環保酵素對水中污染物的去除效果研究

王 婷，趙仕沛，孫志華，劉 馳，兗少鋒

(河南省生態環境科學研究院，河南 鄭州 450001)

近年來，我國經濟迅速發展加大了城市化進程，在城市化發展過程中，人員越來越密集，工業生產廠家越來越多，導致其排放的生活污水、工業廢水成倍增加[1-3]，使人們賴以生存的水環境受到了嚴重污染。受污染的水體內滋生大量病原微生物、細菌等，其不僅嚴重威脅水生物生長，還可導致人類傳染病發生，因此去除水中污染物是水體污染治理的必要措施。環保酵素也稱酶，其是具備生物大分子[4-5]，可使反應質反應方向和產物發生變化，且可加速反應質的反應速度。環保酵素是利用糖水和廚余垃圾經過發酵制作而成，其可有效消除廚余垃圾，將其應用到水環境治理過程中可有效提升水環境質量[6-7]。目前研究環保酵素對水環境治理方法有很多，如王洋等[8]從環保酵素對水病原抑菌角度展開研究，其通過采集水樣本后，將自制的環保酵素加入其中，然后使用比濁法和平板劃線方法分析其對水內病原微生物的抑制效果。但該方法僅從其抑菌角度展開，并未對污水內氮、磷等化合物進行分析，其研究角度不夠寬泛。而荊秀艷等[9]從環保酵素對生活廢水治理進行了分析，其利用廚余垃圾制備酵素后，對生活污水樣本進行了批量測試，雖然取得一定研究成果，但其采集的生活污水樣本較少，使其得出的結論較為片面，無說服性。為補充環保酵素對水污染治理效果，本文在此研究環保酵素對污水因子的去除效果。

1 環保酵素對水中污染物的去除效果

1.1 環保酵素用于污水處理的原理

環保酵素在去除水中污染物的過程中，水環境的微生物會從其生存環境中吸取有機污染物，此時環保酵素內的透膜酶對有機污染物進行催化，使其穿過細胞壁進入到微生物體內，微生物將有機污染物作為能量吸收[10]。但有機污染物存在小分子和大分子情況，小分子可直接被吸收，淀粉酶、蛋白質等則需水解酶對其分解成小分子后再被吸收。進入微生物細胞內的有機污染物一部分被脫氫酶、氧化酶等催化后發生代謝反應，最終生成二氧化碳和水。另一部分則被微生物合成了新的細胞。有機污染物經過環保酵素內微生物的兩種作用下[11-12]，可有效被去除，從而實現了環保酵素污水因子去除效果。將上述過程使用圖形來描述其數量關系，如圖1所示。

圖1 環保酵素內微生物代謝水中污染物的活動數量關系Fig.1 Activity quantity relationship of microorganisms in environmental protection enzymes metabolizing pollutants in water

水環境內微生物代謝污染物時，其合成無機物和能量的占比為2/3，氧化成新細胞為1/3。而新細胞又將80%的污染物再次轉化為無機物和能量，將剩余20%的殘留物質進行新陳代謝。環保酵素內存在多種微生物、酶和活性物，其去除污水因子機制如下：①環保酵素內的活性物對水環境微生物生長起到了促進作用。環保酵素內的活性物提升了水環境內的有效生物活性，其水環境內的微生物數量得到增加[13]。水環境內生物鏈得到延長后，使其微生物去除污染物的效果得到增加。而污染物經過微生物作用后，水環境內的有機物結構得到了重構[14-15]，從而達到去除污水因子效果。②環保酵素內的酶類促進水環境內微生物的代謝速度。環保酵素內的酶類有蛋白質分解酶、氧化還原酶等，其均具備催化作用。酶類活性發生作用時，可增加氧化傳遞速度[16-17]，使水環境內微生物菌群得到快速生長，增加微生物凈化水環境能力。③環保酵素可降低水環境內污泥的形成率。環保酵素在促進水環境內微生物生長的過程中[18]，使水環境內微生物群落結構得到了優化，其有效延長了水環境內污泥消化時間[19-20]，降低了水環境內的污泥濃度，實現了降低污泥形成率的目的。

1.2 材料與方法

(1)環保酵素制備。以泰國樂素昆·普潘翁博士研發的配方和制作方法為準，完成環保酵素的制備。將紅糖、水、蘋果按照1∶10∶3的比例配制好后，將其放置于密封罐內發酵3個月，得到單一環保酵素。將紅糖、梨、蘋果、橙子、水按照1∶3∶3∶3∶10的比例配制好后，放置于密封罐內發酵3個月，得到混合環保酵素。使用紗布將制作好的單一酵素和混合酵素進行過濾，得到酵素液。將單一酵素液和混合酵素液放置在密閉容器內，置于恒溫環境中保存備用。

(2)水體樣本采集。以某排放生活用水和工業廢水河流作為研究區域，在該區域內于某天16：00時采集若干份水體樣本，該水體樣本的化學背景值見表1。

表1 水體樣本化學背景值Tab.1 Chemical background values of water samples mg/L

(3)實驗方法。將采集好的污水樣本放置在容量為10 L的透明玻璃桶內，抽取5 L的水體樣本作為對照組，其余按照5 L/份，分別向水體樣本內加入含量為3%、6%和12%的單一環保酵素液和混合環保酵素液，并使其均勻混合。然后將水體樣本置于陰涼通風環境內靜置，每隔3 h對實體樣本進行采樣檢測，當水體樣本指標數據曲線變化極其微小時停止實驗。

(4)檢測方法。使用納氏試劑分光光度法檢測水體樣本的氨氮變化情況，使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測水體樣本內總氨變化情況。

2 實驗分析

測試添加量不同的單一環保酵素液和混合環保酵素液在不同時間段內對污染物中氨氮去除效果，結果見表2、表3。

表2 單一環保酵素對污染物中氨氮去除率Tab.2 Removal rate of ammonia nitrogen in pollutants by a single environmental enzyme

綜合分析表2和表3可知，對照水體樣本、添加不同含量的單一環保酵素和混合環保酵素的水體中氨氮去除率均隨著時間的增加而增加。其中對照水體樣本，氨氮去除率增加幅度較小，其原因在于該水體樣本內微生物含量較少，其對污水因子內氨氮代謝能力稍差。而單一環保酵素和混合環保酵素添加到水體樣本內后，隨著時間的增加，二者對氨氮的去除率均呈現上升趨勢，但單一環保酵素對污水因子內氨氮的去除率略低于混合環保酵素，且同一種環保酵素的添加含量越多，去除污水內的氨氮因子效果越好。其中單一酵素和混合酵素的添加量均為12%時，對照樣本污水因子內氨氮去除率分別高出16.49%和18.6%。上述結果表明，單一環保酵素和混合環保酵素對水中污染物氨氮的去除效果均較好，且其添加含量越高，去除效果越佳。

表3 混合環保酵素對污染物中氨氮去除率Tab.3 Removal rate of ammonia nitrogen in pollutants by mixed environmental protection enzymes

測試2種環保酵素在添加量不同情況下對污水中氮元素和磷元素的去除效果，結果如圖2、圖3所示。

分析圖2可知，對照水體樣本、單一環保酵素和混合環保酵素在不同添加量、不同實驗時間時，污水中總氮數值均隨著時間的增加而降低。其中，對照樣本中總氮含量下降幅度最小，而單一環保酵素去除后的總氮含量下降幅度稍遜于混合環保酵素，其原因在于單一環保酵素內酶類數量和種類均較少，其活性較混合環保酵素差，導致其氮元素去除效果不佳。而混合環保酵素的活性較好，可促進水體樣本內微生物數量提升，使污水中氮代謝速度加快，因此其去除氮元素效果最為顯著。

圖2 2種環保酵素在不同添加量條件下去除污水中氮元素的情況Fig.2 Removal of nitrogen in sewage by two kinds of environmental enzymes under different dosage conditions

分析圖3可知，對照樣本、添加不同含量的單一環保酵素和混合環保酵素時，污水中的總磷含量均與實驗時間呈反比。在實驗時間為30 h之前時，對照樣本、添加不同含量的單一環保酵素和混合環保酵素的污水中總磷含量呈稍大幅度下降趨勢；當實驗時間超過30 h后，污水因子內總磷含量呈平緩下降趨勢，說明此時水體樣本內磷元素代謝已達到平衡狀態。而相對于對照樣本來說，添加不同含量單一環保酵素和混合環保酵素的污水中總磷含量均較低。上述結果表明，不同種類的環保酵素對污水中磷元素的去除效果均較好。

圖3 2種環保酵素在不同添加量條件下去除污水中磷元素的情況Fig.3 Removal of phosphorus in sewage by two environmental enzymes with different additions

污水中固體懸浮濃度是衡量水體樣本內活性污泥微生物的指標。由于添加含量為12%的單一環保酵素和混合環保酵素對污水因子去除效果最好，以該添加含量的2種酵素和對照樣本為實驗對象，測試在不同時間情況下，2種環保酵素作用下對污水中懸浮固體濃度影響。結果如圖4所示。

圖4 2種環保酵素對污水中懸浮固體濃度的影響Fig.4 Effects of two environmental enzymes on suspended solid concentration in sewage

分析圖4可知，隨著實驗時間的增加，添加含量為12%的單一環保酵素和混合環保酵素以及對照樣本中的污水懸浮固體濃度均呈上升趨勢，且其上升到一定程度后呈輕微浮動狀態。而添加相同含量混合環保酵素的污水懸浮固體濃度均高于單一環保酵素，其原因在于混合環保酵素在發酵過程中微生物菌群較單一環保酵素多，其使大量微生物菌群不斷繁殖，因此其懸浮固體濃度數值較高。實驗結果表明，添加不同種類的環保酵素可有效提升污水中的懸浮固體濃度，使水環境內的微生物數量增加，提升污水因子被消耗代謝能力。

從活性污泥絮體角度，對添加含量為12%的單一環保酵素和混合環保酵素的水體樣本進行測試，結果如圖5所示。

圖5 2種環保酵素對污水中活性污泥絮體的影響Fig.5 Effects of two environmental enzymes on activated sludge flocs in sewage

分析圖5可知，從水體樣本活性污泥絮體表面來看，對照演變的活性污泥絮體表面較為粗糙，而添加含量為12%的單一環境酵素和混合環保酵素水體樣本中的活性污泥絮體則表現為較光滑狀態。上述原因在于，活性污泥絮體是由微生物菌群及較大的懸浮物等構成的聚集體，而環保酵素加入其中后，水體樣本內微生物菌群結構發生了變化，使水體樣本中生成大量氣泡，對污泥絮體形成一定的破壞作用。實驗結果表明，在水體樣本內添加環保酵素可破壞其污泥形成，達到去除污水因子目的。

以溶氧量(DO)作為衡量指標，測試添加含量為12%的單一環保酵素和混合環保酵素對污水中溶氧量的影響，結果如圖6所示。

圖6 2種環保酵素對污水中溶氧量的影響Fig.6 Effects of two environmental enzymes on dissolved oxygen in sewage

分析圖6可知，對照樣本的溶氧量隨著時間的增加呈現緩慢降低趨勢，而添加單一環保酵素和混合環保酵素的污水中溶氧量呈平衡略有上升狀態。上述原因在于對照樣本內微生物數量較少，無法經過新陳代謝生出大量氧氣。添加單一環保酵素和混合環保酵素的污水因子內溶氧量出現上升是因為酵素菌促進了水體內微生物繁殖，微生物數量增多后其在活動中會產生一定氧氣，從而提升水體內的溶氧量，使水環境中形成良性循環狀態，進一步去除了水環境內的污染物。

3 結論

本文研究了環保酵素去除水中污染物的效果，通過大量實驗驗證表明，不同果蔬配比情況下生成的環保酵素應用效果也不盡相同，其配比水果種類越多，在去除水中污染物時的效果越好，且其在水體內添加含量越多，水環境內催生的微生物菌群和結構越多，污染物被消耗代謝速度越快。在相同添加量情況下，混合環保酵素去除污染物能力略高于單一環保酵素。