固定化微生物在水環境治理中的應用

遲 冉，劉春光

(上海水源地建設發展有限公司，上海 200000)

隨著水資源污染的加重，對水環境的治理提出了更高的要求。高效微生物技術利用微生物易繁殖、強降解特性，對微生物菌落進行分離、馴化、提純及擴大培養[1-2]。在此基礎上，利用水中化學需氧量(COD)、P、N等作為營養物質，選用合適的菌落在較差的水環境下迅速繁殖，從而快速降解水中有機污染物，提升水環境的質量[3]。目前微生物環境治理技術主要為2類[4-6]：直接向水中投放游離的微生物菌種；將微生物固定在載體基質投入水中的固定化微生物。固定化微生物由于工藝簡單、污染處理效率高、投資運營費用低的特點，在環境污染治理方面得到了廣泛的研究和應用[7]。在微生物固化方法方面，常用的有吸附法、包埋法、交聯法，各類方法各有特點，被應用于不同的場合[8-10]。在微生物固定化載體的選擇上，除了傳統載體外，還開發了具有特殊功能的載體，如可生物降解多聚物載體、磁性載體、環釋碳源載體等，實現各種載體材料性能的優勢互補[11-13]。本文在相關研究基礎上，以某一北方城市污染河道為試驗對象，通過篩選水中土著微生物并結合載體基質進行微生物固定化，對影響固定化微生物的凈水效果影響因素進行分析，以期獲得具有高效凈水能力的固定化微生物組別和生物參數。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試水樣選擇北方某一新城旁河道，水體發黑，存在明顯的異味，黑臭水初始測定指標見表1。自然流動狀態下取上覆水，并在4 ℃下保存水樣，置于液體富集培養液中進行微生物培養，使河水菌落繁殖生長。經過水質微生物培養與篩選，分離出14株微生物，根據污染物降解實驗比較確定，選擇最優菌B2號作為土著微生物。固定化基質采用小于60目的綠沸石(LF)。其余試劑包括HCl溶液濃度為1 mol/L，NaOH溶液濃度20 g/L，10%生理鹽水和滅菌培養基，蒸餾水。

表1 黑臭水初始測定指標

1.2 儀器與設備

1.3 實驗方法

首先，用自來水沖洗去除附在基質上的粉塵，用1 mol/L的HCl溶液浸泡24 h后，取出用蒸餾水沖洗3遍，放入20 g/L的NaOH溶液浸泡24 h，重復用蒸餾水沖洗，最后浸入到10%生理鹽水24 h，并取出烘干備用。稱取30 g經過預處理的基質與配置的微生物液體培養基放入蒸汽滅菌鍋濕熱滅菌30 min，取出浸泡24 h待用。

將處理好的基質轉移至液體培養基中，按照3%接種量接入B2號菌株，在30 ℃恒溫培養基吸附固定化處理48 h后，待微生物全部吸附在基質上，分離基質與培養基，無菌水沖洗。稱取1 g固定化微生物置于10 mL黑臭水錐形瓶中，編號為GD1，并建立空白組CK，對照組CK2和CK3，實驗變量組設置見表2。將試驗組與對照組分別置于轉速160 r/min、25 ℃下震蕩培養箱中進行凈化水體實驗，設定凈化周期24 h。實驗完成后，取出水樣經納氏試劑分光度法、鉬酸鹽分光度法、重絡酸鉀分光廣度法[14]測定凈化后水中的NH3-N、TP、COD濃度。

表2 實驗變量組設置

2 試驗結果分析

2.1 不同添加量的影響

不同添加量下對黑臭水的降解效果如圖1所示。對于CK2組，當添加量為5%時獲得的降解效果最優，最優降解效率40.3%。由于微生物添加量較大，使得黑臭水中的COD含量上升，到24 h平衡時尚未完全降解，造成微生物添加量與降解效率差異較大。對于GD1組和GD3組，當添加量10%時，對黑污水GOD的降解率分別為64%和65.4%，此時添加量對黑污水降解效果最優。

圖1 添加量對COD的影響

3個組別對黑污水TP指標的處理效果如圖2所示。當添加量為10%時，CK2、CK3和GD1組對黑污水的TP指標降解率分別為55.1%、52.5%、74.5%。比較可以看出，其中GD1組對黑污水處理效果遠高于其余2組，考慮到CK2中投入微生物量較大，對水中TP利用率高，因此大投加量下對黑污水的去除效率明顯高于小投加量。

圖2 添加量對TP的影響

3種方式下對黑污水NH3-N的處理效果如圖3所示，添加量為10%時，CK2、CK3和GD1組對黑污水的NH3-N指標降解率分別為57.8%、67.8%、81.1%。GD1組明顯優于其余兩組，但投加量5%和10%時對NH3-N的處理效果較好，因此從經濟角度考慮，選用5%投加量更適宜大規模應用。

圖3 添加量對NH3-N的影響

2.2 不同溫度場的影響

設定物生物添加量為5%，恒溫震蕩培養基轉速150 r/min中，測定不同反應溫度下固定化微生物的降解效果，如圖4所示。

圖4 反應溫度對COD影響

當溫度越高，對黑污水中COD的去除效果最優。其中GD1組在35 ℃時的COD指標降解率為53.5%，相較于低溫處理條件下，處理效果提高了近4%，去除效果最優。比同溫度下的CK2和CK3組去除率分別提高了11.2%和7.0%，說明固定化微生物對污染物降解能力最優。不同溫度下各組別對黑污水指標處理效果如圖5、圖6所示。

圖5 反應溫度對TP影響

圖6 反應溫度對NH3-N影響

GD1組在不同溫度下對黑污水的TP指標和NH3-N指標處理效果明顯高于其他2組。其中GD1、CK2和CK3組對黑污水TP指標的降解率分別為73.9%、49.2%和22.1%，GD1處理效果最優，CK3的處理效果最差，表明單一物質下對污染物處理作用有限，但將微生物附著在基質上，明顯改善了微生物對黑污水的處理效果。各組別對黑污水NH3-N指標的處理效果與TP類似，隨著溫度升高，處理效果越好，其中GD1組對NH3-N的處理效果最優，降解率達到75.6%。

上述分析表明溫度升高時能促進污染物的降解，而實際情況下，大部分地區的室外水溫往往低于30 ℃，因此，建議選擇20～25 ℃水溫下進行。

[8] Xinjun Zhang, “The Latest Developments of the US Freedom of Navigation Programs in the South China Sea”, Journal of East Asia & International Law, Vol. 9, No. 1 (2016), pp. 167-182.

2.3 不同降解時間的影響

設定物生物添加量為5%，恒溫震蕩培養基溫度為25 ℃，轉速150 r/min，測定不同反應時間下的黑污水COD濃度變化如圖7所示。GD1組在前2 h內COD呈現出逐步上升趨勢，隨后大幅度下降，直到24 h后達到平衡狀態，整個過程的最大降解率達到53.4%。CK2組中，隨著時間的變化，COD濃度平緩下降，當反應時間36 h時達到最大，最高降解率達到34.8%。CK3組在0～24 h時的COD濃度顯著變化，到了24 h，溶液濃度小幅上升后達到平衡狀態，最高降解率為51.4%。考慮到COD的升高部分是由于微生物的增長作用，隨后在基質和微生物的共同作用下，大幅降解黑水中的污染物。

圖7 降解時間對COD影響

不同組別下，污水中TP濃度隨降解時間的變化趨勢如圖8所示。在前2 h段，不同組別的TP濃度迅速下降，隨后下降幅度趨于平緩，并在24～48 h濃度趨于平衡。CK2和CK3組的TP降解效率約保持在35%附近，較為接近，CD1組的最高降解率達到71.9%，明顯高于前2組的降解效率。

不同組別下NH3-N的濃度隨時間的變化趨勢如圖9所示。CK2組中NH3-N濃度呈現出一個凸形變化趨勢，即先下降，后上升，再下降，最后處于基本平衡狀態。在5 h的NH3-N濃度最大，此時NH3-N降解率達到33.1%。CK3和CD1組的降解基本一致，前5 h內污染物濃度迅速下降，隨后趨于平緩，在2 h達到平衡狀態，CK3的最高降解率54.6%，GD1最高降解率70.6%。

實驗結果表明，隨反應時間的變化，污染物降解效果受到一定影響，在一段時間內，達到固化微生物最高降解效率后，保持一個平衡狀態，因此，建議降解反應時間以24 h為一周期來執行。

2.4 固定化微生物對黑臭水凈化效果

設定添加量5%，反應溫度25 ℃，經過24 h降解反應結果如圖10所示。可以看出，固定微生物GD1組對黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分別為49.5%、70.0%、71.1%；單獨添加固化載體基質的CK3組對黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分別為45.7%、20.0%、50.1%；而添加游離微生物的CK1組對黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分別為27.3%、35.0%、18.9%。空白對照組中各項污染物也存在一定的下降，表明水體本身還具備一定的自凈能力[15]。而僅添加游離微生物CK1組中的COD含量較高，主要是微生物作為有機物，在黑水中不斷地繁殖，使得水體中COD含量上升，且微生物對TP降解能力高于單一基質CK3組[16]。對比不同組可以看出GD1組對各項污染物具有優良的去除效果，表明固化過程中的微生物能較好地附著在基質上。

圖10 固定化微生物對污染物去除效果

3 結論

針對城市黑臭水體問題，采用生物—生態修復法進行水體污染治理。通過篩選水中土著微生物，選擇B2號微生物菌株為微生物聚落，綠沸石固定載體基質，通過吸附固定化工藝進行微生物固化。選擇COD、TP和NH3-N污染指標，將固定化微生物菌落與單一游離菌與單一基質對黑臭水凈化效果進行對比，研究得出：

(1)固定微生物GD1組對黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分別為49.5%、70.0%、71.1%，各指標均高于單獨添加固化載體基質組以及添加游離態微生物組。表明固化過程中微生物能較好附著在基質上，提升了微生物對各項污染物的去除效果。

(2)比較不同固定化微生物添加量、降解溫度、降解時間等因素對固定化微生物去污效果的影響，確定微生物降解率最高時的生長環境添加量5%、降解溫度25 ℃，降解周期為24 h為最適宜降解環境。