EM菌液處理富營養化水體的條件研究

陳里晉 ，丁學鋒 ，林可聰 ，楊肖娥

（1.寧波酬勤水利項目管理有限公司，浙江 寧波 315100；2.浙江大學環境與資源學院污染環境修復與生態健康教育部重點實驗室，浙江 杭州 310058；3.浙江省環境工程有限公司，浙江 杭州 310007；4.杭州綠生生態環境工程有限公司，浙江 杭州 310007）

EM菌（Effective Microorganisms）是指由如芽孢菌、酵母菌、乳酸菌等多種益菌類微生物組成的混合菌株，它最早由日本科學家比嘉照夫教授發明。由于EM菌包含大量的有益微生物群落，且具有性能穩定、功能齊全等特征，故引起了科學界的廣泛關注和研究，我國引進EM菌后，已被廣泛應用于種植、水產、環保等領域。利用EM菌液修復富營養化水體，近些年已取得了較好的成效[1]，這主要是因為EM菌微生物能夠調節水體中的生態平衡，增加水中的溶氧量，降低水體中NP含量，促進有機污染物的分解，降低BOD、COD[2-3]，從而達到凈化水質的目的。目前對EM菌修復富營養化水體機理方面的研究較多，但對EM菌液凈化富營養化水體的條件研究得還不夠[4-5]。筆者擬采用不同的研究條件，探討EM菌接種量、pH值、曝氣時間和溫度對富營養化水體凈化效果的影響，以期總結一套完整的EM菌凈化污水的理論依據，為今后研究提供方向。

1 材料與方法

1.1 材料

EM菌液：購自江西天意生物技術開發有限公司，原液各項指標見表1。

富營養化水：取自浙江大學華家池池塘，另外添加葡萄糖和谷氨酸（參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）BOD5標準液的配制）、NH4Cl和KH2PO4以增加水中的有機物和氮磷含量（CODMn∶N∶P≈100∶5∶1），原水樣各項指標見表 2。

表1 EM菌液各項指標

表2 原污水各項指標 （mg/L）

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗在浙江大學華家池校區可調節溫度（T）的人工氣候室內進行，營養液取自華家池富營養化水體，裝入2.5 L小黑桶，濕度（RH）恒定為75%，光照強度恒定為4 000 lx，試驗時間從2005年12月8日到2005年12月22日，曝氣裝置采用電磁式空氣泵ACO-008B。

試驗分別研究了4種不同條件對富營養化水體凈化效果的影響：（1）不同EM菌濃度：溫度為25℃，pH為7.38±0.12，曝氣強度采用間歇曝氣即白天曝氣、晚上停曝，EM菌濃度分別為：0、1/10 000、5/10 000、1/1 000、8/1 000，重復 3 次。（2）不同 pH值：溫度為25℃，EM接種量為1/1 000，曝氣強度采用間歇曝氣即白天曝氣、晚上停曝，pH值分別為：4.0±0.05、7.0±0.38、10.0±0.08，重復 3 次。（3）不同曝氣方式：溫度為25℃，EM接種量為1/1 000，pH為7.38±0.12，作 4 個處理：連續曝氣（曝氣 24 h）、間歇曝氣（白天曝氣、晚上停曝）、不曝氣、厭氧，重復3次。其中厭氧控制方法為以高純N2（含量99.999%）作為充入氣體，充氣30 min，后用保鮮膜密封。（4）不同溫度：EM接種量為1/1 000，pH為7.38±0.12，曝氣強度采用間歇曝氣即白天曝氣、晚上停曝，溫度分別為 10、25、35℃，重復 3 次。

1.2.2 測定項目及數據分析 pH值測定采用Orion 250A+pH計；DO測定采用JPBJ-608便攜式溶解氧分析儀；CODMn測定采用酸性高錳酸鉀法；各項氮磷指標測定采用氮磷自動分析儀AQ2+，其中總氮總磷先用過硫酸鉀消煮；采用SPSS13.0和origin 8.0軟件進行統計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 接種量對EM菌處理污水的效果影響

2.1.1 對污水中CODMn的影響 如圖1所示，在同樣條件即同為25℃、pH為中性、間歇曝氣下，EM菌不同接種量對污水CODMn的去除差異極顯著（P＜0.01）。在好氧條件下，由于添加的有機物（葡萄糖和谷氨酸）可以被氧化，所以對照組的CODMn從（815.37±33.26）mg/L 降低到了 （609.61±17.06）mg/L，去除率為25.24%。同對照組相比，隨著EM菌接種量的增加，污水中的CODMn逐漸降低，尤其是處理 5/10 000和 1/1 000的 CODMn從（815.37±33.26）mg/L 分 別 降 低 到 了 （272.54±42.23）mg/L 和（208.62±18.65）mg/L，比對照組的去除率 25.24%提高了41.34%和49.18%，充分說明EM菌能夠促進污水中有機物的降解。

圖1 不同接種量對污水中CODMn的影響

但是，當EM接種量為8/1 000時，對CODMn的去除率比對照組還低，只有16.49%，說明當EM接種量過高時，EM對有機物的去除非但沒有促進作用，反而會惡化水質。這可能是因為EM菌的CODMn本底值非常高（達48510.37±103.26 mg/L），當EM加入量較大時，必然會顯著提高原水的CODMn，而且CODMn提高比例大于微生物數量增加的比例，導致處理后污水CODMn濃度處于較高水平和EM的表觀無效性[6]。另外邵青[7]還提出可能EM是液體，在污水處理過程中生物體本身并沒有以污泥的形式從水中被去除，當光合細菌以二氧化碳為碳源大量繁殖，且其速度超過污水中有機物的降解速度時，在表觀上就會表現為EM的無效性。

2.1.2 對污水中氮素的影響 從圖2可以看出：在同樣條件下，不同EM接種量對總氮的去除差異呈極顯著水平（P＜0.01）。同對照組相比，隨著EM接種量的不斷增加，對污水TN的去除率也不斷增加，尤其當 V（EM）∶V（污水）≥5/10 000時，5/10 000、1/1 000、8/1 000的處理效果與對照相比都呈極顯著水平，比對照的去除率（16.29%）分別提高了 20.31%、31.13%、46.94%。而且 8/1 000與5/10 000、1/1 000的處理效果相比都達到了極顯著水平，這說明接種量越大，EM菌對污水的處理效果越好，8/1 000的效果最好。但EM菌去除TN的效果是否是接種量越大越好，這還有待進一步研究，尤其是在 V（EM）∶V（污水）＞8/1 000的情況下。

圖2 不同接種量對污水中N的影響

據對生活污水的測定，無機態氮占總氮的60%，而銨氮占總氮的44.77%。因此，銨氮是評價污水一個非常重要的指標，銨氮的濃度變化基本可以反應EM菌對污水中氮的處理效果。從不同EM接種量對污水中銨氮的處理結果可以看出，各處理間差異呈極顯著水平（P＜0.01）。在間歇曝氣下，水環境為好氧，從而為硝化作用提供了條件，因此對照組的NH4+-N去除率達到了較高水平，為61.32%，但當接種了EM菌后，其對NH4+-N的去除率仍然比對照提高了許多，尤其當V（EM）∶V（污水）≥5/10 000時，對NH4+-N的處理效果同對照相比都呈極顯著水平。對NH4+-N的凈化效果，處理8/1 000與5/10 000相比呈極顯著水平（P=0.000 9），但與處理1/1 000相比呈顯著水平（P=0.021 6）。這說明EM菌能夠促使污水中更多的銨氮發生硝化反應，而且接種量易大，但考慮適用性，V（EM）∶V（污水）=1/1 000更理想。

另外，由于硝化作用的產物是亞硝態氮和硝態氮，統稱為NOx--N，如果沒有厭氧環境，隨著硝化作用的進行，NOx-N必然會有所增加。試驗結果顯示，對照組的NOx-N從原來的3.05 mg/L增加到（18.10±1.61）mg/L，而接種了EM菌的處理NOx-N濃度比對照低，特別是 V（EM）∶V（污水）=8/1 000時，NOx-N=（9.32±3.26）mg/L，比對照降低了近 8.78 mg/L。這說明EM菌中不僅有硝化菌，還有一定數量的反硝化菌，這對TN的去除有著極大的貢獻。

2.1.3 對污水中磷的影響 從圖3可以看出，EM菌對污水中TP的去除各處理間呈極顯著水平（P=0.005 6＜0.01）。當 V（EM）∶V（污水）＜1/1 000 時，EM對TP的去除效果與對照相比不顯著，只有當V（EM）∶V（污水）≥1/1 000時，與對照相比才達到顯著水平。處理8/1 000的TP去除率為59.66%，比對照（31.21%）提高了28.45%。這說明只有當EM加入量達到一定水平時，聚磷菌的吸磷能力才會有較大程度提高。

圖3 不同接種量對污水中TP的影響

2.2 pH值對EM菌處理污水的效果影響

2.2.1 對污水pH值的影響 各處理的pH值初始值不同，當接種了1/1 000的EM菌后，污水的pH值隨著時間的推移會接近中性。這可能是由于EM菌中不同微生物對環境適應及改變所造成的。

2.2.2 對污水中CODMn的影響 從圖4中可以看出，EM菌對污水中CODMn的處理效果，不同pH值間差異性不顯著（P=0.098 6＞0.05）。這說明pH值不會影響EM菌去除CODMn的結果，這為一些工業廢水特別是酸堿廢水的治理提供了基礎。但可以看出，當污水pH值在10.0左右時，其處理效果低于酸性和中性環境，這表明EM菌對CODMn的最佳凈化為中性偏堿環境。

圖4 pH值對EM菌處理污水中CODMn的影響

2.2.3 對污水中氮素的影響 從圖5可以看出，不同pH環境對EM菌去除TN的效果差異性極顯著（P=0.009 5＜0.01）。在堿性環境（pH=10.0）下，對TN的去除效果與酸性環境（去除率只有19.36%）相比呈極顯著水平，同中性環境相比也達到了顯著水平（P=0.044 3＜0.05）。這說明EM菌凈化TN的效果在堿性環境下最佳，酸性環境不利于TN的的去除。

圖5 pH值對EM菌處理污水中N的影響

從圖中銨氮的變化可以看出，各處理間呈極顯著水平（P=0.003 8＜0.01）。在酸性條件下，EM對NH4+-N的去除率為46.03%，低于中性環境不加EM菌的61.32%，表明在酸性環境下，EM不但不能促進NH4+-N的去除，反而會抑制其凈化效果。這是因為硝化菌對pH值的變化非常敏感，在中性偏堿性條件下，硝化菌的增殖速度和硝化速度都可以達到最大。從硝化反應式NH4++2O2→NO3-+2H2O+2H+也可以看出，堿性環境能促進硝化反應的進行，強酸性條件則不利于銨氮的去除。在堿性環境下，EM對NH4+-N的去除率為91.34%，比酸性環境下的去除率提高了45.32%。

2.2.4 對污水中磷的影響 如圖6所示，pH值對污水中TP去除效果的影響極顯著（P=0.005 3＜0.01）。當 pH=4.0時，去除率很低（為 19.14%），說明酸性條件不利于TP的去除。而在堿性條件下，TP的去除效果較好（56.01%），因為嗜磷菌適于在堿性環境中生長。當pH值＞7時，嗜磷菌大量繁殖，成為優勢種群，吸收原水中的磷，使水中TP的濃度降低。

圖6 pH值對EM菌處理污水中TP的影響

2.3 曝氣時間對EM菌處理污水的效果影響

2.3.1 對污水中CODMn的影響 從圖7可以看出，曝氣時間對CODMn的處理影響極顯著，隨著曝氣時間的逐步增加，EM菌對CODMn的去除率也隨之提高，特別是在連續曝氣的情況下，其去除率為84.99%，同間歇曝氣相比呈顯著水平（P=0.011 5＜0.05），同其他兩個處理相比極顯著。這說明曝氣能促進CODMn的降解，因為曝氣為水環境提供了充足的氧氣，促進了好氧微生物氧化分解有機物，從而提高了CODMn的去除率。在不曝氣的情況下，EM菌對CODMn的去除率為49.56%，說明EM菌中的微生物在正常情況下也能氧化分解某些有機物。而在厭氧條件下，CODMn的去除率僅為18.73%，比不加EM菌處理的去除率還要低，說明在厭氧環境下，EM菌不能促進污水中有機物的降解，相反還會惡化污水水質。

圖7 曝氣時間對EM菌處理污水中CODMn的影響

2.3.2 對污水中氮素的影響 曝氣時間對TN的去除影響極顯著（P=0.000 1）。從TN的變化可以看出，連續曝氣與間歇曝氣比不曝氣的TN去除率（35.42%）分別提高了27.53%、12.00%，這說明曝氣能促進EM菌去除TN。而在厭氧條件下，EM菌對TN的去除率僅為4.58%，這說明厭氧條件對TN的去除尤其是以NH4+-N為主的生活污水的處理效果不理想。

從圖8可以看出，銨氮的去除率與TN去除率的變化趨勢一致，這說明曝氣能促進NH4+-N的去除；而在厭氧條件下，NH4+-N反而從初始的（40.77±0.18）mg/L 降低到了（37.09±7.17）mg/L，與之相對應的是NOx-N濃度的降低，表明在厭氧環境下，反硝化菌的反硝化作用可以使NOx-N轉化為NH4+-N。

圖8 曝氣時間對EM菌處理污水中N的影響

連續曝氣與間歇曝氣對NH4+-N的去除差異不顯著（P=0.071 0＞0.05）。這說明曝氣雖然能促進NH4+-N的去除，但間歇曝氣已足夠提供EM菌硝化作用所需要的氧氣量。

2.3.3 對污水中磷的影響 從圖9可以看出，曝氣對EM去除TP的作用有促進效果，且各處理間差異極顯著。因為EM去除TP是通過聚磷菌的釋磷與吸磷兩個相反的過程完成的。其機理為：在厭氧狀態下，聚磷菌吸收污水中的乙酸、甲酸、丙酸和乙醇等極易生物降解的有機物質，儲存在體內作為營養物，同時將體內存儲的聚磷酸鹽以PO43--P形式釋放出來，以便獲得能量。在好氧狀態下，聚磷菌則將體內存儲的有機物氧化分解產生能量，同時將污水中的PO43--P脫除。由于聚磷菌在厭氧狀態下是釋磷過程，因此表現為對TP的去除無效性，圖中厭氧環境TP去除率僅為2.77%就很好的說明了這個過程。

圖9 曝氣時間對EM菌處理污水中TP的影響

2.4 溫度對EM菌處理污水的效果影響

2.4.1 對污水中CODMn的影響 如圖10所示，溫度對EM菌去除污水CODMn的差異極顯著（P=0.005 8），而處理 25℃與 35℃差異（P=0.106 7＞0.05）不顯著。這說明隨著溫度的升高，EM菌對污水的去除率不斷增加，其中25℃與35℃下的去除率比 10℃下的去除率（39.23%）分別提高了35.18%、26.37%。這是由于隨著溫度的升高，微生物的繁殖速度加快、活性增強，從而提高了有機物分解能力。

圖10 溫度對EM菌處理污水中CODMn的影響

2.4.2 對污水中氮素的影響 從圖11可以看出，溫度不會影響TN的去除（P=0.050 8），但隨著溫度的升高TN的去除率還是有所增加，影響不明顯。但對銨氮的去除，溫度的影響很大（P=0.011 0＜0.05），呈顯著水平，特別是在10℃時，去除率只有56.18%，甚至低于不加EM菌的對照（61.32%），這說明硝化菌對低溫敏感[8]，在冬季，硝化菌對NH4+-N的凈化效果不是很明顯。

2.4.3 對污水中磷的影響 如圖12所示，從TP在不同溫度下去除率的比較可知，其差異達顯著水平（P=0.035 5＜0.05）。隨著溫度的升高，EM對TP的去除率不斷增加，從25℃的不顯著（P=0.070 4）降低到了35℃的顯著（P=0.015 6）。這說明聚磷菌＞25℃時的活性最強，也就是說EM去除TP的最佳溫度為＞25℃。

圖11 溫度對EM菌處理污水中N的影響

圖12 溫度對EM菌處理污水中TP的影響

3 討論與結論

EM雖然能顯著提高污水CODMn和氮、磷的去除率，但目標污染物不同，EM的最適加入量也不同。在處理污水時，應根據處理要求，選擇適宜的EM接種量。去除CODMn和脫氮除磷所需要的接種量有很大差別。去除CODMn所需要的接種量較小（≤1/1 000），而脫氮除磷所需要的接種量較大（≥8/1 000）。

由于EM菌是混合菌群，其中既有適于酸性環境生長的酵母菌等真菌，也有適于堿性條件生長的放線菌等，因此pH值必然會對EM菌的污水處理效果產生影響。試驗結果表明，目標污染物不同，適合EM菌處理的污水pH值也不一樣，尤其是脫氮除磷對酸堿環境有很大要求，酸性環境能抑制其處理效果，以中性偏堿條件最佳，而對于CODMn的去除，EM菌的選擇范圍較廣。

曝氣時間的長短表現為水環境中溶解氧（DO）是否充足。EM菌中既有好氧性細菌，又有厭氧性細菌，因此DO必然會影響污水中有機物和氮磷的去除。有機物的降解和硝化作用需要好氧環境，因此在去除CODMn和NH4+-N時有必要曝氣以提供足夠的DO，但反硝化作用需要在厭氧環境下進行。因此，要使污水的凈化效果提高，就必需提供一個好氧-厭氧的水環境，而高等水生植物可以提供這樣一個好氧-厭氧的微環境。植物是否可以促進EM菌的脫氮除磷，還有待后續試驗進一步研究。

溫度對微生物的活性起著十分重要的作用[9-11]。根據微生物的最適溫度不同，微生物可以分為中溫菌、高溫菌和低溫菌，而自然界的大多數微生物都為中溫菌，EM菌中的微生物也如此。而且本階段試驗也表明：EM在≥25℃下對COD和氮磷的凈化效果最好。

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