4種載體固定化菌藻對景觀水體的脫氮效果

齊 丹，沙風路，張 魏，公維潔

(海南熱帶海洋學院 a.生態環境學院;b.海洋科學技術學院，海南 三亞 572022)

0 引言

細菌與藻類對維持水環境中的物質循環與生態平衡具有重要作用[1-2].藻菌共生系統是利用藻類和菌類兩類生物之間的生理功能協同作用來凈化污水的生態系統[3].在菌藻共生系統中，藻類的光合作用和微生物的代謝及呼吸作用能協同降解污水中的有機物，并能實現同步脫氮除磷及抗生素、重金屬的去除[4].真菌和好氧細菌等微生物消耗水體中O2，將含碳大分子有機物降解為CO2、水或小分子有機物；藻類以太陽能作為初始能源動力，通過光合作用，將CO2和小分子有機物作為碳源同化吸收，合成為自身細胞物質，同時放出O2；硝化細菌、氨化細菌等好氧菌類對含氮有機物進行氧化，生成藻類可以利用的硝酸鹽和氨氮，從而促進藻類光合作用和生長繁殖[5]；同時，藻類因放出O2，增加了水體的溶解氧濃度，促進好氧微生物生長繁殖.此外，在菌藻共生系統中，細菌和微藻都能分泌多種酶類、糖肽類以及維生素等胞外產物，促進菌藻的生長[6].因此，二者形成了互利共生關系，雖在數量上呈競爭性負相關[7]，但在削減污染負荷方面比單一種類更加高效[8].

微生物處理污染水體技術具有微生物密度高、代謝增殖快、反應效率高的優點，但同時也具有微生物流失量大、產物不易分離、反應過程控制困難等缺點[9]，因此，近年來，微生物固定化技術研究逐漸受到人們的重視.著生藻類-生物膜系統是菌藻共生系統固定化技術中的一種，是利用生物填料具有良好的附著表面和比表面積大的特點，提供載體附著生長，形成生物膜，提高菌藻的生物量，能有效減少其流失，強化微生物降解污染物[10].本實驗采用著生藻類-生物膜系統固定菌藻，選取4種生物填料，對城市景觀水體進行水質凈化，旨在了解不同填料組建的菌藻共生系統對景觀水體中氮的生物凈化效果.

1 材料與方法

1.1材料

購置4種生物填料(表1和圖1).將生物填料放入富營養化程度較高的天然湖泊(海南省三亞市海南熱帶海洋學院景觀湖)中，掛膜穩定2個月，使其表面著生大量菌類和藻類，形成纖維狀纏繞結構.

表1 4種生物填料及其組成部分

圖1 4種生物填料圖

1.2供試水質

供試水體取自海南省三亞市海南熱帶海洋學院景觀湖，水質狀況詳見表2.

表2 供試水質 單位：mg·L-1

注:GB12941《景觀娛樂用水水質標準》，GB3838—2002《表水環境質量標準》.

1.3實驗裝置

實驗裝置由PVC材料加工制作的小型模擬平流反應池，反應池有效容積為0.24 m3，儲水池有效容積為0.14 m3.反應池內放入填料框架，填料框架中安裝掛膜后的生物填料(圖2).

圖2 實驗裝置

1.4運行管理

供試水體共300 L.將供試水體樣通入實驗裝置，保持平流反應池實際儲水量為200 L，流速為12.5 L·h-1，水力停留時間為16 h，在室外自然日光照射環境中循環處理.實驗進行28 d，每天早晚各供氣1次，供氣流速約為6 L·min-1，每次1 h，每7天固定時間取樣，連續取樣4次，分析總氮、氨氮、硝態氮和亞硝態氮的含量.

1.5水質測定方法

實驗中水質各項指標測定方法見表3.

表3 各項指標測定的方法

2 結果與分析

2.1不同生物填料對總氮去除效果

水體中氮元素主要以有機氮和無機氮兩類形態存在.總氮是指水樣中溶解態氮及懸浮物中氮的總和，包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態氨及大部分有機含氮化合物中的氮[11].在相同運行條件下，4種填料對水體中總氮的去除情況如圖3所示.

圖3 不同生物填料對總氮的去除效果

從圖3中可知，4種掛膜后填料對水體中總氮的累積去除率均隨著時間的增加而增加，即水體中總氮含量隨著時間的增加而降低.經過28 d的處理，總氮的累積去除率均超過60%.其中，組合式雙環填料對總氮的去除效果最佳，總氮累積去除率達到84.65%，其次為彈性立體填料總氮累積去除率為78.95%，西瓜瓤懸浮球填料總氮累積去除率為70.49%和彈性絲懸浮球填料總氮累積去除率為67.59%.

2.2不同生物填料對氨氮去除率的影響

水體中的氨氮是指水中以游離氨和銨離子形式存在的氮，是可以被生物直接吸收的營養素，同時也是水體中的耗氧污染物.從圖4中可知，4種掛膜后填料對水體中氨氮的去除率均隨著時間先增后減，即水體中氨氮含量在第1次測定時(第7天)最低，然后逐漸升高.經過28 d的處理，彈性絲懸浮球填料對氨氮的去除率最佳，可達36.26%，西瓜瓤懸浮球填料和組合式雙環填料對氨氮的去除率分別為33.29%和26.80%，彈性立體填料對氨氮去除效果最差，只有9.90%.

圖4 不同生物填料對氨氮的去除效果

水中的氨氮去除途徑主要有生物吸收、硝化作用等，氨氮的生成途徑主要有氨化細菌將有機氮轉化為氨氮(氨化作用).本實驗前期，水體中氨氮迅速降低，即菌藻對氨氮吸收同化、好氧的氨氧化細菌和古菌等將氨氮氧化(硝化作用).由于氨化作用和硝化作用一樣均需要氧氣，會產生競爭[12].后期隨著菌藻的數量的增加，氨化作用逐漸增強，致使氨氮含量有所回升.

2.3不同生物填料對硝態氮去除率的影響

硝態氮是水體中無機形態的硝酸氮，是生物可以直接攝取的營養鹽，因此，其主要去除途徑有生物吸收同化和反硝化作用，而其產生途徑主要有硝化作用.在相同運行條件下，4種填料對水體中硝態氮的去除情況如圖5所示.

圖5 不同生物填料對硝態氮的去除效果

從圖5中可知，西瓜瓤懸浮球填料對水體中硝態氮的去除率隨著時間先減后增，即水體中硝態氮的含量在第1次測定時(第7天)最高，然后逐漸降低。彈性立體填料對水體中硝態氮的含量在第1次測定時(第7天)基本不變，然后去除率均隨著時間逐漸增高.組合雙環填料和彈性立體填料對水體中硝態氮的去除率均隨著時間穩定增加。經過28 d的處理，4種填料對水體中硝態氮的累積去除率均超過69%，其中，組合雙環式填料對硝態氮去除率最佳，累積去除率達到88.90%.

2.4不同生物填料對亞硝態氮去除率的影響

圖6 不同生物填料對亞硝態氮的去除效果

亞硝態氮是氨氮和含氮有機物硝化作用的中間產物.從圖6中可知，4種填料對水體中亞硝態氮的去除率都超過70%，其中，組合雙環填料對亞硝態氮的去除效果最好，去除率在85.35%～92.06%之間.其次為彈性立體填料和彈性絲懸浮球填料，對亞硝態氮的去除率分別為71.95%～88.47%和77.83%～84.90%.西瓜瓤懸浮球填料對水體中亞硝態氮的去除率均隨著時間先增后降，即水體中亞硝態氮的含量在第1次測定時(第7天)最低，然后緩慢增加，亞硝態氮去除率由79.98%降低到64.18%.

3 結論

(1)彈性立體填料對總氮、氨氮、硝態氮和亞硝態氮的累積去除率分別為78.95%，9.90%，84.06%，83.10%；組合式雙環填料對總氮、氨氮、硝態氮和亞硝態氮的累積去除率分別為84.65%，26.80%，88.90%，88.47%；彈性絲懸浮球填料對總氮、氨氮、硝態氮和亞硝態氮的累積去除率分別為67.59%，36.26%，69.36%，77.83%；西瓜瓤懸浮球填料對總氮、氨氮、硝態氮和亞硝態氮的累積去除率分別為70.49%，33.29%，73.80%，64.18%.

(2)4種填料對總氮的去除率呈上升趨勢，均超過了60%，其中，組合雙環填料對總氮的累積去除率最高；對氨氮的去除效果不是很理想，均是先升后降，累積去除率均低于40%，其中彈性絲懸浮球填料對氨氮的累積去除率最高；對硝態氮的去除率呈上升趨勢，均超過了65%，其中，組合雙環填料對硝態氮的累積去除率最高；對亞硝態氮的去除率呈上升至平穩幅度趨勢，均超過了65%，其中，組合雙環填料對總亞硝態氮的累積去除率最高.因此，總體上組合式雙環填料組建的菌藻共生系統對水體的脫氮效果優于其他3種填料.

(3)供試水體原水質中總氮為3.913 3 mg·L-1、氨氮含量為0.893 9 mg·L-1、硝態氮含量為0.447 9 mg·L-1、亞硝態氮含量為0.285 1 mg·L-1.無機態氮(氨氮、硝態氮、亞硝態氮)占總氮含量小于42%，原水中有機氮含量較高.本實驗中,4種填料組建的菌藻共生系統對無機態氮的累積處理率分別為:氨氮累積處理率低于40%，硝態氮累積處理率在69.36%～88.90%之間，亞硝態氮的累積處理率在64.18%～88.47%.而菌藻共生系統對總氮的去除率達到67.59%～84.65%.因此，菌藻共生系統對有機物態氮含量較高的景觀水體具有較好的凈化效果.