3种不同滤料生物固定化除锰效果

2017-08-13翁国永陈建军郑晨

安徽农业科学 2017年3期

翁国永陈建军郑晨

摘要[目的] 寻找一种合适的滤料，既有利于微生物着床，又适合去除水体中的浑浊度等杂质。[方法]从地表水供水系统中采集土著菌，利用选择性培养基对锰细菌分离纯化、摇床扩大培养富集，以石英砂、陶粒、火山岩滤料为载体，采用吸附法进行固定化。[结果] 3种滤料的出水锰含量和对锰的去除率均取得较好的效果，出水锰含量符合GB/T 5749—2006生活饮用水标准。从长久的运行结果看，石英砂滤料的出水水质最佳。 [结论] 石英砂滤料具有成本低、硬度大、滤料之间空隙小等特点，作为除锰着床滤料最为理想。

关键词滤料；除锰效果；微生物；地表水

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）03-0055-03

Abstract[Objective] To find suitable filter material that was conductive to microbial implantation，and suitable to remove the turbidity and other impurities in the water.[Method] Microorganism was collected from the surface water supply system，then manganese bacterium was purified by selective medium and enrichment culture by shaker expansion.Manganese was immobilized by adsorption by quartz sand，ceramic，volcanic rock filter as the carrier.[Result] There was satisfied quality of removal manganese for three kinds of filter material.The manganese content of filtered water was up to standard by GB/T 5749—2006 standards for drinking water quality.In the long run，the water from quartz filtered material was best.[Conclusion] Quartz sand filter material had the characteristics of low cost，high hardness and less clearance，and is the most ideal filter material.

Key words Filter material；Manganese removal effect；Microorganism；Surface water

錳是人体主要的生理元素，在自然界分布广泛，属于高等动物不可缺少的10种微量元素之一，但吸入过量的锰会损害人体的中枢神经系统[1-2]。水体中锰含量超过饮用水标准的现象在世界各地普遍存在，锰含量超标对于人们的生活和健康、工业生产都有很大影响[3-4]。目前大部分制水厂应用强氧化剂氧化或催化氧化来去除水源水中的铁和锰，相对于生物氧化，不仅净化流程长、药剂消耗量大，而且操作复杂、制水成本昂贵[5-7]。生物除锰技术以其处理效果好、投资费用少、运行效果稳定等特点，越来越受到国内外学者的关注[8-9]。地下水除锰一直受到学者的关注和重视，张杰等[10-11]、张锡辉[12]利用天然锰砂采用自然接种方式，在滤池中培养出大量的锰细菌，取得了良好的除锰效果。地表水相对于地下水具有水质不稳定的特点，除锰难度较大。笔者针对3种不同的滤料，利用生物固定化除锰，出水锰含量符合国家生活饮用水标准，取得了满意的效果。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌种。供试菌种来源于台州市长潭水库西洋郑集水井调节池壁泥。

1.1.2 培养基。

PYCM培养基：蛋白胨0.8 g，酵母浸膏0.2 g，MnSO4·H2O 0.2 g，K2HPO4 0.1 g，MnSO4·7H2O 0.2 g，NaNO3 0.2 g，CaCl2 0.1 g，（NH4）2CO3 0.1 g，H2O 1 000 mL，调pH为6.8～7.2，固体培养基加琼脂15 g/L。JFMII培养基：柠檬酸三钠 8.0 g，柠檬酸 2.0 g，柠檬酸铁铵 13.0 mg，MnSO4 4.0 g，NaNO3 0.5 g，CaCl2 0.2 g，H2O 1 000 mL，固体培养基加琼脂15 g/L。

1.1.3 滤料。河南巩义产石英砂、陶粒和火山巖。

1.1.4 试验装置。3根模拟滤柱均为定制玻璃柱，高度1 200 mm，内径40 mm，滤柱内壁放置2个宽度1.0 mm、厚度0.5 mm的聚乙烯环，用来减少过滤的边壁效应，原水自顶部进入，底部出水处安置一个阀门用于反冲洗（图1）。

1.1.5 试验用水。西洋郑集水井调节池含锰原水，原水水质见表1。

实验室用水以黄岩自来水公司出厂水加硫酸锰配制。

1.2 方法

1.2.1 菌种的分离。

10 g菌泥加20 mL无菌水，用玻璃棒剧烈搅拌，配制成菌种原液、10倍稀释液、100倍稀释液，JFMII平皿培养基涂布分离。

1.2.2 菌种的形态观察。

将分离后的菌种在电子显微镜下观察其形态，另取少量菌落，分别用过硫酸铵法和TMPD法测定锰含量。过硫酸铵法结果呈红色且TMPD法结果呈蓝色的菌落具有氧化锰能力，其他情况均表明菌落无氧化锰能力。

1.2.3 菌种的固定化。

3 m/h的低滤速培养3 d，每天反冲洗1次，再用扩大培养后的菌种浸泡24 h。

2 结果与分析

2.1 锰氧化细菌的分离和纯化

生物滤池除需要适宜的滤料外，还与细菌菌种的分离、筛选和纯化程度有关。从西洋郑集水井调节池池壁上采集的菌泥，菌种种类繁多，在电子显微镜下观察，革兰氏染色后的杆菌、线菌、球菌都有很好的氧化Mn2+能力，在JFMII培养基上均能很适应地繁殖。经过一段时间培养后，平板上出现了各种菌落，菌落中心的棕色物质是高价锰氧化物。随着培养时间的增加，棕色物质逐渐变黑，黑色物质向菌落四周扩大，说明微生物氧化能力越来越强。典型菌落呈棕色，直径1～6 mm，边缘整齐，表面光滑，中心略凹或凸起，易于培养基分离的菌落进行划线分离纯化培养。

2.2 锰氧化细菌的扩大培养

将经过JFMII平板培养基分离纯化后的菌落，挑入CYPM液体培养基进行摇床扩大培养。培养温度25℃，转速120 r/min。摇床培养过程菌种生长会经过滞后期、指数或对数生长期、静止期和死亡期[13]。摇床培养后菌液的pH缓慢升高，3 d后pH达8.6。pH与菌种的滞后期、生长期、静止期、死亡期相对应。将菌液和陶粒、菌液和火山岩同时摇床培养，3 d后陶粒和火山岩在菌液中变得疏松，最后全部溶于菌液中。陶粒和火山岩的菌种固定不能采用同时摇床培养的方法。石英砂可以和菌液同时摇床培养，最后得到一个较理想的着床力。

2.3 锰氧化细菌的固定

采用低滤速、弱反冲物理吸附法使微生物和3种滤料直接发生作用，将微生物固定在滤料表面。结果表明，固定的效果可以用出水的锰含量来衡量。30 d后3种滤料的出水锰含量均小于0.05 mg/L，说明均达到了固定要求。

2.4 3种滤料的滤后水锰含量及锰去除率

2.4.1 3种滤料对实验室配制原水锰的去除效果将石英砂、火山岩、陶粒3种滤料分别置于3支玻璃柱内，按黄岩自来水公司的出厂水添加硫酸锰作为进水，原水锰含量为0.45 mg/L，3种滤料出水锰含量逐日变化及锰去除率见图2、3。

3种滤料在无有微生物存在的情况下，对实验室配制的含锰水无去除能力。3种滤料对水中的锰离子仅有吸附作用，刚开始时吸附能力由大到小依次为火山岩、陶粒、石英砂。经一段时间后出水锰浓度和进水锰浓度基本一致，出水锰浓度在进水锰浓度附近上下波动。

2.4.2 3种滤料对西洋郑调节池原水锰的去除效果。

将石英砂、火山岩、陶粒3种滤料分别置于3支玻璃柱内，进水采用浙江省台州市长潭水库西洋郑调节池原水，出水锰含量逐日变化及去除率见图4、5。

原水中含有土著除锰微生物，经过前3 d的适应期，慢慢进入菌种生长期。3种滤料对锰有不同程度的去除率，火山岩和陶粒的比表面积大于石英砂，前期的去除率前二者大于后者。火山岩和陶粒比表面积较大，材质也较疏松，随着使用时间的延长，滤料脱落和分散情况严重，虽然锰去除率较高，但实际生产中不是一种很理想的滤料。

从地表水分离纯化的土著菌经过摇床的扩大培养，菌液pH达8.5左右，菌种接近对数生长期，采用低滤速弱反冲的方法，接种于3种滤料，均可达到满意的结果，大大缩短了土著菌的适应期，此工艺对于制水厂采用微生物除锰具有指导意义。

与地表水直接驯化土著菌着床于滤料相比，通过摇床扩大培养后的菌种能够更好地吸附在滤料上，出水的锰含量低于前者，配合地表水的自然培养，滤后水的锰含量能够符合国家生活饮用水标准（图6、7）。

3 结论

（1）利用含锰原水分离纯化的土著锰氧化菌，对原水具有較强的氧化能力，进行扩增培养后接入滤池中，表现出很强的适应性，滤料会尽早成熟，大大缩短了微生物的培养期。