藻基EM 菌劑在黑臭水體處理中的應用

司曉光， 張曉青， 成玉， 杜瑾， 曹軍瑞

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所， 天津 300192）

EM 菌劑即有效微生物菌群（Effective Microorganism）的簡稱， 是由日本琉球大學農學部教授比嘉照夫于20 世紀80 年代開發(fā)出來的， 其中含有多科多屬的不同微生物， 多種好氧微生物和兼氧微生物共存， 如光合細菌、 乳酸菌、 酵母菌、 放線菌、真菌等［1－3］。 經過近幾十年的試驗和應用研究， EM菌劑已成功地應用于農業(yè)、 畜牧業(yè)、 保健、 環(huán)境治理以及河湖、 池塘的凈化等方面［4－5］。

EM 菌劑中有效微生物菌群組成復雜， 結構穩(wěn)定， 功能廣泛， 能充分發(fā)揮彼此間的共生、 互生以及競爭關系， 通過生物降解代謝去除黑臭水體中污染物［6－8］。 與傳統(tǒng)的人工曝氣、 截污引流、 底泥疏竣和投加化學藥劑方法相比， 利用微生物的修復作用進行黑臭水體處理具有很多優(yōu)點， 如可快速修復水體中的有機污染物， 水質凈化效果顯著， 成本低， 操作簡單， 無二次污染等［9－10］。 然而， EM 菌劑的使用條件較嚴格， 水流、 溫度等的變化會產生菌體流失以及穩(wěn)定性差等問題， 并且EM 菌劑對磷的去除效果較差。 基于此， 本團隊開發(fā)出了藻基EM 菌劑， 利用硅藻土具有的多孔骨架和吸附性能， 作為EM 菌劑中微生物的載體， 減少使用過程中菌體的流失， 并吸附部分污染物［11－13］。

本研究通過比較藻基EM 菌劑和EM 菌劑對黑臭水體中COD、 NH3－N、 TN 和TP 的去除效果，驗證藻基EM 菌劑在黑臭水體治理中的優(yōu)勢。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

EM 菌劑： 實驗室制備所得， 由芽孢桿菌、 酵母菌、 光合細菌、 放線菌、 硝化細菌、 亞硝化細菌、 乳酸菌、 絮凝劑產生菌等有益微生物菌群復配而成。

藻基EM 菌劑： 實驗室制備所得， 由芽孢桿菌、 酵母菌、 光合細菌、 放線菌、 硝化細菌、 亞硝化細菌、 乳酸菌、 絮凝劑產生菌等有益微生物菌群經特殊工藝負載于硅藻土表面而成。

1.2 廢水水質

為保證黑臭水體的穩(wěn)定性和試驗結果的可重復性， 采用人工配制黑臭水， 其水質指標如表1 所示。 稱取蛋白胨5.00 g， 尿素0.85 g， NaCl 2.30 g，KCl 0.40 g， CaCl20.30 g， MgSO40.30 g， K2HPO411.50 g， KH2PO41.50 g， 黃胺酸0.10 g， 檸檬酸鐵0.10 g， 加水稀釋至15 L。 分裝于含50 mL 黑臭水的1 L 廣口試劑瓶中至瓶頸， 加蓋。 置于32 ℃培養(yǎng)箱中， 5 d 后水體開始變黑。

表1 人工黑臭水的水質指標Tab. 1 Quality indexes of artificial black and odorous water

1.3 試驗裝置

采用有機玻璃板自制的A2O 工藝菌劑驗證平臺， 原水與人工黑臭水分別進入厭氧池（50 L）， 溢流到兼氧池（30 L）， 再溢流到好氧池（25 L）， 好氧池通過人工曝氣增氧后， 進入沉淀池， 沉淀池底泥排出， 部分回流到厭氧池， 沉淀池出水檢測COD、NH3－N、 TN 和TP 等污染指標。 裝置流程如圖1。

圖1 試驗裝置流程Fig. 1 Flow of experimental device

1.4 試驗方法

藻基EM 菌劑對黑臭水處理效果的試驗在菌劑驗證平臺進行， 室溫（20 ～25 ℃）下， 好氧池溶解氧濃度通過曝氣控制， 藻基EM 菌劑投加到好氧池后， 好氧池采用間歇曝氣方式， 曝氣時間2 h， 間隔2 h。

分別驗證EM 菌劑和藻基EM 菌劑去除黑臭水污染要素的效果， 進水流量均為1 L／h， 待厭氧池、兼氧池、 好氧池內水滿后分別添加EM 菌劑和藻基EM 菌劑到好氧池中， 添加量均為100 mg／L， 每隔3 d 添加1 次， 每天分別監(jiān)測2 組系統(tǒng)出水中的COD、 NH3－N、 TN 和TP 的進出水濃度， 并計算相應去除率， 連續(xù)監(jiān)測30 d。

1.5 分析方法

COD 采用GB／T 5750.7—2006《生活飲用水標準檢驗方法 有機物綜合指標》， NH3－N 采用GB／T 5750.5—2006《生活飲用水標準檢驗方法 無機非金屬指標》， TN 采用HJ 636—2012《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》， TP 采用GB 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》［14］。

2 結果與討論

2.1 藻基EM 菌劑對COD 的去除效果

藻基EM 菌劑對黑臭水中COD 的去除效果如圖2 所示。 在采用A2O 工藝的菌劑驗證系統(tǒng)中，通過投加EM 菌劑， 系統(tǒng)逐漸達到穩(wěn)定運行狀態(tài)；通過監(jiān)測出水COD 發(fā)現(xiàn)， 投加EM 菌劑20 d 后，出水COD 濃度基本達到穩(wěn)定， 系統(tǒng)對COD 的去除率為62.4%。 監(jiān)測投加藻基EM 菌劑系統(tǒng)中的出水水質可發(fā)現(xiàn)， COD 去除率逐漸提高， 10 d 后達到最高值， 為90.9%。 結果表明， 與傳統(tǒng)EM 菌劑相比， 藻基EM 菌劑對黑臭水中COD 的去除具有很好的強化效果。 在投加藻基EM 菌劑的系統(tǒng)中， 硅藻土為微生物提供了載體支撐， 系統(tǒng)中的微生物濃度穩(wěn)定， 大大提高了人工黑臭水中COD 的去除率，強化了COD 的去除效果［15］。

圖2 藻基EM 菌劑對黑臭水中COD 的去除效果Fig. 2 Effect of algae-based EM microbial agent on COD removal removal in black and odorous water

2.2 藻基EM 菌劑對NH3－N 的去除效果

藻基EM 菌劑對黑臭水中NH3-N 的去除效果如圖3 所示。 系統(tǒng)添加EM 菌劑穩(wěn)定運行20 d 后，NH3-N 的去除率為51.9%， 而投加藻基EM 菌劑后， NH3-N 去除率有大幅提高， 最終穩(wěn)定在68.0%左右。 從圖3 可以發(fā)現(xiàn)， 添加EM 菌劑后系統(tǒng)達到穩(wěn)定需要20 d 的時間， 而藻基EM 菌劑的強化效果使得系統(tǒng)達到穩(wěn)定僅需15 d， 因此添加藻基EM菌劑的系統(tǒng)啟動更迅速， 對黑臭水中NH3-N 的去除具有更好的強化效果。 相比傳統(tǒng)EM 菌劑， 藻基EM 菌劑同時具備了硅藻土的特性， 具有大量多級、有序排列的孔隙結構， 微生物可以附著其上生長，形成微生物－藻基礦物體系， 從而提高了NH3-N 等污染物的去除效果［16］。

圖3 藻基EM 菌劑對黑臭水中NH3-N 的去除效果Fig. 3 Effect of algae-based EM microbial agent on NH3-N removal in black and odorous water

2.3 藻基EM 菌劑對TN 的去除效果

藻基EM 菌劑對黑臭水中TN 的去除效果如圖4 所示。 添加EM 菌劑20 d 后， 系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行狀態(tài)， TN 的去除率為43.7%， 而添加藻基EM 菌劑后， TN 去除率有大幅提高， 經過15 d 左右達到穩(wěn)定運行狀態(tài)， TN 去除率最終穩(wěn)定在52.5%左右。相比傳統(tǒng)EM 菌劑， 藻基EM 菌劑不僅能顯著提高TN 的去除率， 而且還具有快速響應的優(yōu)勢。 微生物負載至硅藻土后， 生存環(huán)境由原來的氣、 液兩相轉變?yōu)榱藲狻?液、 固三相， 形成了更為復雜的微生態(tài)系統(tǒng)， 系統(tǒng)由外到內溶解氧濃度逐漸降低， 具備了生化系統(tǒng)中的好氧、 兼氧、 厭氧環(huán)境， 對污染物的去除更具優(yōu)勢［17－18］。

圖4 藻基EM 菌劑對黑臭水中NH3-N 的去除效果Fig. 4 Effect of algae-based EM microbial agent on TN removal in black and odorous water

2.4 藻基EM 菌劑對TP 的去除效果

藻基EM 菌劑對TP 的去除效果如圖5 所示。 添加EM 菌劑18 d 后， 系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行狀態(tài)， TP 的去除率為53.8%， 而添加藻基EM 菌劑后， TP 去除率有顯著提高， 經過10 d 左右達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時TP 去除率在87.6%左右。 在生化處理系統(tǒng)中，TP 的去除主要依靠化學吸附和生物轉化2 種方式，與傳統(tǒng)EM 菌劑相比， 藻基EM 菌劑具有硅藻土的吸附、 絮凝作用， 能快速吸附水體中的磷酸鹽， 形成緊密的聚集體并隨污泥排出［19－20］。

圖5 藻基EM 菌劑對黑臭水中TP 的去除效果Fig. 5 Effect of algae-based EM microbial agent on TP removal in black and odorous water

3 結論

采用A2O 工藝菌劑驗證平臺進行人工黑臭水處理試驗， 投加藻基EM 菌劑具有良好的強化作用， 室溫（20 ～25 ℃）下， 在進水流量為1 L／h， 間歇曝氣（2 h ∶2 h）的條件下， 通過添加藻基EM 菌劑，黑臭水中COD 去除率由62.4%上升到90.9%， NH3－N 去除率由51.9% 上升到68.0%， TN 去除率由43.7% 上 升 到52.5%， TP 去 除 率 由53.8% 上 升 到87.6%。

研究結果表明， 該藻基EM 菌劑較傳統(tǒng)EM 菌劑的優(yōu)勢主要有啟動時間更短， 系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，抗沖擊能力更強， 同時提高了活性微生物的數(shù)量，從而顯著增強了生化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和處理效率。