固定化微生物在水环境治理中的应用

2021-11-29刘春光

能源与环保 2021年11期

迟冉，刘春光

(上海水源地建设发展有限公司，上海 200000)

随着水资源污染的加重，对水环境的治理提出了更高的要求。高效微生物技术利用微生物易繁殖、强降解特性，对微生物菌落进行分离、驯化、提纯及扩大培养[1-2]。在此基础上，利用水中化学需氧量(COD)、P、N等作为营养物质，选用合适的菌落在较差的水环境下迅速繁殖，从而快速降解水中有机污染物，提升水环境的质量[3]。目前微生物环境治理技术主要为2类[4-6]：直接向水中投放游离的微生物菌种；将微生物固定在载体基质投入水中的固定化微生物。固定化微生物由于工艺简单、污染处理效率高、投资运营费用低的特点，在环境污染治理方面得到了广泛的研究和应用[7]。在微生物固化方法方面，常用的有吸附法、包埋法、交联法，各类方法各有特点，被应用于不同的场合[8-10]。在微生物固定化载体的选择上，除了传统载体外，还开发了具有特殊功能的载体，如可生物降解多聚物载体、磁性载体、环释碳源载体等，实现各种载体材料性能的优势互补[11-13]。本文在相关研究基础上，以某一北方城市污染河道为试验对象，通过筛选水中土著微生物并结合载体基质进行微生物固定化，对影响固定化微生物的净水效果影响因素进行分析，以期获得具有高效净水能力的固定化微生物组别和生物参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试水样选择北方某一新城旁河道，水体发黑，存在明显的异味，黑臭水初始测定指标见表1。自然流动状态下取上覆水，并在4 ℃下保存水样，置于液体富集培养液中进行微生物培养，使河水菌落繁殖生长。经过水质微生物培养与筛选，分离出14株微生物，根据污染物降解实验比较确定，选择最优菌B2号作为土著微生物。固定化基质采用小于60目的绿沸石(LF)。其余试剂包括HCl溶液浓度为1 mol/L，NaOH溶液浓度20 g/L，10%生理盐水和灭菌培养基，蒸馏水。

表1 黑臭水初始测定指标

1.2 仪器与设备

1.3 实验方法

首先，用自来水冲洗去除附在基质上的粉尘，用1 mol/L的HCl溶液浸泡24 h后，取出用蒸馏水冲洗3遍，放入20 g/L的NaOH溶液浸泡24 h，重复用蒸馏水冲洗，最后浸入到10%生理盐水24 h，并取出烘干备用。称取30 g经过预处理的基质与配置的微生物液体培养基放入蒸汽灭菌锅湿热灭菌30 min，取出浸泡24 h待用。

将处理好的基质转移至液体培养基中，按照3%接种量接入B2号菌株，在30 ℃恒温培养基吸附固定化处理48 h后，待微生物全部吸附在基质上，分离基质与培养基，无菌水冲洗。称取1 g固定化微生物置于10 mL黑臭水锥形瓶中，编号为GD1，并建立空白组CK，对照组CK2和CK3，实验变量组设置见表2。将试验组与对照组分别置于转速160 r/min、25 ℃下震荡培养箱中进行净化水体实验，设定净化周期24 h。实验完成后，取出水样经纳氏试剂分光度法、钼酸盐分光度法、重络酸钾分光广度法[14]测定净化后水中的NH3-N、TP、COD浓度。

表2 实验变量组设置

2 试验结果分析

2.1 不同添加量的影响

不同添加量下对黑臭水的降解效果如图1所示。对于CK2组，当添加量为5%时获得的降解效果最优，最优降解效率40.3%。由于微生物添加量较大，使得黑臭水中的COD含量上升，到24 h平衡时尚未完全降解，造成微生物添加量与降解效率差异较大。对于GD1组和GD3组，当添加量10%时，对黑污水GOD的降解率分别为64%和65.4%，此时添加量对黑污水降解效果最优。

图1 添加量对COD的影响

3个组别对黑污水TP指标的处理效果如图2所示。当添加量为10%时，CK2、CK3和GD1组对黑污水的TP指标降解率分别为55.1%、52.5%、74.5%。比较可以看出，其中GD1组对黑污水处理效果远高于其余2组，考虑到CK2中投入微生物量较大，对水中TP利用率高，因此大投加量下对黑污水的去除效率明显高于小投加量。

图2 添加量对TP的影响

3种方式下对黑污水NH3-N的处理效果如图3所示，添加量为10%时，CK2、CK3和GD1组对黑污水的NH3-N指标降解率分别为57.8%、67.8%、81.1%。GD1组明显优于其余两组，但投加量5%和10%时对NH3-N的处理效果较好，因此从经济角度考虑，选用5%投加量更适宜大规模应用。

图3 添加量对NH3-N的影响

2.2 不同温度场的影响

设定物生物添加量为5%，恒温震荡培养基转速150 r/min中，测定不同反应温度下固定化微生物的降解效果，如图4所示。

图4 反应温度对COD影响

当温度越高，对黑污水中COD的去除效果最优。其中GD1组在35 ℃时的COD指标降解率为53.5%，相较于低温处理条件下，处理效果提高了近4%，去除效果最优。比同温度下的CK2和CK3组去除率分别提高了11.2%和7.0%，说明固定化微生物对污染物降解能力最优。不同温度下各组别对黑污水指标处理效果如图5、图6所示。

图5 反应温度对TP影响

图6 反应温度对NH3-N影响

GD1组在不同温度下对黑污水的TP指标和NH3-N指标处理效果明显高于其他2组。其中GD1、CK2和CK3组对黑污水TP指标的降解率分别为73.9%、49.2%和22.1%，GD1处理效果最优，CK3的处理效果最差，表明单一物质下对污染物处理作用有限，但将微生物附着在基质上，明显改善了微生物对黑污水的处理效果。各组别对黑污水NH3-N指标的处理效果与TP类似，随着温度升高，处理效果越好，其中GD1组对NH3-N的处理效果最优，降解率达到75.6%。

上述分析表明温度升高时能促进污染物的降解，而实际情况下，大部分地区的室外水温往往低于30 ℃，因此，建议选择20～25 ℃水温下进行。

[8] Xinjun Zhang, “The Latest Developments of the US Freedom of Navigation Programs in the South China Sea”, Journal of East Asia & International Law, Vol. 9, No. 1 (2016), pp. 167-182.

2.3 不同降解时间的影响

设定物生物添加量为5%，恒温震荡培养基温度为25 ℃，转速150 r/min，测定不同反应时间下的黑污水COD浓度变化如图7所示。GD1组在前2 h内COD呈现出逐步上升趋势，随后大幅度下降，直到24 h后达到平衡状态，整个过程的最大降解率达到53.4%。CK2组中，随着时间的变化，COD浓度平缓下降，当反应时间36 h时达到最大，最高降解率达到34.8%。CK3组在0～24 h时的COD浓度显著变化，到了24 h，溶液浓度小幅上升后达到平衡状态，最高降解率为51.4%。考虑到COD的升高部分是由于微生物的增长作用，随后在基质和微生物的共同作用下，大幅降解黑水中的污染物。

图7 降解时间对COD影响

不同组别下，污水中TP浓度随降解时间的变化趋势如图8所示。在前2 h段，不同组别的TP浓度迅速下降，随后下降幅度趋于平缓，并在24～48 h浓度趋于平衡。CK2和CK3组的TP降解效率约保持在35%附近，较为接近，CD1组的最高降解率达到71.9%，明显高于前2组的降解效率。

不同组别下NH3-N的浓度随时间的变化趋势如图9所示。CK2组中NH3-N浓度呈现出一个凸形变化趋势，即先下降，后上升，再下降，最后处于基本平衡状态。在5 h的NH3-N浓度最大，此时NH3-N降解率达到33.1%。CK3和CD1组的降解基本一致，前5 h内污染物浓度迅速下降，随后趋于平缓，在2 h达到平衡状态，CK3的最高降解率54.6%，GD1最高降解率70.6%。

实验结果表明，随反应时间的变化，污染物降解效果受到一定影响，在一段时间内，达到固化微生物最高降解效率后，保持一个平衡状态，因此，建议降解反应时间以24 h为一周期来执行。

2.4 固定化微生物对黑臭水净化效果

设定添加量5%，反应温度25 ℃，经过24 h降解反应结果如图10所示。可以看出，固定微生物GD1组对黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分别为49.5%、70.0%、71.1%；单独添加固化载体基质的CK3组对黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分别为45.7%、20.0%、50.1%；而添加游离微生物的CK1组对黑水中COD、TP和NH3-N的降解效率分别为27.3%、35.0%、18.9%。空白对照组中各项污染物也存在一定的下降，表明水体本身还具备一定的自净能力[15]。而仅添加游离微生物CK1组中的COD含量较高，主要是微生物作为有机物，在黑水中不断地繁殖，使得水体中COD含量上升，且微生物对TP降解能力高于单一基质CK3组[16]。对比不同组可以看出GD1组对各项污染物具有优良的去除效果，表明固化过程中的微生物能较好地附着在基质上。