复合菌剂处理黑臭水体研究进展

2023-03-16赵丽红

云南化工 2023年2期

关键词：菌剂酵母菌氨氮

杨纯，赵丽红

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州 121000)

1 黑臭水体概述

《城市黑臭水体整治工作指南》对黑臭水体作出了解释，“呈现令人不悦的颜色(或)散发出令人不适气味的水体”被称为黑臭水体[1]，从主观上判断，水体的黑臭程度代表了其污染程度。

1.1 黑臭水体的现状

我国黑臭水体存量大，分布广，治理较为困难。国务院在2015年4月颁布的《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)中明确规定，到2020年，地级及以上城市建成区，黑臭水体控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总量得到消除的控制目标[2]。截至2017年6月，我国认定的黑臭水体个数为2100个。经过治理，到2018年底，我国黑臭水体完成治理的有1745个，正在治理的有264个，正在制定治理方案的有91个[3]。黑臭水体的治理虽取得一定成果，但仍存在诸多问题，如黑臭水体底泥上翻致使黑臭水体反复出现，仍值得科研人员高度重视。

1.2 黑臭水体的成因

水体黑臭是一个复杂的物理、生物及化学过程，成因复杂。城市黑臭水体由于“发黑”“发臭”的特征，严重干扰了周围居民的日常生活。黑臭水体受到污染，且超过水体的自净能力，水体环境发生改变[4]。由于污染的来源不同，黑臭水体也可以分为外源性污染物和内源性污染物[5]，两种污染物中都含有大量的有机污染物。外源污染物是黑臭水体形成的主要因素，当含有大量有机污染物的生活污水和工业废水未经有效处理直接流入自然水体时，在其分解过程中消耗大量水中的溶解氧(DO)致使水体环境发生改变，由好氧环境转变为厌氧环境。有机污染物在厌氧环境中分解，会产生H2S、NH3等有臭味的气体化合物[6-7]，其中H2S是臭味产生的主要因素。H2S从甲基芳香族化合物中获得一个甲基，生成甲基硫醇(MTL)和二甲基硫化物(DMS)[8]。硫化氢、硫醇、硫醚等挥发性有机硫化物都属于恶臭污染物[9]。水中的铁、锰的金属离子在厌氧环境中发生还原反应，溶解在水体中的S2-与水体中的Fe2+、Mn2+、Cu2+等金属离子结合，生成金属硫化物[10]。根据前人的研究，S2-是黑臭水体产生的关键，故将黑臭水体中的S2-氧化为SO42-即可解决水体“发黑”和“发臭”现象。

1.3 黑臭水体的治理方法

黑臭水体的治理从原理上区分，可分为三个方面，分别是物理法、化学法和生物法。物理法中包括控源截污、清淤疏治等。控源截污则是将黑臭水体中的底泥挖出，切断了内源污染物对水体的污染，但由于此方法会产生大量的污泥，后续处理困难，容易造成二次污染。化学法则是向水体中投加氧化剂和沉淀剂，使水体内污染物成为不溶性固体，在重力的作用下，将污染物控制在底泥中。此方法国外应用广泛，但由于化学药剂对腐植生物存在负面影响，在药剂选择上应选对水体环境影响较小的化学药剂。生物法包括植被修复技术和微生物修复，主要包括人工湿地和生态浮游等方式[11-12]。微生物修复是向水中投加微生物菌剂，通过微生物的新陈代谢功能，降解水中的污染物。在实际应用中，人们在选择微生物菌剂时更倾向于复合菌剂。复合菌剂中组成菌存在相互协同的作用，彼此相互提供生长所需的条件且提高降解污染物的能力[13]。

2 复合菌剂概述

微生物广泛存在于自然界中，其种类繁多，功能各异，各自有着自己独特的生活环境，如大气、土壤、水体中都有他们的身影。人类利用微生物已有近千年的历史，涉及诸多领域，如食品、污泥堆肥、污水处理等。

2.1 复合菌剂的来源

复合菌剂是将两种或两种以上的微生物以适当的比例共同培养，充分发挥群体的联合作用，以取得最佳应用效果的一种微生物菌剂[14]。最早人们对于复合菌这个概念并不是很了解，并且对于微生物菌剂及其提取物并没有科学的认知。到了20世纪70、80年代，微生物菌剂的研究与应用逐渐广泛，后来，美日欧国家相继研制出了复合菌剂，有些菌剂应用广泛并形成了系列产品。这些复合菌剂所发挥的功能不尽相同，处理效果也各异：有的复合菌剂能够提高处理废水的速度，有的对于废水中的BOD和大部分的有机物的降低效果明显，有的对于油脂类以及纸浆废水处理效果显著。随着科技的进步。日本学者研发了一种EM菌，它是一种以光合细菌等10多个属80多种的微生物形成的一种复合菌剂，后来被广泛的应用在各个领域，处理效果明显，实现了经济效益与生态效益的双赢。

2.2 制备复合菌剂常用的微生物菌剂

微生物复合菌剂对废水的处理相较于单一微生物处理效果显著，而且不同类型的微生物复合菌剂对废水中的有害物质处理效果也不相同。目前较为广泛的微生物菌剂大致可以分为以下几种：

1)芽孢杆菌。芽孢杆菌是好氧型细菌，生产较为容易，易于保存，较为普遍。它分泌出蛋白酶等活性较强的胞外酶，对废水以及泥底中的脂肪等有机物进行分解吸收，从而有效的降低水体的富营养化，能够对泥底进行清除。与此同时，它也能消灭病原体或是减少病原体的存在进而达到净化水质的作用。

2)光合细菌。光合细菌对污水中的硫化物、有机物等能进行降解，它是在厌氧光照的条件下进行的降解。在这种条件下，它分泌出胞外蛋白酶，能够将污水中的有机物氮分解为小分子的氨基酸，在脱氮基的作用下，生成氨氮，并与污水中的氨氮一起同时作为氮源为光合细菌的生长繁殖提供能源，并且成为菌体的一部分。有些具有反硝化作用的光合细菌将污水中的硝酸盐、亚硝酸盐作为最终的电子受体，再利用外界像氨基酸等较为简单的有机物为供氢体进行反硝化作用。相反，在有氧的条件下，并没有这种情况，这时光合细菌进行脱氮就会受到限制，它会直接利用污水中的有机物为己所用，直接将有机物作为吸收基质，在这一过程中便会消耗氨氮，由此合成细胞原生质，因此达到降低污水中氨氮的含量。

3)硝化细菌。它是一种自养型的细菌。亚硝酸菌属以及硝酸菌属，它们都是专性好氧菌。但这两种菌群属于完全不同的菌群，在好氧件下，两者都将氧作为最终电子受体，其中大多数为专性化，能合成自养型，有些少数可以在一些有机物培养基上生长，这样的为兼性自养型，维氏硝化杆菌的一些品系就是这类的。

4)酵母菌。人们最早利用酵母菌是因为它的发酵功能，可以进行酿酒。在1978年Yoshizawa将酵母菌应用于废水处理，并且产生了独特的污水处理作用。就这样，酵母菌在废水处理中的独特价值逐渐被人们发现利用。为什么能有这种独特效果，是因为它能够产生不同的特殊的酵母：首先一些大分子的有机物通过水解酶、糖酶解的作用下会分解为小分子，进而再转化为丙酮酸；当处于缺氧条件下，酵母菌对丙酮酸进行发酵，再通过三羧酸循环，最终彻底分解为二氧化碳和水，同时也会产生大量的ATP。这些能量被酵母菌用来同化有机物，最后再合成细胞物质，因此达到增长繁殖。

3 生物法在水体修复中的应用

生物法，顾名思义就是用特定的方法进行污水处理，常用生物吸收、转化等方法对水体进行修复。相对于其他方法有对环境产生的影响小，以及成本较低的优势。人工湿地、投加功能菌为常见的方法，而且需要用到多种生物修复方法对水体进行修复，以便达到单一修复方法达不到的效果。

3.1 植物修复技术

植物修复技术通过绿色植物对水体进行修复，通过植物的吸收等将有害物质转化为无害物质，在修复过程中较为常见。有些水生植物吸收水体中的N、P等营养盐非常高效，它能够进行光合作用，释放氧气进而提高水体自净能力。并不是所有植物都能很快适应这种环境，需要找到合适的植物来进行水体修复，而这个过程无疑是较为漫长的。

3.2 微生物修复技术

微生物修复是利用微生物进行水体的修复，生物膜技术、投加生物菌种等是常见的修复方法。毛涛[15]用固定化枯草芽孢杆菌对池塘的水体进行净化，实验表明，COD降低效果佳，氨氮的含量明显降低，pH趋于稳定，对弧菌的抑制作用显著；刘双江[16]用光合细菌抑制亚硝酸盐，数据证明，该菌剂使池塘中的亚硝酸盐浓度下降明显，下降了50%～80%。

3.3 复合菌剂在水体修复中的应用

复合菌剂通过几种不同的微生物进行合作进而达到污水处理的效果，在各个领域的水体修复中达到了较好的效果。

施安辉[17]对水产养殖的水质进行了改善与净化，他从优良水质中把光合细菌、枯草芽孢杆菌以及乳酸链球菌制成了复合菌剂，从而有效降低了水体的COD、氨氮，使水质得到了明显改善。

卫明[18]对长宁区某黑臭河段进行修复时，在无法进行截污的条件下实现了高效复合菌剂在治理黑臭水体时的有效应用。

周志勤[19]通过模拟富营养化水体，用好氧反硝化菌生物膜来进行实验，其中有害物质得到了明显改善：COD平均去除率为76%、硝氮为100%、氨氮为70%、TN为73%。

吴霞[20]将本源微生物菌剂投放到黑臭水体中，在投加时水体溶解氧提升到 2.0 mg/L 之上，COD的去除率维持在40%、总磷为30%、氨氮的去除率在40%以上。

杨文娟[23]对于处理黑臭水体则是采用了反硝化细菌和光合细菌进行修复，结果显示，反硝化细菌去除氮和磷的效果明显，而泥地和水体中的CODcr，光合细菌对其的降解作用不佳。但这两种菌剂的复合去除水体中的有害物质效果增加，能够相互作用，实现优势互补，对水体的修复作用有较好的效果，相反，单一的菌剂呈现的修复效果不太理想。

复合菌在修复水体中能够起到较好的效果，具有可行性和高效性，而且用复合菌修复更具有经济和技术上的合理性，能够实现经济效益和生态效益的统一。