固定化微生物在水環(huán)境治理中的應(yīng)用

遲 冉，劉春光

(上海水源地建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200000)

隨著水資源污染的加重，對(duì)水環(huán)境的治理提出了更高的要求。高效微生物技術(shù)利用微生物易繁殖、強(qiáng)降解特性，對(duì)微生物菌落進(jìn)行分離、馴化、提純及擴(kuò)大培養(yǎng)[1-2]。在此基礎(chǔ)上，利用水中化學(xué)需氧量(COD)、P、N等作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，選用合適的菌落在較差的水環(huán)境下迅速繁殖，從而快速降解水中有機(jī)污染物，提升水環(huán)境的質(zhì)量[3]。目前微生物環(huán)境治理技術(shù)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(zhì)投入水中的固定化微生物。固定化微生物由于工藝簡(jiǎn)單、污染處理效率高、投資運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低的特點(diǎn)，在環(huán)境污染治理方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用[7]。在微生物固化方法方面，常用的有吸附法、包埋法、交聯(lián)法，各類方法各有特點(diǎn)，被應(yīng)用于不同的場(chǎng)合[8-10]。在微生物固定化載體的選擇上，除了傳統(tǒng)載體外，還開發(fā)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(huán)釋碳源載體等，實(shí)現(xiàn)各種載體材料性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[11-13]。本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以某一北方城市污染河道為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)篩選水中土著微生物并結(jié)合載體基質(zhì)進(jìn)行微生物固定化，對(duì)影響固定化微生物的凈水效果影響因素進(jìn)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(shù)。

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(fā)黑，存在明顯的異味，黑臭水初始測(cè)定指標(biāo)見(jiàn)表1。自然流動(dòng)狀態(tài)下取上覆水，并在4 ℃下保存水樣，置于液體富集培養(yǎng)液中進(jìn)行微生物培養(yǎng)，使河水菌落繁殖生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)水質(zhì)微生物培養(yǎng)與篩選，分離出14株微生物，根據(jù)污染物降解實(shí)驗(yàn)比較確定，選擇最優(yōu)菌B2號(hào)作為土著微生物。固定化基質(zhì)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(yǎng)基，蒸餾水。

表1 黑臭水初始測(cè)定指標(biāo)

1.2 儀器與設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，用自來(lái)水沖洗去除附在基質(zhì)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(fù)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(jīng)過(guò)預(yù)處理的基質(zhì)與配置的微生物液體培養(yǎng)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(zhì)轉(zhuǎn)移至液體培養(yǎng)基中，按照3%接種量接入B2號(hào)菌株，在30 ℃恒溫培養(yǎng)基吸附固定化處理48 h后，待微生物全部吸附在基質(zhì)上，分離基質(zhì)與培養(yǎng)基，無(wú)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(hào)為GD1，并建立空白組CK，對(duì)照組CK2和CK3，實(shí)驗(yàn)變量組設(shè)置見(jiàn)表2。將試驗(yàn)組與對(duì)照組分別置于轉(zhuǎn)速160 r/min、25 ℃下震蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行凈化水體實(shí)驗(yàn)，設(shè)定凈化周期24 h。實(shí)驗(yàn)完成后，取出水樣經(jīng)納氏試劑分光度法、鉬酸鹽分光度法、重絡(luò)酸鉀分光廣度法[14]測(cè)定凈化后水中的NH3-N、TP、COD濃度。

表2 實(shí)驗(yàn)變量組設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同添加量的影響

不同添加量下對(duì)黑臭水的降解效果如圖1所示。對(duì)于CK2組，當(dāng)添加量為5%時(shí)獲得的降解效果最優(yōu)，最優(yōu)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(shí)尚未完全降解，造成微生物添加量與降解效率差異較大。對(duì)于GD1組和GD3組，當(dāng)添加量10%時(shí)，對(duì)黑污水GOD的降解率分別為64%和65.4%，此時(shí)添加量對(duì)黑污水降解效果最優(yōu)。

圖1 添加量對(duì)COD的影響

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

圖2 添加量對(duì)TP的影響

3種方式下對(duì)黑污水NH3-N的處理效果如圖3所示，添加量為10%時(shí)，CK2、CK3和GD1組對(duì)黑污水的NH3-N指標(biāo)降解率分別為57.8%、67.8%、81.1%。GD1組明顯優(yōu)于其余兩組，但投加量5%和10%時(shí)對(duì)NH3-N的處理效果較好，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選用5%投加量更適宜大規(guī)模應(yīng)用。

圖3 添加量對(duì)NH3-N的影響

2.2 不同溫度場(chǎng)的影響

設(shè)定物生物添加量為5%，恒溫震蕩培養(yǎng)基轉(zhuǎn)速150 r/min中，測(cè)定不同反應(yīng)溫度下固定化微生物的降解效果，如圖4所示。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)COD影響

當(dāng)溫度越高，對(duì)黑污水中COD的去除效果最優(yōu)。其中GD1組在35 ℃時(shí)的COD指標(biāo)降解率為53.5%，相較于低溫處理?xiàng)l件下，處理效果提高了近4%，去除效果最優(yōu)。比同溫度下的CK2和CK3組去除率分別提高了11.2%和7.0%，說(shuō)明固定化微生物對(duì)污染物降解能力最優(yōu)。不同溫度下各組別對(duì)黑污水指標(biāo)處理效果如圖5、圖6所示。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)TP影響

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)NH3-N影響

GD1組在不同溫度下對(duì)黑污水的TP指標(biāo)和NH3-N指標(biāo)處理效果明顯高于其他2組。其中GD1、CK2和CK3組對(duì)黑污水TP指標(biāo)的降解率分別為73.9%、49.2%和22.1%，GD1處理效果最優(yōu)，CK3的處理效果最差，表明單一物質(zhì)下對(duì)污染物處理作用有限，但將微生物附著在基質(zhì)上，明顯改善了微生物對(duì)黑污水的處理效果。各組別對(duì)黑污水NH3-N指標(biāo)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(duì)NH3-N的處理效果最優(yōu)，降解率達(dá)到75.6%。

上述分析表明溫度升高時(shí)能促進(jìn)污染物的降解，而實(shí)際情況下，大部分地區(qū)的室外水溫往往低于30 ℃，因此，建議選擇20～25 ℃水溫下進(jìn)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(shí)間的影響

設(shè)定物生物添加量為5%，恒溫震蕩培養(yǎng)基溫度為25 ℃，轉(zhuǎn)速150 r/min，測(cè)定不同反應(yīng)時(shí)間下的黑污水COD濃度變化如圖7所示。GD1組在前2 h內(nèi)COD呈現(xiàn)出逐步上升趨勢(shì)，隨后大幅度下降，直到24 h后達(dá)到平衡狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程的最大降解率達(dá)到53.4%。CK2組中，隨著時(shí)間的變化，COD濃度平緩下降，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間36 h時(shí)達(dá)到最大，最高降解率達(dá)到34.8%。CK3組在0～24 h時(shí)的COD濃度顯著變化，到了24 h，溶液濃度小幅上升后達(dá)到平衡狀態(tài)，最高降解率為51.4%?？紤]到COD的升高部分是由于微生物的增長(zhǎng)作用，隨后在基質(zhì)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(shí)間對(duì)COD影響

不同組別下，污水中TP濃度隨降解時(shí)間的變化趨勢(shì)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(dá)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(shí)間的變化趨勢(shì)如圖9所示。CK2組中NH3-N濃度呈現(xiàn)出一個(gè)凸形變化趨勢(shì)，即先下降，后上升，再下降，最后處于基本平衡狀態(tài)。在5 h的NH3-N濃度最大，此時(shí)NH3-N降解率達(dá)到33.1%。CK3和CD1組的降解基本一致，前5 h內(nèi)污染物濃度迅速下降，隨后趨于平緩，在2 h達(dá)到平衡狀態(tài)，CK3的最高降解率54.6%，GD1最高降解率70.6%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨反應(yīng)時(shí)間的變化，污染物降解效果受到一定影響，在一段時(shí)間內(nèi)，達(dá)到固化微生物最高降解效率后，保持一個(gè)平衡狀態(tài)，因此，建議降解反應(yīng)時(shí)間以24 h為一周期來(lái)執(zhí)行。

2.4 固定化微生物對(duì)黑臭水凈化效果

設(shè)定添加量5%，反應(yīng)溫度25 ℃，經(jīng)過(guò)24 h降解反應(yīng)結(jié)果如圖10所示。可以看出，固定微生物GD1組對(duì)黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分別為49.5%、70.0%、71.1%；單獨(dú)添加固化載體基質(zhì)的CK3組對(duì)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(duì)黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分別為27.3%、35.0%、18.9%?？瞻讓?duì)照組中各項(xiàng)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(jī)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(duì)TP降解能力高于單一基質(zhì)CK3組[16]。對(duì)比不同組可以看出GD1組對(duì)各項(xiàng)污染物具有優(yōu)良的去除效果，表明固化過(guò)程中的微生物能較好地附著在基質(zhì)上。

圖10 固定化微生物對(duì)污染物去除效果

3 結(jié)論

針對(duì)城市黑臭水體問(wèn)題，采用生物—生態(tài)修復(fù)法進(jìn)行水體污染治理。通過(guò)篩選水中土著微生物，選擇B2號(hào)微生物菌株為微生物聚落，綠沸石固定載體基質(zhì)，通過(guò)吸附固定化工藝進(jìn)行微生物固化。選擇COD、TP和NH3-N污染指標(biāo)，將固定化微生物菌落與單一游離菌與單一基質(zhì)對(duì)黑臭水凈化效果進(jìn)行對(duì)比，研究得出：

(1)固定微生物GD1組對(duì)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(biāo)均高于單獨(dú)添加固化載體基質(zhì)組以及添加游離態(tài)微生物組。表明固化過(guò)程中微生物能較好附著在基質(zhì)上，提升了微生物對(duì)各項(xiàng)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(shí)間等因素對(duì)固定化微生物去污效果的影響，確定微生物降解率最高時(shí)的生長(zhǎng)環(huán)境添加量5%、降解溫度25 ℃，降解周期為24 h為最適宜降解環(huán)境。