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、磷及有機污染物,達到凈化水體的目的[1]。該技術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,達到凈化水質的效果,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合,加強對富營養(yǎng)化水體中氮、磷和有機物的去除效果。強化生態(tài)浮床技術操作簡單、成本低、凈化效果好,以其獨特的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益得到廣泛應用。本文根據(jù)秦皇島市所處區(qū)域的地理氣候特點、河道水質狀況及對植物抗逆性研究,選擇具有耐鹽性、抗污性強的千屈菜作為浮床植物,構建小型強化生態(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提供良好的技術支持。
浮床植物的選擇是生物浮床技術成功的關鍵。選擇浮床植物是在對植物的生物學特性、耐污性、耐水性、對氮和磷去除能力等深入了解的基礎上,篩選出具有一定耐受性,對當?shù)貧夂?、水文、水質現(xiàn)狀等有較好適應能力的土著種類。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之一。研究顯示,千屈菜(Lythrum salicaria L.)耐Nacl 的臨界質量濃度為1 700 mg/L,表明千屈菜是耐NaCl 較強的植物之一[4]。千屈菜是多年生草本植物,喜強光,耐寒性強,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、栽培容易、方便管理等特點。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污染現(xiàn)狀[5]。由于千屈菜獨特的耐鹽性、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)達程度密切相關。發(fā)達的植物根系,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。試驗選用的千屈菜是處于生長旺期、根系發(fā)達健壯的7月扦插苗,平均株高20 ~30 cm,須洗凈植物根部,移栽至試驗水體進行預培育。待千屈菜適應試驗水體環(huán)境并開始長出新枝葉后,即可移入試驗浮床,進行試驗。
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-好氧反硝化菌進行的生物脫氮過程具有獨特優(yōu)勢:硝化和反硝化可同時進行,實現(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是相互促進的。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌可同時利用NH4+-N、NO2--N、NO3--N 作為氮源,好氧反硝化菌能夠在有氧氣時進行反硝化,實現(xiàn)了硝化和反硝化在時間和空間上的統(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合,能提高浮床對水體中氮的去除效果,強化生態(tài)浮床對水體中總氮去除率,比單獨浮床系統(tǒng)可提高17.3%,證明了對浮床反硝化作用進行強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,避光保存一個月內可用。B 液:a-萘胺0.1 g,蒸餾水20 mL,稀醋酸(體積分數(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,挑取單個菌落進行初篩與復篩。
(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)基顏色由黃綠色轉變藍色,證明該菌株具有好氧反硝化活性;進一步用LB 培養(yǎng)基進行3 次分離純化,初篩得到試驗用菌株[7]。
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合的組合方式。試驗前將純化的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌投加到試驗水體中,通過掛膜與填料結合。在浮床上栽種準備好的符合試驗要求的千屈菜,建成小型強化生物浮床,將構建好的生物浮床置于人工模擬池中。試驗用水取自秦皇島市某河口,鹽度為4.75‰。
植物根系活力、生長與溫度、光照密切相關,隨溫度增加,植物生長速度加快,需要的氮、磷等營養(yǎng)物質也不斷增加,水體凈化效果更顯著[3]。本試驗于7月中旬至8月中旬進行,此時溫度高、光照強,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。試驗用水取自秦皇島市某河口,鹽度為4.75‰,取水樣后立即進行監(jiān)測,主要監(jiān)測NH4+-N、NO3--N、TN、TP 等項目。在8月中旬試驗結束前,再次監(jiān)測試驗水體的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)測結果如表1所示。
表1 試驗監(jiān)測結果
試驗結果顯示,異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強化生物浮床對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,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。
本室內模擬試驗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、磷的去除效果進行了研究,結果證明,異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強化生物浮床的硝化和反硝化作用較強,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沉淀、生物吸附等化學生物作用[2]。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌強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物方面更加高效穩(wěn)定。該試驗為本地實際河道中高鹽度、富營養(yǎng)水體利用強化生物浮床脫氮除磷,凈化、改善、恢復水生生態(tài)環(huán)境提供了理論基礎。強化生物浮床具有良好的實際應用前景,將為秦皇島市河道凈化修復提供一種更加環(huán)保、高效的技術手段,并且能夠綠化美化環(huán)境,維護生物多樣性,營造優(yōu)美的自然生態(tài)景觀。