固定化硝化細菌與聚磷菌對南昌市內河流水污染物降解的研究

周躍龍， 胡美丹， 汪新強， 汪懷建

(1.江西農業大學 國土資源與環境學院， 江西 南昌 330045; 2.江西省婺源市饒河源國家濕地公園， 江西 婺源 333200)

1 研究背景

隨著南昌市經濟的不斷發展，水體污染加重，由氮磷污染物所引起的水體富營養化現象也不斷發生，危害內河流水質[1]。相關研究表明造成南昌市水污染的因素很多[2]，其中主要原因是城市發展帶來的污水排放量迅速增長，包括未經處理的工業廢水和大量居民生活污水的隨意排放[3-4]。如何有效地處理污水中的氮磷污染一直是國內外研究的熱點。一般而言，生產生活中經常會使用一些物理、化學方法來降低水中的氮磷含量，如添加絮凝劑、高級氧化等[5-6]，但這些方法都或多或少存在一些缺陷，如能耗大、產生二次污染等，從而進一步導致各種環境問題[7]。而通過生物法對水體進行凈化具有效果好，穩定性強、二次污染少等優點[8]，尤其是利用當地現有水環境資源，通過篩選出的優勢菌種制備固定化生物試劑用于水污染治理具有突出的效果。目前，國內外對于固定化生物試劑用于治理內河流水體中氮磷污染問題的研究鮮見報道。

固定化生物試劑通常會使用硝化細菌、聚磷菌、反硝化細菌作為菌種硝化細菌和聚磷菌生長緩慢，對環境變化也比較敏感，在原位生物處理技術中很容易流失，因而限制了其在廢水處理中的應用[9-10]。而利用微生物固定化技術能很好地解決菌體在河流中易流失的問題[11]。楊連棟等[12]用聚丙烯酰胺溶液來處理微生物固定化顆粒。Tramper等[13]、Schipper等[14]也曾以角叉菜膠和海藻酸鈉為載體固定硝化菌，并進行一系列硝化處理的研究。Zhou Lincheng等[15]通過微生物固定化技術，使用復合聚氨酯泡沫塑料作為介質，成功研發去除水中銅(II)的生物吸收劑。趙興利等[16]以PVA為載體，釆用硼酸法，包埋經馴化后的硝化污泥，制成固定化硝化菌顆粒，采用SBR運行方式在流化床上對模擬含氨氮廢水進行處理，實驗結果顯示，廢水中氨氮的去除率達到99%以上，而且有機物對硝化作用的影響不明顯。

本文根據南昌市內主要河流撫河故道和玉帶河的水質現狀特點，從中對硝化細菌與聚磷菌進行篩選，在菌株最佳配比的基礎上固定優勢菌株，研究其對實際內河流中氨氮、總磷的降解率。為改善水環境污染狀況、消除水體黑臭、恢復其生態景觀及泄洪防澇功能提供重要依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

在南昌市內主要河流撫河故道和玉帶河進行采樣(采樣時間為2013年12月21日，天氣晴)，所采的樣品為南昌市內河流5個監測點中的底泥以及少量水體，采集樣品時將采樣點的環境因素、日期、時間以及瓶號進行記錄，采集到的樣品于4 ℃冰箱中保存備用。

5個監測點分別位于撫河故道的清水灣M1、將軍渡M2、中山西橋M3以及玉帶河的玉帶橋M4、南京東路橋M5。

2.2 試驗設計

(1)利用采集回來樣品進行富集培養硝化細菌、聚磷菌，并從中篩選出優勢菌株，即對培養基中氨氮、總磷降解效果較好的菌株。

(2)選取出的硝化菌XH3、亞硝化菌YH3、聚磷菌JP2按照1∶1∶2、1∶1∶1、2∶2∶1的質量比分別接入事先配置好并已滅菌的液體培養基中，每個梯度做3個平行，并同時設置未加任何菌株的對照組。在30℃下培養2～3 d后測定總磷的降解率，培養6 d后測定氨氮的降解率，從而選取出3種菌的最佳配比。

(3)基于先前的監測結果以及綜合考慮，選取南京東路橋監測點位進行采樣，采的樣品為南昌市主要內河流中的少量底泥以及大量水體。取回來的水樣置于反應器，放入PVA+添加劑固定化得到的固定化顆粒進行曝氣，以8 h為一個周期，對水樣中氨氮、總磷的降解效果進行3個周期的監測，同時設置未放固定化顆粒的水樣對照組。然后根據實驗效果進行后續實驗。研究PVA+添加劑固定法固定載體下優勢菌株對南昌實際內河流污水的氨氮、總磷的降解效果。

2.3 測定項目與方法

亞硝酸鹽的測定：分光光度法(GB 7493-1987)；氨氮的測定：納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)；總磷的測定：鉬酸銨分光光度法(GB11893-1989)。

3 結果與分析

3.1 硝化菌、亞硝化菌的篩選結果

硝化菌和亞硝化菌的篩選結果見表1、2。

表1 硝化菌篩選試驗結果

由表1、2的試驗結果可以看出，硝化菌XH1、XH2、XH3這3種菌株對亞硝酸鹽氮都有很好的降解效果，亞硝化菌YH1、YH2、YH3這3種菌株對氨氮有較好的降解效果，其中YH3降解效果最好，能達到82.75%。因此在后面的試驗任選一株菌株(后期試驗選擇菌株XH3)作為優勢菌株。

表2 亞硝化菌篩選試驗結果

3.2 聚磷菌的篩選結果

篩選出處理效果最好的菌株。聚磷菌的篩選結果見表3。

表3 聚磷菌篩選試驗結果

由表3可知，聚磷菌JP1、JP2、JP3三株菌株對總磷均有去除效果，其中JP2去除效果最好，達到58.57%。

3.3 菌株最佳配比結果

硝化菌XH3、亞硝化菌YH3、聚磷菌JP2按照1∶1∶2、1∶1∶1、2∶2∶1的質量比分別接入事先配置好并已滅菌的模擬污水中，在30℃下培養2～3 d后測定總磷的降解率，培養6 d后測定氨氮的降解率，試驗結果如表4、5。

表4 不同配比對總磷的降解效果

表5 不同配比對氨氮的降解效果

由表4、5的試驗結果分析可以得出，當硝化菌XH3、亞硝化菌YH3、聚磷菌JP2按照1∶1∶2、1∶1∶1、2∶2∶1的比例混合時，1∶1∶1的質量比對氨氮以及總磷的降解效果最好，氨氮降解率為85.26%，總磷的降解率為22.86%。在后期實驗中就以1∶1∶1的配比制作固定化顆粒來處理污染河水。

3.4 PVA+添加劑固定化顆粒對南昌市內河流水樣降解效果模擬研究

1∶1∶1配比下的優勢菌株進行PVA+添加劑固定，固定化顆粒于反應器常溫下對南昌市南京東路監測點水樣進行降解處理，試驗結果如表圖1。

圖1 PVA+添加劑固定化顆粒對反應器

由圖1的試驗結果可得知，在曝氣的條件下，反應器中以PVA+添加劑為載體的固定化顆粒對反應器中氨氮的降解率在1個周期后達到34.59%，兩周期后達到58.92%，3個周期后能達到82.70%，凈降解率達到74.05%，氨氮濃度從1.85 mg/L降低到0.32 mg/L，能達到《地面水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水水質標準。同時，在曝氣的條件下，以PVA+添加劑為載體的固定化顆粒對反應器中總磷的降解率在1個周期后達到36.59%，兩周期后達到57.32%，3個周期后能達到79.27%，凈降解率達到73.17%，總磷濃度從0.82 mg/L降低至0.17 mg/L，能達到《地面水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水水質標準。

在之前試驗的基礎上，監測PVA+添加劑固定化顆粒15 d內每天對反應器實際污水中氨氮、總磷的降解效果。監測結果如圖2所示。

圖2 固定化顆粒對反應器中污水的降解效果

由圖2可以看出，固定化顆粒在連續15 d的運行時間內，出水氨氮降解率的最高值為反應器運行的第9 d，達到82.8%，其余時間內氨氮去除率基本維持在82%左右，出水水質皆能達到地面水環境質量Ⅲ類水水質標準；總磷降解率的最高值為反應器運行的第5 d，達到79.71%，而15 d內的處理效果同樣沒有較大的起伏。綜上所述，固定化顆粒在較長的時間內具有較為穩定的脫氮及除磷能力，具有用于后期南昌市內河流污水治理的潛質。

4 結 論

利用固定化微生物修復技術治理城市河流水體是當前國內外治理和修復受污染水體的研究熱點。本文主要通過研究南昌市主要內河流水質，從內河流及底泥中培養篩選高效降解氨氮和高效聚磷的微生物，從中各選取一株處理效果最好的菌株進行分子生物學的鑒定，然后進行菌株間最佳配比的確定，通過不同固定化方法下顆粒對模擬污水的降解效果選擇較好的固定化載體進行菌株的包埋，在曝氣反應器條件下，利用固定化顆粒對南昌市內河流水質進行模擬試驗。通過試驗得出以下結論：

(1)從南昌市主要內河流撫河故道、玉帶河水樣及底泥中分離篩選出的硝化菌菌株XH3對亞硝酸鹽氮的降解最高達到100%，亞硝化菌YH3對氨氮的降解最高達到82.75%，聚磷菌JP2對總磷的降解最高達到58.57%；

(2)硝化菌XH3、亞硝化菌YH3與聚磷菌JP2的質量比為1∶1∶1時，混合菌對模擬污水中氨氮、總磷的處理效果最好；

(3)在曝氣的條件下，反應器中PVA+添加劑固定化顆粒在24 h曝氣條件下對南昌市模擬河流中氨氮、總磷的降解效果分別能達到82.70%、79.27%。

本次試驗篩選出的高效微生物菌株對模擬污水、實際河流的氨氮和總磷的處理中表現出優良的降解效果，對南昌市內河流的整治又提供了一個可行的有效途徑。

[1] LIU Hong, LIU Huijuan, QU Jiuhui. Effect of nitrogen and phosphorus on the water quality in the Three Gorges Reservoir Area during and after its construction[J]. Journal of Environmental Sciences, 2004, 16(3):358-363.

[2] 王建軍. 國內河流水污染現狀及防治對策的探討[J]. 遼寧城鄉環境科技,2006,26(3):13-15.

[3] 李江浩. 中小城市水污染及短缺的防治對策[J]. 化工管理,2014(30)：215.

[4] 黃凌濤. 水污染治方法理探討[J]. 黑龍江科技信息,2013(24)：272.

[5] 宋 力. 絮凝劑在水處理中的應用與展望[J]. 工業水處理,2010,30(06):4-7.

[6] 李 花,沈耀良. 廢水高級氧化技術現狀與研究進展[J]. 水處理技術,2011,37(06):6-9+14.

[7] 王常婕. 城市水污染治理現狀及建議[J]. 科技風,2010(8):92.

[8] AZUBUIKE Christopher Chibueze, CHIKERE Chioma Blaise, OKPOKWASILI Gideon Chijioke. Bioremediation techniques classification based on site of application: principles, advantages, limitations and prospects[J]. World journal of microbiology & biotechnology, 2016, 32(11): 180.

[9] 羅小溪,高建忠,陳再忠. 硝化細菌富集培養及應用研究進展[J]. 水產科技情報,2013,40(06):320-323.

[10] 連麗麗. 聚磷菌的篩選及其對污水的除磷特性研究[D].大連：遼寧師范大學,2009.

[11] 申婷婷,李小明,岳 秀等.微生物固定化技術的研究與應用[J]. 廣州化工,2011,39(20):3-5+13.

[12] 楊連棟, 陳毓琛. 聚丙烯酰胺固定化細胞酶解尿素的研究[J]. 水處理技術, 1990(3):223-229.

[13] TRAMPER J, MAN A W A D. Characterization of Nitrobacter agilis, immobilized in calcium alginate[J]. Enzyme & Microbial Technology, 1986, 8(8):472-476.

[14] SCHIPPER L A, VOJVODI?-VUKOVI? M. Five years of nitrate removal, denitrification and carbon dynamics in a denirification wall [J]. Water Research，2001, 35( 14):3473-3477.

[15] ZHOU Lincheng，LI Yanfeng，BAI Xue，et al.Use of microorganisms immobilized on composite polyurethane foam to remove Cu(II) from aqueous solution[J]. Journal of Hazardous Materials. 2009, 167(1-3):1106-1113.

[16] 趙興利,蘭淑澄. 固定化硝化菌去除廢水中氨氮工藝的研究[J]. 環境科學, 1999,20(1):39-42.