4種載體固定化菌藻對(duì)景觀水體的脫氮效果

齊 丹，沙風(fēng)路，張 魏，公維潔

(海南熱帶海洋學(xué)院 a.生態(tài)環(huán)境學(xué)院;b.海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 三亞 572022)

0 引言

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

微生物處理污染水體技術(shù)具有微生物密度高、代謝增殖快、反應(yīng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有微生物流失量大、產(chǎn)物不易分離、反應(yīng)過程控制困難等缺點(diǎn)[9]，因此，近年來，微生物固定化技術(shù)研究逐漸受到人們的重視.著生藻類-生物膜系統(tǒng)是菌藻共生系統(tǒng)固定化技術(shù)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(diǎn)，提供載體附著生長(zhǎng)，形成生物膜，提高菌藻的生物量，能有效減少其流失，強(qiáng)化微生物降解污染物[10].本實(shí)驗(yàn)采用著生藻類-生物膜系統(tǒng)固定菌藻，選取4種生物填料，對(duì)城市景觀水體進(jìn)行水質(zhì)凈化，旨在了解不同填料組建的菌藻共生系統(tǒng)對(duì)景觀水體中氮的生物凈化效果.

1 材料與方法

1.1材料

購(gòu)置4種生物填料(表1和圖1).將生物填料放入富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的天然湖泊(海南省三亞市海南熱帶海洋學(xué)院景觀湖)中，掛膜穩(wěn)定2個(gè)月，使其表面著生大量菌類和藻類，形成纖維狀纏繞結(jié)構(gòu).

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(zhì)

供試水體取自海南省三亞市海南熱帶海洋學(xué)院景觀湖，水質(zhì)狀況詳見表2.

表2 供試水質(zhì) 單位：mg·L-1

注:GB12941《景觀娛樂用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，GB3838—2002《表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》.

1.3實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由PVC材料加工制作的小型模擬平流反應(yīng)池，反應(yīng)池有效容積為0.24 m3，儲(chǔ)水池有效容積為0.14 m3.反應(yīng)池內(nèi)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(shí)驗(yàn)裝置

1.4運(yùn)行管理

供試水體共300 L.將供試水體樣通入實(shí)驗(yàn)裝置，保持平流反應(yīng)池實(shí)際儲(chǔ)水量為200 L，流速為12.5 L·h-1，水力停留時(shí)間為16 h，在室外自然日光照射環(huán)境中循環(huán)處理.實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)間取樣，連續(xù)取樣4次，分析總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的含量.

1.5水質(zhì)測(cè)定方法

實(shí)驗(yàn)中水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法見表3.

表3 各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定的方法

2 結(jié)果與分析

2.1不同生物填料對(duì)總氮去除效果

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

圖3 不同生物填料對(duì)總氮的去除效果

從圖3中可知，4種掛膜后填料對(duì)水體中總氮的累積去除率均隨著時(shí)間的增加而增加，即水體中總氮含量隨著時(shí)間的增加而降低.經(jīng)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(huán)填料對(duì)總氮的去除效果最佳，總氮累積去除率達(dá)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(duì)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(yíng)養(yǎng)素，同時(shí)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(duì)水體中氨氮的去除率均隨著時(shí)間先增后減，即水體中氨氮含量在第1次測(cè)定時(shí)(第7天)最低，然后逐漸升高.經(jīng)過28 d的處理，彈性絲懸浮球填料對(duì)氨氮的去除率最佳，可達(dá)36.26%，西瓜瓤懸浮球填料和組合式雙環(huán)填料對(duì)氨氮的去除率分別為33.29%和26.80%，彈性立體填料對(duì)氨氮去除效果最差，只有9.90%.

圖4 不同生物填料對(duì)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(xì)菌將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮(氨化作用).本實(shí)驗(yàn)前期，水體中氨氮迅速降低，即菌藻對(duì)氨氮吸收同化、好氧的氨氧化細(xì)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(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)[12].后期隨著菌藻的數(shù)量的增加，氨化作用逐漸增強(qiáng)，致使氨氮含量有所回升.

2.3不同生物填料對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響

硝態(tài)氮是水體中無機(jī)形態(tài)的硝酸氮，是生物可以直接攝取的營(yíng)養(yǎng)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(chǎn)生途徑主要有硝化作用.在相同運(yùn)行條件下，4種填料對(duì)水體中硝態(tài)氮的去除情況如圖5所示.

圖5 不同生物填料對(duì)硝態(tài)氮的去除效果

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

2.4不同生物填料對(duì)亞硝態(tài)氮去除率的影響

圖6 不同生物填料對(duì)亞硝態(tài)氮的去除效果

亞硝態(tài)氮是氨氮和含氮有機(jī)物硝化作用的中間產(chǎn)物.從圖6中可知，4種填料對(duì)水體中亞硝態(tài)氮的去除率都超過70%，其中，組合雙環(huán)填料對(duì)亞硝態(tài)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(duì)亞硝態(tài)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(duì)水體中亞硝態(tài)氮的去除率均隨著時(shí)間先增后降，即水體中亞硝態(tài)氮的含量在第1次測(cè)定時(shí)(第7天)最低，然后緩慢增加，亞硝態(tài)氮去除率由79.98%降低到64.18%.

3 結(jié)論

(1)彈性立體填料對(duì)總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的累積去除率分別為78.95%，9.90%，84.06%，83.10%；組合式雙環(huán)填料對(duì)總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)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(duì)總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)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(duì)總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的累積去除率分別為70.49%，33.29%，73.80%，64.18%.

(2)4種填料對(duì)總氮的去除率呈上升趨勢(shì)，均超過了60%，其中，組合雙環(huán)填料對(duì)總氮的累積去除率最高；對(duì)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(duì)氨氮的累積去除率最高；對(duì)硝態(tài)氮的去除率呈上升趨勢(shì)，均超過了65%，其中，組合雙環(huán)填料對(duì)硝態(tài)氮的累積去除率最高；對(duì)亞硝態(tài)氮的去除率呈上升至平穩(wěn)幅度趨勢(shì)，均超過了65%，其中，組合雙環(huán)填料對(duì)總亞硝態(tài)氮的累積去除率最高.因此，總體上組合式雙環(huán)填料組建的菌藻共生系統(tǒng)對(duì)水體的脫氮效果優(yōu)于其他3種填料.

(3)供試水體原水質(zhì)中總氮為3.913 3 mg·L-1、氨氮含量為0.893 9 mg·L-1、硝態(tài)氮含量為0.447 9 mg·L-1、亞硝態(tài)氮含量為0.285 1 mg·L-1.無機(jī)態(tài)氮(氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮)占總氮含量小于42%，原水中有機(jī)氮含量較高.本實(shí)驗(yàn)中,4種填料組建的菌藻共生系統(tǒng)對(duì)無機(jī)態(tài)氮的累積處理率分別為:氨氮累積處理率低于40%，硝態(tài)氮累積處理率在69.36%～88.90%之間，亞硝態(tài)氮的累積處理率在64.18%～88.47%.而菌藻共生系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率達(dá)到67.59%～84.65%.因此，菌藻共生系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物態(tài)氮含量較高的景觀水體具有較好的凈化效果.