耦合微生物型生态袋的净水效果

李秋红，杨小丽，宋海亮

（1.东南大学土木工程学院，江苏南京 210096；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）

随着经济建设与护坡工程技术的快速发展，人们对于生态环境的修复意识不断加强，传统硬质化河道、湖岸及裸露山体护坡技术正逐渐被柔性生态护坡所取代［1］。所谓生态护坡，是依靠植物根茎与土壤间的锚固作用来加固边坡稳定性，同时营造出很好的边坡景观效果［2］。传统生态袋护坡技术大多停留在山体、河道及湖岸岸坡稳定性及景观效果营造研究层面，对雨水径流、河道及湖岸水体的净化效果研究较少［3］。当前，微生物对水体中污染物降解的研究不断深入，且在许多河道水体治理工程中取得了很好的效果［4］。为了强化生态袋护坡技术的净水功效，本文将微生物与生态袋护坡技术相结合，研究人工强化微生物耦合型生态袋的净水效果。

菌体菌群选择和加载菌种长期稳定性是生态袋耦合微生物净水护坡技术的难点之一［5］。首先，引进菌体群落不能破坏原有微生物平衡系统，以免造成工程建设地外来物种入侵现象，破坏当地的水体生境平衡［6］；其次，菌体投加方式要具备“稳定性”，避免加载菌种在水力条件下快速流失，造成后续处理效果不佳的现象［7］。基于上述考虑，本研究采用菌种载体固定法作为加载菌种与生态袋的耦合方式，强化生态袋内微生物菌群的构建与增殖。将固定化技术引入到微生物修复工艺，联合生态袋护坡技术，强化耦合微生物型生态袋的净水效能，打造乡村景观型岸水一体生态驳岸。

1 试验材料与方法

耦合微生物型生态袋净水试验以固定化微生物活性小球作为加载菌体的耦合方法，微生物活性小球采用沸石载体挂膜脱氮菌群与包埋法相结合的制作方式，在生态袋内投加耦合脱氮菌群的生物活性小球，研究耦合脱氮菌群生态袋的净水效果。

1.1 斜发沸石的活化

沸石作为污水处理常用材料，内部孔隙吸附的有机物可以为附着在其表面的微生物提供营养物质，同时微生物将大颗粒有机物分解继而再次打通沸石内部的孔隙结构，从而形成沸石吸附—微生物降解的良性循环［8］，试验采用沸石载体联合微生物的固定化方法。

取2 000 mL的天然斜发沸石，粒径为1.00～2.00 mm，用去离子水洗涤3遍以去除沸石表面的可溶性无机物，洗涤后的沸石自然晾干，分装于250 mL小烧杯，置于马弗炉中，在450℃条件下密闭灼烧2.5 h。天然斜发沸石经过活化，可以去除沸石孔隙中的有机物，增加沸石内部孔径，提高吸附性能、离子交换性能及交换量等［9］。

1.2 脱氮菌群富集培养与沸石挂膜

将取自南京江心洲污水处理厂污泥池的活性污泥，按1%的接种量接种到1 000 mL的脱氮菌富集无菌培养基中进行驯化培养，在恒温培养箱中培养3 d，培养温度为30℃，待培养基液体出现浑浊，即在波长600 nm下吸光度值达到最大，光度值约为0.1，培养完毕。秤取5 g活化后的斜发沸石，投入完成培养的脱氮富集培养基中，随后将其放置在摇床上进行沸石的吸附挂膜（25℃），48 h后沸石由之前的米灰色变为棕褐色，即视为挂膜完毕。在每次挂膜前，用微生物接种环将前次富集培养菌液接种到新的培养基中，如此重复3次［10-11］。

由图1可知，沸石经过活化挂膜后，表面孔径碎屑状颗粒有机物质明显减少，内部孔隙结构更加复杂，比表面积明显增大；同时，挂膜后的沸石表面更加平整光亮，颜色变淡，有半透型生物膜状物质覆盖现象，表明活化沸石在脱氮微生物菌群富集培养液中挂膜成功。

图1 沸石挂膜前后表面SEM图像Fig.1 SEM Images of Zeolite Surface before and after Biofilm Culturing

1.3 固定化微生物小球的制作

沸石经过活化挂膜后，聚集成团，在生态袋中添加挂膜沸石，难以均匀投加。考虑到实际岸坡水流冲刷力较大，为延缓前期袋体内微生物在生长繁殖阶段因受外界水力条件扰动引起的菌种流失，将活化挂膜的沸石制成固定化微生物小球［12-13］，强化加载微生物的稳定性。

在微生物小球的制作过程发现，凝胶剂的配比对小球制作的难易度以及后期的小球成型及强度有很大影响。通过试验对比，微生物小球成球效果最佳配比为：聚乙烯醇（PVA）6 g、海藻酸钠 0.75 g、碳酸钙0.6 g、二氧化硅3.5 g，该配方比例成球制作简单，小球不易出现拖尾现象，且有较高的强度。

1.4 生态袋的填装及袋体植物生长状况

将制得的微生物活性小球与空白小球以相同比例分别添加到四组生态袋内，活性微球的最佳投加量为 2.0～2.4 kg／m3［14］，每个袋体内添加小球视体积约为150 mL（重量为60 g），装填后生态袋重约为30 kg。试验水箱中放置两个生态袋体，水位恰好没过下层沙袋。为提高上层土袋的透水性能，添加河沙，沙土混合比例为 2 ∶8～3 ∶7［15］，均匀拌制后，沙土手感酥软、不易黏结结块，透水性能高于自然种植土。

袋体种植植物为狗牙根与芦苇，取狗牙根种子于烧杯中，加水浸泡3 h，均匀涂抹在生态袋表面；对于袋体侧立面，将种子、木纤维、锯末黏合剂混合搅拌均匀［16-17］，形成附着力强的混合物进行涂抹，木屑粉为植物的生长提供了营养物质。

当生态袋表面狗牙根生长高度达到5 cm左右时，将芦苇幼苗插种在生态袋中，每个生态袋种植两株芦苇，芦苇幼苗株高约为25 cm。试验中后期，植物长势繁茂，狗牙根生长面积达0.1 m2左右，生长密度为4～6株／cm2。狗牙根由于长势过快叶体下垂，部分草体枝叶浸泡在水体中，为避免因枝叶腐败污染处理水体，将四组狗牙根进行统一修剪，修剪后高度为8～12 cm，如图2所示。

图2 生态袋植物修剪前后对比图Fig.2 Photos of Eco-Bags before and after Cutting Plant

1.5 试验运行条件及水质测试指标

试验过程中，水泵运行条件为间歇运行，每天运行时长为 7 h（9∶30～16∶30），累计运行 35 次。高位水箱中水体通过重力流流入低位水箱，小型潜水泵将低位水箱中水体抽吸至高位水箱，形成水体对流。试验温度为20～25℃，水质采样时间为上午9∶00，采样时使用50 mL移液管进行采样，采样水量为200 mL，水质采样点位于底位水箱常水位5 cm以下水体，测样前对采样水体进行过滤处理，以便去除水体中悬浮物质。

表1 试验装置材料规格Tab.1 Material Specification of Experimental Installation

图3 试验装置流程图Fig.3 Flow Chart of Experimental Apparatus

耦合微生物型生态袋净水试验设置四组，三组装填不同驯化富集培养次数的脱氮菌挂膜沸石小球（分别为1＃三次驯化富集、2＃二次驯化富集、3＃一次驯化富集）与沸石小球空白对照组4＃未添加菌种，试验用水取自东南大学护校河（表1和图3）。考察的水质指标包括有机物、氨氮、总氮、总磷，测试方法参考《水和废水监测分析方法（第四版）》，进水水质如表2所示。

表2 进水水质Tab.2 Inflow Water Quality

2 水质净化效果分析

2.1 有机物去除效果分析

图4 有机物浓度历时变化曲线Fig.4 Variation Curve of Organic Matter Concentration with Time

耦合微生物型生态袋对有机物（高锰酸盐指数）的去除效果如图4所示。由图4可知，四组试验中，3＃生态袋有机物去除效果最好，试验运行到28 d时，3＃生态袋有机物去除率达到 52.9%，而 1＃、2＃及4＃生态袋有机物的去除率在31.3%～45.5%。

由图4可知，四组生态袋有机物含量在整个净水试验过程均呈现暂时上升随后降低的趋势；试验运行7 d时，3＃袋体有机物含量迅速下降，有机物降解效率明显高于同时期其他三组试验。结合四组生态袋植物生长状况来看，3＃生态袋植物生长状况最好，芦苇及狗尾草根系穿透上层生态袋。发达的根系结构为生态袋体内复氧提供了充分条件，生长于植物根系富氧区的好氧菌通过新陈代谢作用，吸收利用水体中有机物，作为自身繁殖的碳源补充，去除水体中的有机污染物；此外，在植物的吸收、同化，根系环境基质的吸附、过滤和沉淀等共同作用下，水体中的有机物也得到部分去除。

2.2 氨氮去除效果分析

耦合微生物型生态袋对水体中氨氮的去除效果如图5所示。由图5可知，四组试验氨氮去除率由高到低依次为 1＃＞2＃＞3＃＞4＃，1＃氨氮平均去除率为53.4%，4＃菌种空白对照组氨氮平均去除率仅为27.9%，三组耦合微生物型生态袋对氨氮去除率明显高于4＃菌种空白对照组，生态袋耦合脱氮菌群后，氨氮的降解率提升了10.5%～25.5%，即耦合微生物型生态袋对氨氮的去除率高于传统生态袋。

图5 氨氮浓度历时变化曲线Fig.5 Variation Curve of Ammonia Nitrogen Concentration with Time

三组耦合脱氮菌群生态袋组内比较发现，1＃生态袋氨氮降解效果最好（加载三次驯化富集脱氮菌群），1＃生态袋氨氮去除率高于3＃生态袋15%，试验结果表明脱氮菌群驯化富集次数越高，氨氮的降解效果越好。

由图5可知，试验运行2 d时，四组试验出水氨氮浓度均有所升高。分析认为，这可能是试验启动初期袋体中土壤向水体释放氨氮；随后，氨氮浓度下降明显，分析认为与固定生物小球内活化沸石的吸附有很大联系，活化沸石对水体中氨氮有快速吸附的效果［18］。试验启动10 d左右，氨氮浓度持续下降并趋于稳定。分析认为，生态袋内加载脱氮菌群不断增殖且活性恢复，氨氮降解能力增强。同时植物根系泌氧又促进了脱氮菌群硝化作用及其生长繁殖，沸石孔隙所吸附的氨氮在脱氮菌群的作用下进行硝化反硝化系列反应，沸石内部孔道进一步打开［19］，形成了植物根系泌氧—脱氮菌群硝化反硝化—沸石载体吸附的良性循环。

2.3 总氮去除效果分析

由图6可知，总氮浓度变化趋势与氨氮相似，即先增加随后降低。运行初期，总氮降解效果不佳，主要是由于脱氮菌群需要一定时间适应生态袋体环境，生物活性不足，微生物生物量较小，硝化菌及反硝化菌数量较小，加上初期袋体中土壤向水体释放总氮。随着脱氮菌群的扩增繁殖，袋体内进行硝化反硝化反应，总氮浓度逐渐降低。

图6 总氮浓度历时变化曲线Fig.6 Variation Curve of Total Nitrogen Concentration with Time

经过15 d左右的净化处理后，水体中总氮趋于稳定。此时植物得到充分生长，植物的生长对光照有一定的遮蔽作用，而硝化细菌对光线厌恶，亚硝酸菌对紫外线的可见光也非常敏感，紫外线会使硝化细菌死亡，脱氮菌的不断生长繁殖表明微生物与植物处于良好的协同共生状态［20］。植物生长给生态袋体植物根系部土壤带来增氧作用，同时又进一步减弱紫外线照射，为硝化细菌的生长营造了良好的环境，脱氮菌群与植物的协同共生体系对总氮含量的削减起到了很大的贡献。

由四组试验组内比较结果可知，三组耦合脱氮菌群生态袋总氮平均降解率比空白组高13.1%～20.5%，表明脱氮菌群添加有利于提升总氮降解效果；三组耦合脱氮菌群生态袋组内比较发现，1＃生态袋总氮降解效果最优，表明脱氮菌群驯化富集次数越高，总氮的降解效果越好。

2.4 总磷去除效果分析

由图7可知，3＃生态袋总磷去除效果最好，平均降解率为 58.2%，其他三组总磷平均降解率为48.7%～52.9%，利用 SPSS的 t检验法对四组数据进行分析，自由度 t所得概率 P＝0.025（＜0.05），表明四组数据差异显著。通过考察植物生物量（植物生长密度、芦苇株高），对每组生态袋表面草本植物进行3组抽样检测发现，发现3＃生态袋植物生长状况最好，狗牙根生长密度达到6株／cm2，两株芦苇生长高度达到88 cm，狗尾草根系穿透上层生态袋，其他几组生态袋芦苇平均株高为50 cm左右，1＃生态袋狗牙根生长密度仅为4株／cm2，表明植物在总磷的削减中贡献比较大。

图7 总磷浓度历时变化曲线Fig.7 Variation Curve of Total Phosphorus Concentration with Time

试验运行4 d后，水体中总磷含量开始迅速下降，前期植物生长迟缓，根系生长不发达，总磷浓度的降低与下层沙袋的“砂滤效果”密不可分［21］；当装置运行18 d时，水体中总磷浓度再次升高，有资料表明沙土对磷的吸附饱和量为300 mg／kg，计算得知沙土中磷含量未达到吸附饱和，所取沙土未进行筛洗，原有磷含量较高，继而引起磷的二次释放；随后，总磷浓度稳定下降趋于稳定，狗牙根长势比较茂密，根系也已完全扎入生态袋体内，芦苇枝叶繁茂，表明植物在试验系统稳定后对总磷的吸收去除起到了很大的贡献作用。综合总磷的降解曲线来看，试验前期，沙袋的砂滤效果起重要作用，试验后期，植物根系的吸收固磷效果显著。

3 结论

在植物的吸收、同化，好氧微生物吸收降解，根系环境基质的吸附、过滤和沉淀等共同作用下，水体中的有机物得到有效去除。生长于植物根系富氧区的好氧菌群通过新陈代谢作用，吸收利用水体中有机物，作为自身繁殖的碳源补充，去除水体中有机污染物的效果明显。

耦合微生物型生态袋在人工强化脱氮菌群的降解作用下，氨氮及总氮平均降解率分别较传统型生态袋提高了 10.5% ～25.5%、13.1% ～20.5%，且耦合微生物型生态袋加载脱氮菌群驯化富集次数越高，氨氮及总氮去除率越高；耦合微生物型生态袋植物的生长对促进脱氮菌群的生长有很大帮助，两者保持良好的协同共生状态。

植物生物量越大，总磷的降解效果越显著，在植物根茎纳污固磷及沙土袋的吸附过滤的共同作用下，总磷的去除效果显著；植物的生长状况及生态袋沙袋的砂滤效果对水体中总磷的削减去除都发挥了巨大作用，作用机理先后顺序为砂滤吸附作用在前，植物根茎纳污固磷效果在后。

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