固定化微生物载体对河道黑臭水体的净化研究

汪佳慧， 卢佳佳， 赵明杰， 刘晓静， 栗勇田

（1.天津大学环境科学与工程学院， 天津 300072；2.秦皇岛天大环保研究院有限公司， 河北 秦皇岛 066000；3.秦皇岛市水污染监测及治理工程技术研究中心， 河北 秦皇岛 066000）

0引言

河道黑臭水体是由于河道的纳污量超过自净能力后，河道水体生态系统失衡，致使水体中有机物腐败、分解、发酵出现恶臭[1-4]。近年来，随着“河长制”的全面推行， 我国河道黑臭水体治理取得了长足的发展，河道水质明显改善。然而河道水环境综合治理及长效保持是一项长期、复杂的系统工程，由于其污染类型繁多，形成机理复杂，很多内在因素导致治理后见效慢，极容易造成反复黑臭[5-7]。传统的河道水质提升技术包括调水工程、 原位生态修复以及人工曝气充氧等方法，均有一定的净化效果，但也存在施工难度大、污染物去除效率低、运行成本高等问题[8-9]。

固定化微生物技术是指通过生物工程手段将微生物菌群固定于载体上，保留其固有的催化活性，并能被重复和连续使用的技术[10-11]。 近年来，因其处理效率高、稳定性强、生物安全性好等优点[12]，被越来越广泛的应用于河道黑臭水体净化修复工程中[13]。学者们对固定化微生物技术等方面的研究越来越深入，对特定微生物分离纯化、固定化技术研发以及特定菌种工艺条件均有较多探索[14-17]。

本研究针对戴河河道黑臭水体水质特性， 设计一种固定化微生物原位修复中试装置， 利用固定化微生物载体对河道黑臭水体进行生化处理， 以探索固定化微生物载体对河道黑臭水体中COD，NH3-N，TP 的降解效能，并讨论主要影响因素，包括反应时间、 固定化微生物载体投加量以及曝气位置和曝气方式等，选出最优参数组合。并对固定化微生物载体进行缓释能力实验以验证其可循环使用的微生物活性，为应用示范提供一定的科研基础。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

PHS-3E 型精密pH 计；BJ100-2J 蠕动泵DHG-9053A；转子流量计H250；SB988 增氧泵；ME204 型电子天平；DRB200 型消解反应器；T6 型紫外可见分光光度计；DZKW-4 型电子恒温水浴锅；便携式溶氧测量仪。

1.2 实验水质

本实验用水及装置中底泥均取自戴河生态园某河段黑臭水体，具体水质指标参数见表1。

表1 河道黑臭水体水质指标

1.3 实验材料

本实验采用自制固定化微生物载体。 筛选驯化自然界中硝化菌、脱氮副球菌等反硝化菌、聚磷菌及COD 降解菌等多重微生物菌群组成复合菌，将优势菌群利用微纳米包埋工艺固化到载体中， 制成柱状颗粒保存起来。 各载体直径为1cm，载体内细孔内、外表面积均约为2～3 m2，可以使微生物有较大的繁殖空间，提升对污染物质的降解效率。固定化微生物载体具有经济成本低、净化效果稳定、可有效抗环境冲击、避免治理二次污染的特性的优点。固定化微生物载体微粒见图1。

图1 固定化微生物载体微粒

1.4 实验装置

实验装置主要由蠕动泵、增氧泵、闸阀、固化载体微生物装置及计量设备组成，实验装置见图2。 打开进水阀门调节电子水泵转速，控制系统恒流进水，使污水从进水水箱泵入实验装置中进行处理， 根据实验要求控制增氧泵曝气量。 固化载体微生物装置是结合固定化微生物技术与曝气增氧技术开发的高效水体净化设备， 核心部分为固定化微生物发生器与造流曝气设备[18]。 固定化微生物发生器由箱体和固定化微生物载体组成， 设备通过造流曝气设备微孔曝气增加水体中的DO， 可为微生物的生存和繁殖提供足够的氧气。 为研究不同曝气位置对组合技术净化河道黑臭水体效果的影响， 将曝气头底部置于泥水界面以上5 cm 处，产出的气泡不会扰动到泥水界面，即为上覆水曝气；将曝气头顶部置于泥水界面以下5 cm 处，即为底泥曝气。

图2 实验装置流程

1.5 实验方法

取20 L 样本水体置于实验装置中，在常温下添加不同剂量固定化微生物载体进行生化反应， 每日定时取样测定其COD，NH3-N，TP 浓度，研究不同曝气位置和曝气方式对组合技术净化河道黑臭水体效果的影响。

曝气实验共设置4 组实验，实验设置见表2。 对照组a 及实验组b，c 进行连续曝气，使ρ（DO）全天维持在2～3 mg/L；实验组e 进行间歇性曝气，8 ∶00～20 ∶00 进行曝气，20 ∶00 至次日8 ∶00 停止曝气，曝气期间ρ（DO）为2～3mg/L，非曝气期间ρ（DO）大于1 mg/L。

表2 实验设置

固化微生物载体缓释能力实验设计： 无菌操作条件下， 将载体放置于无菌生理盐水中充分振荡清洗， 以去除表面附着的游离菌， 排除其对实验的干扰， 然后将载体与水体质量比为1 ∶103的固定化微生物载体投加至液体培养基中进行传代培养， 设置无载体投加量的液体培养基作为空白对照组。 相同培养时间下测定培养液中溶解性蛋白浓度， 之后清洗载体表面的游离菌，继续传代培养，循环4 次（第1 次为活性恢复期）。

1.6 分析方法

pH 值采用玻璃电极法测定；COD 采用重铬酸钾法测定；NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法测定；TP 采用流动注射钼酸铵分光光度法测定。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对污染物去除效果的影响

不同反应阶段污染物浓度变化及去除率结果见图3。由图3 可知，随着反应时间的延长，COD，NH3-N，TP 的去除率均呈现不同程度的上升。第1 阶段（0～2 d）∶COD，NH3-N，TP 去除速率较快， 说明自制固定化微生物载体适应性良好， 其中复合菌被成功激发并大量繁殖，开始发挥作用；第2 阶段（2～4 d）∶此时复合菌处于生长稳定期， 随着污染物浓度的降低，菌群营养物质来源不断减少，污染物平均去除速率较第1 阶段有所下降；第3 阶段（4～9 d）∶COD，NH3-N，TP 的浓度基本趋于稳定， 污染物的去除速率持续降低， 在第9 天时综合去除率达到最高，COD，NH3-N，TP 的去除率分别为92%，72%，38%。根据秦皇岛市2021年主要入海河流跨境断面水质要求， 主要入海河流水质旅游旺季需达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》III 类标准。反应至第3 天时，COD，NH3-N 浓度均已达到地表水III 类标准，ρ（COD）由75.81 mg/L 降至19.79 mg/L，ρ（NH3-N）由1.92 mg/L 降至0.79 mg/L。 综合考虑目标水质要求及污染物去除效率，选择3 d 作为最佳反应时间，此时，COD，NH3-N，TP 的去除率分别为74%，59%，33%。 固定化微生物载体对TP 的去除率不高，其原因可能是持续曝气条件下水体呈现好氧条件， 不利于聚磷菌的除磷作用， 同时污水中产生大量的硝化细菌对聚磷菌也有抑制作用。

图3 不同反应时间对应的污染物浓度及去除率

2.2 微生物载体投加量对污染物去除效果的影响

在常温条件下， 向反应装置投加载体与水体质量比分别为0 ∶0，1 ∶100 000，1 ∶10 000，1 ∶1 000，1 ∶100的固定化微生物载体，并对装置进行上覆水曝气使ρ（DO）保持在2～3 mg/L，实验起始及第3 天分别对水体进行取样， 各固化微生物载体投加量对应的污染物浓度及去除率结果见图4。 由图4 可知，随着投加量的增加，COD，NH3-N，TP 的去除率均有不同程度的上升；去除速率呈先升高后降低的变化趋势。当载体与水体投加质量比为1 ∶100 000 时去除率增幅最大； 载体与水体投加质量比为1 ∶1 000 时，ρ（COD）由79.51 mg/L 下降至18.47mg/L，ρ（NH3-N）由1.23 mg/L 下降至0.57 mg/L，均达到地表水III 类标准，TP的去除率为38%； 投加质量比为1 ∶100 时，COD，NH3-N，TP 的去除率分别达到最高， 但综合考虑经济成本和处理效果， 确定针对该河段黑臭水体适宜的固定化微生物载体与水体投加质量比为1 ∶1 000。

图4 各固定化微生物载体投加量对应的污染物浓度及去除率

2.3 曝气联合固化微生物载体装置对污染物去除效果的影响

将固化微生物载体技术和曝气增氧技术相结合， 研究不同曝气位置和曝气方式对固化微生物载体装置修复黑臭河道水体效果的影响，结果见图5。由图5 可知，a 组NH3-N 在自净的作用下有较小幅度的去除，COD 和TP 浓度不降反升，表明自然状态下该黑臭河道系统的污染自然降解能力有限；b 组各污染物的去除率明显高于a 组，COD，NH3-N，TP去除率分别为79%，63%，35%， 说明载体联合上覆水曝气对污染物有明显的去除效果， 其原因为向水体释放高效微生物菌群的同时， 可通过曝气向水中充氧，改善水体缺氧状态，并造成水体扰动，增大微生物与污染物的接触面积，促进污染物的快速降解；c 组载体联合底泥曝气，COD，NH3-N，TP 去除率分别为91%，75%，42%， 底泥曝气方式的去除效果总体优于上覆水曝气方式， 原因可能是底泥曝气能移连续扰动底泥，使底泥中污染物得以快速释放出来，使得去除效果更加显著；d 组载体底泥间歇性曝气，COD，NH3-N，TP 的去除率分别为89%，76%，40%，对比c 组污染物去除效果差异不明显。 综合考虑成本与去除效果，选用底泥间歇性曝气。

图5 曝气对固定化微生物载体装置污染物去除效果的影响

2.4 固化微生物载体缓释能力研究

对固化微生物载体进行缓释能力实验， 验证其可循环使用的固化微生物载体活性。 对载体中负载的微生物进行传代培养， 相同培养时间下测定培养液溶解性蛋白的浓度， 通过与空白对照组差值来表征固定化微生物载体释放的微生物数量， 以此来评价固定化微生物载体的缓释性能， 溶解性蛋白含量变化曲线见图6。 由图6 可知， 载体在第3 次使用时， 反应初期的微生物量及微生物增长速率明显高于前2 次，循环使用缩短了微生物活性恢复的时间。

图6 溶解性蛋白含量变化曲线

3 结论

以戴河某河段为研究对象， 水体初始pH 值为7.09，在常温条件下，采用固化微生物载体装置联合底泥间歇曝气方式对黑臭水体进行修复实验， 反应时间为3 d、 载体与水体投加质量比为1 ∶103时，去除效果最佳，COD，NH3-N，TP 的去除率分别达到89%，76%，40%，且经济可行性较好。 缓释能力实验表明，载体在第3 次使用时，反应初期的微生物量及微生物增长速率明显高于前2 次， 循环使用非但没有影响载体缓释性能， 反而缩短了微生物活性恢复的时间，说明自制固定化微生物载体可循环性良好，具有持续去除水体污染物能力。