginPro 2016(64Bit)對數據進行整理和作圖，采用Minitab?19.1(64-bit)對數據進行差異顯著統計分析。

2 結果和討論

2.1 菌劑類型對于污染物去除效果的影響

通過COD去除率考察了不同菌劑的添加對于污水凈化的效果。試驗中菌劑的添加量為每升污水添加50 mL菌劑搖瓶制備的固定化復合菌劑，對照組則分別添加1 g玉米秸稈或者50 mL搖瓶培養復合菌液。從圖1可以看出，固定菌劑的添加具有最佳的效果，當添加游離菌劑時，5 d后COD從最初的612 mg/L降低到了(122±28)mg/L，COD的去除率為80.06%±4.58%；當使用固定菌劑時，從1 d后COD的去除速率就顯著快于游離菌劑，到5 d時，COD的去除率達到了91.99%±2.78%，較游離菌劑提高了11.49個百分點。統計學分析顯示，固定菌劑的去除率極顯著地高于無添加組(T=13.03，P=0.001)和汽爆秸稈粉組(T=8.42，P=0.004)，顯著高于游離菌劑組(T=3.86，P=0.031)。這說明經過汽爆秸稈粉的固定化后，復合微生物菌劑對于外界沖擊因素的抵抗性更強，活性更高，繁殖能力更強，處理效果更好。

圖1 不同菌劑對于黑臭河水COD的去除效果Fig.1 Removal efficiency of COD from black and odorous water by different microbial agents

2.2 菌劑用量對污染物去除效果的影響

在污水處理過程中，菌劑的生產成本較高，菌劑用量是影響工程造價的關鍵因素[14]。為了獲得最佳的菌劑用量，考察了菌劑用量對于黑臭水體中COD、NH3-N和TP的去除效果。菌劑用量在前期試驗優化的基礎上，分別考察了1∶20、1∶50和1∶100共3個比例，即相當于每升污水中添加50、20和10 mL菌劑液獲得的固定復合菌劑。

如圖2和表2所示，添加量為1倍劑量(10 mL/L)的COD的去除效果和2倍添加量(20 mL/L)的去除效果有顯著的差別(T=4.46，P=0.011)，而2倍添加量和5倍添加量(50 mL/L)的去除效果在5 d后則沒有明顯的區別(T=0.74，P=0.514)。通過上述分析可知，使用2倍添加量的菌劑，既能達到一定的效果，又能在一定程度上降低實際工程中的造價，可能是最佳的選擇。

圖2 固定化復合菌劑用量對于黑臭水COD凈化效果的影響Fig.2 Effect of immobilized compound microbial inoculant amount on COD purification of black and odorous water

表2 菌劑用量對于黑臭水中污染物去除率的影響

圖3和表2對比了不同菌劑用量對于氨氮的去除效果。相對于1倍添加量，2倍和5倍添加量可以顯著增加氨氮的去除速率，這在處理過程的前4 d表現明顯，但也觀察到，隨著時間延長到第5天，最后的氨氮去除率并沒有顯著的差別(1倍添加量和2倍添加量的第5天數據進行比較，T=1.29，P=0.326)。

圖3 固定化復合菌劑用量對于黑臭水中氨氮去除效果的影響Fig.3 Effect of immobilized microbial inoculant amount on removal efficiency of ammonia nitrogen in black and odorous water

圖4和表2比較了固定化復合菌劑用量對于污水中TP的去除效率。總的來看，隨著添加量的增加，去除效率有所增加，但是比較可以看出，去除率未能和劑量成正比。隨著菌劑用量的增加，凈化效果逐漸趨同，這也說明，在污水凈化過程中，微生物的增殖受到多方面參數的限制并且隨著條件的變化而變化。

圖4 固定化復合菌劑用量對于黑臭水中TP去除效果的影響Fig.4 Effect of immobilized microbial inoculant amount on removal efficiency of total phosphorus(TP)in black and odorous water

2.3 固定化復合菌劑的使用周期

為了考察菌劑的耐用性，在每次完成5 d的污水凈化后，通過濾膜將反應器中的固定菌劑過濾后用于下一批次的污水處理，以考察菌劑的耐用性。對試驗數據進行統計分析，由圖5可知，前3批之間沒有顯著差異，第4批開始效果下降，到第5批時，和不添加菌劑的差別不太顯著。這可能和菌劑在使用過程中與秸稈粉中纖維素、木質素的降解有關系，污水中菌株會產生纖維素酶和其他木質素降解酶類，將秸稈粉轉化為碳源，菌劑的固定化效果逐漸消失[9]。

圖5 固定化復合菌劑使用次數對于黑臭水中COD去除效果的影響Fig.5 Effect of usage times of immobilized microbial inoculant on removal efficiency of COD in black and odorous water

3 結論

本研究提出了使用汽爆玉米秸稈粉固定化土著復合微生物菌劑同時作為外加碳源來強化黑臭水體的處理，結果顯示，使用固定化復合微生物菌劑相對于普通的游離菌劑可以更有效地去除黑臭水體中的COD、NH3-N和TP等污染物。在添加量為1∶50(20 ml/L)的條件下，固定化符合微生物菌劑可以重復使用3次(15 d)以上。對于實驗黑臭水體，COD，NH3-N和TP的去除率可以達到90.85%、92.64%和90.23%。