生物脫氮菌劑凈化富營養(yǎng)化水源水研究

魏 巍， 袁浩銘， 劉 洋， 張金月

(吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林四平136000)

生物脫氮菌劑凈化富營養(yǎng)化水源水研究

魏 巍， 袁浩銘， 劉 洋， 張金月

(吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林四平136000)

采用實(shí)驗(yàn)室模擬方法，將生物脫氮菌劑直接投加到富營養(yǎng)化原水中，研究了生物菌劑的最佳投加量及其對原水水質(zhì)的凈化效果。結(jié)果表明，當(dāng)菌劑投加量為0.1 mg/L時(shí)，生物菌劑對富營養(yǎng)化水源水的脫氮效果最好，增加或降低投加量均會影響生物菌劑的脫氮效果；當(dāng)菌劑投加量為0.1 mg/L時(shí)，運(yùn)行期間生物投菌系統(tǒng)對硝氮和總氮的最大去除率分別達(dá)到61.6%和51.6%， CODMn和TOC的去除率分別為8.71%～32.57%和10.92%～36.80%。生物投菌系統(tǒng)因?yàn)橥都恿嗣摰芰^好的高效菌種，使系統(tǒng)內(nèi)菌群競爭優(yōu)勢發(fā)生變化，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的脫氮能力。

生物菌劑； 富營養(yǎng)化； 水源水； 脫氮

隨著工農(nóng)業(yè)污染和水土流失的加劇，飲用水水源受到嚴(yán)重污染。據(jù)調(diào)查，我國七大水系、主要水庫、湖泊及部分地下水均受到不同程度的污染，其中湖泊、水庫以富營養(yǎng)化為特征，主要污染指數(shù)為總氮、總磷及高錳酸鹽指數(shù)。尋求一種高效的富營養(yǎng)化水源水體的治理技術(shù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

在富營養(yǎng)化水源水體處理技術(shù)中，菌劑投加技術(shù)因其價(jià)格低廉、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。生物制劑的組成可以概括為微生物、酶及一些保持微生物活性的物質(zhì)。微生物制劑具有很多優(yōu)點(diǎn)：對特定污染物降解能力強(qiáng)，能縮短微生物培養(yǎng)馴化的時(shí)間，迅速提高生物處理系統(tǒng)中微生物的濃度，從而提高工作效率；不會造成二次污染；使用安全，操作簡單方便，基本不需要添加設(shè)備或者工程，節(jié)省能源及資金投入。在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、食品等各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，但是應(yīng)用于富營養(yǎng)化湖泊、水庫水體的還不多。

對于生物投菌技術(shù)，國內(nèi)已有關(guān)于光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌、芽孢桿菌等以及它們組成的復(fù)合微生物改善富營養(yǎng)化水體的研究報(bào)道[1]。但大多停留在實(shí)現(xiàn)不同形式氮素的轉(zhuǎn)換上，對于如何將多余的氮素從水體環(huán)境中徹底脫除則研究不多。因此，沒有從根本上解決水環(huán)境氮素污染負(fù)荷日益增高的問題[2]。

筆者針對富營養(yǎng)化湖泊、水庫水體氮源和有機(jī)污染問題，在實(shí)驗(yàn)室馴化并篩分出高效脫氮菌種，通過復(fù)配實(shí)驗(yàn)得到對氮源及有機(jī)物去除效果較好且對

環(huán)境安全的生物菌劑。向富營養(yǎng)化水體投加該生物菌劑，強(qiáng)化對污染物的生物降解作用，探索其對富營養(yǎng)化水體的脫氮效果，可為生物脫氮菌劑實(shí)際應(yīng)用于富營養(yǎng)化湖泊、水庫水體提供一些理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

生物脫氮菌劑：由3株從水庫底泥中篩分的高效脫氮菌種組成。將各菌株在適宜的條件下進(jìn)行活化培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間根據(jù)菌體生長情況而定，然后將上述處于對數(shù)生長期的活化菌懸液按照相同比例混合制備得到生物脫氮菌劑[3-4]。

試驗(yàn)用水：取自某富營養(yǎng)化水源水體，相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 用水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)儀器

HZQ-F200立式空氣恒溫振蕩培養(yǎng)箱；DR 5000紫外可見分光光度計(jì)。

1.3 試驗(yàn)裝置及方法

采用非連續(xù)流方式模擬自然條件下水源水體的原位生物修復(fù)過程。系統(tǒng)主體為密閉式圓柱形有機(jī)玻璃容器，有效容積為50 L。采用2組試驗(yàn)裝置，其中一組作為空白對照試驗(yàn)(不投加生物脫氮菌劑)，另外一組投加生物脫氮菌劑。整個(gè)試驗(yàn)共運(yùn)行30天，試驗(yàn)期間定期測定水中的總氮、硝酸鹽氮、氨氮、TOC和CODMn。

1.4 分析方法

總氮：過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；硝酸鹽氮：酚二磺酸光度法；氨氮：納氏試劑光度法；總磷：鉬銻抗分光光度法；高錳酸鹽指數(shù)：酸性法。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳投加量的確定

原水中的總氮主要由有機(jī)氮、硝氮、氨氮和亞硝氮組成，且總氮主要表現(xiàn)為硝態(tài)氮，占總氮濃度的80%以上，因此硝氮去除率直接影響總氮的去除效果。由于原水中氨氮濃度較低，故試驗(yàn)考察了生物脫氮菌劑在不同投加量條件下對水中總氮和硝氮的去除效果，根據(jù)對氮源污染物質(zhì)的去除效果確定生物菌劑的最佳投加量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，當(dāng)投加量為0.1 mg/L時(shí)，生物菌劑對水中總氮和硝氮的去除效果最好，最大去除率分別達(dá)到72.1%和73.8%。當(dāng)投加量增至1.0 mg/L時(shí)，生物菌劑對原水的脫氮效果反而下降，這是由于水源水中營養(yǎng)物濃度相對較低，當(dāng)細(xì)菌的數(shù)量超過一定限度時(shí)，相互之間產(chǎn)生競爭，共同爭奪碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)，一部分細(xì)菌在競爭中處于劣勢，生長受到抑制，從而降低了細(xì)菌生長的數(shù)量，最終導(dǎo)致對脫氮效率的影響。當(dāng)投加量降低至0.05 mg/L時(shí)，脫氮效果下降，這是由于投加的微生物量過低，在與土著細(xì)菌共同爭奪碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)處于劣勢，生長繁殖緩慢，降低了細(xì)菌生長的數(shù)量，使生物修復(fù)過程受到限制，從而影響氮源污染物質(zhì)的去除效果[2]。綜上所述，采用生物脫氮菌劑凈化富營養(yǎng)化水源水體時(shí)，應(yīng)加入適量的微生物菌劑，該試驗(yàn)選擇0.1 mg/L作為生物脫氮菌劑的最佳投加量。

表2 不同投加量下生物脫氮菌劑對氮源污染物的去除效果

2.2 水源水氮源污染物去除效果

當(dāng)投加量為0.1 mg/L時(shí)，考察了生物菌劑對富營養(yǎng)化水源水氮源污染物的去除效果，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，試驗(yàn)運(yùn)行期間，在原水土著微生物和生物脫氮菌劑的共同作用下，空白對照系統(tǒng)及生物投菌系統(tǒng)對原水氨氮均有較好的處理效果，系統(tǒng)運(yùn)行至第12天已基本檢測不出氨氮。投菌系統(tǒng)比空白對照系統(tǒng)氨氮降解速率更快，運(yùn)行至第6天已檢測不出氨氮。系統(tǒng)運(yùn)行后期，氨氮濃度略有升高，可能是由于部分菌體死亡分解導(dǎo)致。

表3 運(yùn)行期間生物脫氮菌劑對氮源污染物的去除效果

由表3可以看出，投加適量生物脫氮菌劑后，在土著微生物和脫氮菌種的共同作用下，生物投菌系統(tǒng)中的硝氮和總氮濃度不斷降低，系統(tǒng)運(yùn)行期間硝氮和總氮濃度可由初始的1.38 和1.55 mg/L分別降至0.53和0.75 mg/L，最大去除率分別為61.6%和51.6%。而空白對照系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對硝氮和總氮的去除效果不明顯，硝氮和總氮最大去除率僅為8.7%和14.0%，且去除效果不穩(wěn)定。運(yùn)行初期硝氮濃度升高，這是由于氨氮在硝化過程中產(chǎn)生硝氮所致。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，投加的生物脫氮菌劑逐漸適應(yīng)原水環(huán)境條件，硝氮和總氮去除率不斷提高。綜上所述，與空白對照系統(tǒng)相比，生物投菌系統(tǒng)因?yàn)橥都恿嗣摰芰^好的高效菌種，使系統(tǒng)內(nèi)菌群競爭優(yōu)勢發(fā)生變化，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的脫氮能力。

2.3 水源水有機(jī)污染物去除效果

當(dāng)菌劑投加量為0.1 mg/L時(shí)，原水中CODMn和TOC含量的變化見表4。由表4可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，生物脫氮菌劑逐漸適應(yīng)原水水質(zhì)條件，因此有機(jī)物濃度不斷降低，在運(yùn)行過程中CODMn和TOC的去除率分別為8.71%～32.57%和10.92%～36.80%，CODMn和TOC含量分別由初始的4.82和5.68 mg/L降至3.25和3.59 mg/L。水體中去除有機(jī)物的菌類主要是異養(yǎng)菌，異養(yǎng)菌的存在使可生物降解的有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，從而使有機(jī)物中的碳被氧化為二氧化碳，有機(jī)氮氧化為氨態(tài)氮。此外，投加的脫氮菌種利用原水中的有機(jī)物作為電子供體進(jìn)行反硝化反應(yīng)，這在一定程度上也影響著對有機(jī)物的降解效果。

表4 有機(jī)污染物去除效果

2.4 生物相變化分析

生物脫氮系統(tǒng)中微生物的種類及生物活性是決定原水凈化效果的關(guān)鍵。試驗(yàn)通過投加高效脫氮菌劑，形成了對原水環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢菌群，表現(xiàn)出良好的去除氮源污染物的效果。試驗(yàn)運(yùn)行過程中，對生物脫氮系統(tǒng)中的反硝化細(xì)菌進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)果表明反硝化細(xì)菌的數(shù)量隨著運(yùn)行時(shí)間的延長逐漸降低。原因可能是：隨著原水中氮、磷及有機(jī)物等基質(zhì)濃度的逐漸降低，微生物合成代謝受到限制，影響細(xì)菌的生長繁殖，導(dǎo)致反硝化細(xì)菌數(shù)量降低。此外，運(yùn)行后期鏡檢可見原生動物，原生動物與細(xì)菌之間存在著制約關(guān)系，原生動物吞噬細(xì)菌抑制細(xì)菌群體的蔓延，而細(xì)菌被破壞后又不斷繁殖生長，這就需要以原水中的有機(jī)物為食料，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[5]。

3 結(jié)論

① 采用從水庫底泥中篩分的高效脫氮菌種作為菌源制成生物菌劑，當(dāng)菌劑投加量為0.1 mg/L時(shí)，生物菌劑對富營養(yǎng)化水源水的脫氮效果最好，投加量增加或降低均會影響生物菌劑的脫氮效果。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加入適量的微生物菌劑為宜。

② 當(dāng)菌劑投加量為0.1 mg/L時(shí)，運(yùn)行期間生物投菌系統(tǒng)硝氮和總氮可由初始的1.38 和1.55 mg/L分別降至0.53和0.75 mg/L，最大去除率分別達(dá)到61.6%和51.6%。而空白對照系統(tǒng)脫氮效果不明顯，硝氮和總氮最大去除率僅為8.7%和14.0%。在運(yùn)行過程中CODMn和TOC的去除率分別為8.71%～32.57%和10.92%～36.80%。

③ 與空白對照系統(tǒng)相比，生物投菌系統(tǒng)因?yàn)橥都恿嗣摰芰^好的高效菌種，使系統(tǒng)內(nèi)菌群競爭優(yōu)勢發(fā)生變化，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的脫氮能力。與現(xiàn)有大多研究中需另外投加碳源的方法比較，該技術(shù)成本低、操作簡單。

④ 生物脫氮菌種是從水庫底泥中篩分的內(nèi)源微生物，因此容易適應(yīng)原水水質(zhì)環(huán)境，且可以在不使體系發(fā)生較大變化的情況下獲得理想的凈化效果，不存在生物風(fēng)險(xiǎn)問題。

[1] 曹式芳, 龐金釗, 楊宗政, 等. 生物技術(shù)治理富營養(yǎng)化景觀水體的研究[J]. 天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,12(4):1-3.

[2] 魏巍. 微污染水源揚(yáng)水曝氣強(qiáng)化原位生物脫氮特性與試驗(yàn)研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué),2011.

[3] 魏巍, 黃廷林, 蘇俊峰, 等. 1株貧營養(yǎng)好氧反硝化菌的分離鑒定及其脫氮特性[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010,19(9): 2 166-2 171.

[4] 魏巍, 黃廷林. 低溫好氧反硝化菌的分離鑒定及脫氮特性研究[J]. 供水技術(shù),2012,6(6): 12-16.

[5] 李偉英. 給水生物預(yù)處理工藝中生物相變遷規(guī)律及作用[J]. 環(huán)境與開發(fā), 2000,15(2):6-8.

Study on purification of eutrophicated water source by biological denitrifier agents

Wei Wei, Yuan Haoming, Liu Yang, Zhang Jinyue

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,JilinNormalUniversity,Siping136000,China)

The optimum dosage and purification effect on eutrophicated water source was investigated by directly adding biological denitrifier agents in the water under laboratory simulation conditions. The results showed that the nitrogen removal effect of the agents in water was the most desirable when the dosage was 0.1 mg/L, and if increasing or decreasing the dosage would affect the denitrification efficiency. When the dosage was 0.1 mg/L, the maximum removal rates of nitrate nitrogen and total nitrogen reached 61.6% and 51.6% respectively, and the removal rate ranges of TOC and CODMnwere 8.71% to 32.57% and 10.92% to 36.80% during the operation in the agents inoculation system. The high efficiency denitrification bacteria could improve the bacteria group competitiveness and optimization in the whole system, so as to improve the ability of nitrogen removal.

biological agents； eutrophication； water source； denitrification

TU991

A

1673-9353(2016)06-0015-04

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.06.004

魏 巍(1976- )， 女， 博士， 主要研究方向是水處理與水質(zhì)微污染控制。E?mail：651430136@qq．com

2016-09-30