固定化微生物載體對河道黑臭水體的凈化研究

汪佳慧， 盧佳佳， 趙明杰， 劉曉靜， 栗勇田

（1.天津大學環(huán)境科學與工程學院， 天津 300072；2.秦皇島天大環(huán)保研究院有限公司， 河北 秦皇島 066000；3.秦皇島市水污染監(jiān)測及治理工程技術研究中心， 河北 秦皇島 066000）

0引言

河道黑臭水體是由于河道的納污量超過自凈能力后，河道水體生態(tài)系統(tǒng)失衡，致使水體中有機物腐敗、分解、發(fā)酵出現(xiàn)惡臭[1-4]。近年來，隨著“河長制”的全面推行， 我國河道黑臭水體治理取得了長足的發(fā)展，河道水質明顯改善。然而河道水環(huán)境綜合治理及長效保持是一項長期、復雜的系統(tǒng)工程，由于其污染類型繁多，形成機理復雜，很多內在因素導致治理后見效慢，極容易造成反復黑臭[5-7]。傳統(tǒng)的河道水質提升技術包括調水工程、 原位生態(tài)修復以及人工曝氣充氧等方法，均有一定的凈化效果，但也存在施工難度大、污染物去除效率低、運行成本高等問題[8-9]。

固定化微生物技術是指通過生物工程手段將微生物菌群固定于載體上，保留其固有的催化活性，并能被重復和連續(xù)使用的技術[10-11]。 近年來，因其處理效率高、穩(wěn)定性強、生物安全性好等優(yōu)點[12]，被越來越廣泛的應用于河道黑臭水體凈化修復工程中[13]。學者們對固定化微生物技術等方面的研究越來越深入，對特定微生物分離純化、固定化技術研發(fā)以及特定菌種工藝條件均有較多探索[14-17]。

本研究針對戴河河道黑臭水體水質特性， 設計一種固定化微生物原位修復中試裝置， 利用固定化微生物載體對河道黑臭水體進行生化處理， 以探索固定化微生物載體對河道黑臭水體中COD，NH3-N，TP 的降解效能，并討論主要影響因素，包括反應時間、 固定化微生物載體投加量以及曝氣位置和曝氣方式等，選出最優(yōu)參數(shù)組合。并對固定化微生物載體進行緩釋能力實驗以驗證其可循環(huán)使用的微生物活性，為應用示范提供一定的科研基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

PHS-3E 型精密pH 計；BJ100-2J 蠕動泵DHG-9053A；轉子流量計H250；SB988 增氧泵；ME204 型電子天平；DRB200 型消解反應器；T6 型紫外可見分光光度計；DZKW-4 型電子恒溫水浴鍋；便攜式溶氧測量儀。

1.2 實驗水質

本實驗用水及裝置中底泥均取自戴河生態(tài)園某河段黑臭水體，具體水質指標參數(shù)見表1。

表1 河道黑臭水體水質指標

1.3 實驗材料

本實驗采用自制固定化微生物載體。 篩選馴化自然界中硝化菌、脫氮副球菌等反硝化菌、聚磷菌及COD 降解菌等多重微生物菌群組成復合菌，將優(yōu)勢菌群利用微納米包埋工藝固化到載體中， 制成柱狀顆粒保存起來。 各載體直徑為1cm，載體內細孔內、外表面積均約為2～3 m2，可以使微生物有較大的繁殖空間，提升對污染物質的降解效率。固定化微生物載體具有經(jīng)濟成本低、凈化效果穩(wěn)定、可有效抗環(huán)境沖擊、避免治理二次污染的特性的優(yōu)點。固定化微生物載體微粒見圖1。

圖1 固定化微生物載體微粒

1.4 實驗裝置

實驗裝置主要由蠕動泵、增氧泵、閘閥、固化載體微生物裝置及計量設備組成，實驗裝置見圖2。 打開進水閥門調節(jié)電子水泵轉速，控制系統(tǒng)恒流進水，使污水從進水水箱泵入實驗裝置中進行處理， 根據(jù)實驗要求控制增氧泵曝氣量。 固化載體微生物裝置是結合固定化微生物技術與曝氣增氧技術開發(fā)的高效水體凈化設備， 核心部分為固定化微生物發(fā)生器與造流曝氣設備[18]。 固定化微生物發(fā)生器由箱體和固定化微生物載體組成， 設備通過造流曝氣設備微孔曝氣增加水體中的DO， 可為微生物的生存和繁殖提供足夠的氧氣。 為研究不同曝氣位置對組合技術凈化河道黑臭水體效果的影響， 將曝氣頭底部置于泥水界面以上5 cm 處，產出的氣泡不會擾動到泥水界面，即為上覆水曝氣；將曝氣頭頂部置于泥水界面以下5 cm 處，即為底泥曝氣。

圖2 實驗裝置流程

1.5 實驗方法

取20 L 樣本水體置于實驗裝置中，在常溫下添加不同劑量固定化微生物載體進行生化反應， 每日定時取樣測定其COD，NH3-N，TP 濃度，研究不同曝氣位置和曝氣方式對組合技術凈化河道黑臭水體效果的影響。

曝氣實驗共設置4 組實驗，實驗設置見表2。 對照組a 及實驗組b，c 進行連續(xù)曝氣，使ρ（DO）全天維持在2～3 mg/L；實驗組e 進行間歇性曝氣，8 ∶00～20 ∶00 進行曝氣，20 ∶00 至次日8 ∶00 停止曝氣，曝氣期間ρ（DO）為2～3mg/L，非曝氣期間ρ（DO）大于1 mg/L。

表2 實驗設置

固化微生物載體緩釋能力實驗設計： 無菌操作條件下， 將載體放置于無菌生理鹽水中充分振蕩清洗， 以去除表面附著的游離菌， 排除其對實驗的干擾， 然后將載體與水體質量比為1 ∶103的固定化微生物載體投加至液體培養(yǎng)基中進行傳代培養(yǎng)， 設置無載體投加量的液體培養(yǎng)基作為空白對照組。 相同培養(yǎng)時間下測定培養(yǎng)液中溶解性蛋白濃度， 之后清洗載體表面的游離菌，繼續(xù)傳代培養(yǎng)，循環(huán)4 次（第1 次為活性恢復期）。

1.6 分析方法

pH 值采用玻璃電極法測定；COD 采用重鉻酸鉀法測定；NH3-N 采用納氏試劑分光光度法測定；TP 采用流動注射鉬酸銨分光光度法測定。

2 結果與討論

2.1 反應時間對污染物去除效果的影響

不同反應階段污染物濃度變化及去除率結果見圖3。由圖3 可知，隨著反應時間的延長，COD，NH3-N，TP 的去除率均呈現(xiàn)不同程度的上升。第1 階段（0～2 d）∶COD，NH3-N，TP 去除速率較快， 說明自制固定化微生物載體適應性良好， 其中復合菌被成功激發(fā)并大量繁殖，開始發(fā)揮作用；第2 階段（2～4 d）∶此時復合菌處于生長穩(wěn)定期， 隨著污染物濃度的降低，菌群營養(yǎng)物質來源不斷減少，污染物平均去除速率較第1 階段有所下降；第3 階段（4～9 d）∶COD，NH3-N，TP 的濃度基本趨于穩(wěn)定， 污染物的去除速率持續(xù)降低， 在第9 天時綜合去除率達到最高，COD，NH3-N，TP 的去除率分別為92%，72%，38%。根據(jù)秦皇島市2021年主要入海河流跨境斷面水質要求， 主要入海河流水質旅游旺季需達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》III 類標準。反應至第3 天時，COD，NH3-N 濃度均已達到地表水III 類標準，ρ（COD）由75.81 mg/L 降至19.79 mg/L，ρ（NH3-N）由1.92 mg/L 降至0.79 mg/L。 綜合考慮目標水質要求及污染物去除效率，選擇3 d 作為最佳反應時間，此時，COD，NH3-N，TP 的去除率分別為74%，59%，33%。 固定化微生物載體對TP 的去除率不高，其原因可能是持續(xù)曝氣條件下水體呈現(xiàn)好氧條件， 不利于聚磷菌的除磷作用， 同時污水中產生大量的硝化細菌對聚磷菌也有抑制作用。

圖3 不同反應時間對應的污染物濃度及去除率

2.2 微生物載體投加量對污染物去除效果的影響

在常溫條件下， 向反應裝置投加載體與水體質量比分別為0 ∶0，1 ∶100 000，1 ∶10 000，1 ∶1 000，1 ∶100的固定化微生物載體，并對裝置進行上覆水曝氣使ρ（DO）保持在2～3 mg/L，實驗起始及第3 天分別對水體進行取樣， 各固化微生物載體投加量對應的污染物濃度及去除率結果見圖4。 由圖4 可知，隨著投加量的增加，COD，NH3-N，TP 的去除率均有不同程度的上升；去除速率呈先升高后降低的變化趨勢。當載體與水體投加質量比為1 ∶100 000 時去除率增幅最大； 載體與水體投加質量比為1 ∶1 000 時，ρ（COD）由79.51 mg/L 下降至18.47mg/L，ρ（NH3-N）由1.23 mg/L 下降至0.57 mg/L，均達到地表水III 類標準，TP的去除率為38%； 投加質量比為1 ∶100 時，COD，NH3-N，TP 的去除率分別達到最高， 但綜合考慮經(jīng)濟成本和處理效果， 確定針對該河段黑臭水體適宜的固定化微生物載體與水體投加質量比為1 ∶1 000。

圖4 各固定化微生物載體投加量對應的污染物濃度及去除率

2.3 曝氣聯(lián)合固化微生物載體裝置對污染物去除效果的影響

將固化微生物載體技術和曝氣增氧技術相結合， 研究不同曝氣位置和曝氣方式對固化微生物載體裝置修復黑臭河道水體效果的影響，結果見圖5。由圖5 可知，a 組NH3-N 在自凈的作用下有較小幅度的去除，COD 和TP 濃度不降反升，表明自然狀態(tài)下該黑臭河道系統(tǒng)的污染自然降解能力有限；b 組各污染物的去除率明顯高于a 組，COD，NH3-N，TP去除率分別為79%，63%，35%， 說明載體聯(lián)合上覆水曝氣對污染物有明顯的去除效果， 其原因為向水體釋放高效微生物菌群的同時， 可通過曝氣向水中充氧，改善水體缺氧狀態(tài)，并造成水體擾動，增大微生物與污染物的接觸面積，促進污染物的快速降解；c 組載體聯(lián)合底泥曝氣，COD，NH3-N，TP 去除率分別為91%，75%，42%， 底泥曝氣方式的去除效果總體優(yōu)于上覆水曝氣方式， 原因可能是底泥曝氣能移連續(xù)擾動底泥，使底泥中污染物得以快速釋放出來，使得去除效果更加顯著；d 組載體底泥間歇性曝氣，COD，NH3-N，TP 的去除率分別為89%，76%，40%，對比c 組污染物去除效果差異不明顯。 綜合考慮成本與去除效果，選用底泥間歇性曝氣。

圖5 曝氣對固定化微生物載體裝置污染物去除效果的影響

2.4 固化微生物載體緩釋能力研究

對固化微生物載體進行緩釋能力實驗， 驗證其可循環(huán)使用的固化微生物載體活性。 對載體中負載的微生物進行傳代培養(yǎng)， 相同培養(yǎng)時間下測定培養(yǎng)液溶解性蛋白的濃度， 通過與空白對照組差值來表征固定化微生物載體釋放的微生物數(shù)量， 以此來評價固定化微生物載體的緩釋性能， 溶解性蛋白含量變化曲線見圖6。 由圖6 可知， 載體在第3 次使用時， 反應初期的微生物量及微生物增長速率明顯高于前2 次，循環(huán)使用縮短了微生物活性恢復的時間。

圖6 溶解性蛋白含量變化曲線

3 結論

以戴河某河段為研究對象， 水體初始pH 值為7.09，在常溫條件下，采用固化微生物載體裝置聯(lián)合底泥間歇曝氣方式對黑臭水體進行修復實驗， 反應時間為3 d、 載體與水體投加質量比為1 ∶103時，去除效果最佳，COD，NH3-N，TP 的去除率分別達到89%，76%，40%，且經(jīng)濟可行性較好。 緩釋能力實驗表明，載體在第3 次使用時，反應初期的微生物量及微生物增長速率明顯高于前2 次， 循環(huán)使用非但沒有影響載體緩釋性能， 反而縮短了微生物活性恢復的時間，說明自制固定化微生物載體可循環(huán)性良好，具有持續(xù)去除水體污染物能力。