司曉光， 張曉青， 成玉， 杜瑾， 曹軍瑞

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所， 天津 300192）

EM 菌劑即有效微生物菌群（Effective Microorganism）的簡(jiǎn)稱， 是由日本琉球大學(xué)農(nóng)學(xué)部教授比嘉照夫于20 世紀(jì)80 年代開(kāi)發(fā)出來(lái)的， 其中含有多科多屬的不同微生物， 多種好氧微生物和兼氧微生物共存， 如光合細(xì)菌、 乳酸菌、 酵母菌、 放線菌、真菌等［1－3］。 經(jīng)過(guò)近幾十年的試驗(yàn)和應(yīng)用研究， EM菌劑已成功地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、 畜牧業(yè)、 保健、 環(huán)境治理以及河湖、 池塘的凈化等方面［4－5］。

EM 菌劑中有效微生物菌群組成復(fù)雜， 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 功能廣泛， 能充分發(fā)揮彼此間的共生、 互生以及競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系， 通過(guò)生物降解代謝去除黑臭水體中污染物［6－8］。 與傳統(tǒng)的人工曝氣、 截污引流、 底泥疏竣和投加化學(xué)藥劑方法相比， 利用微生物的修復(fù)作用進(jìn)行黑臭水體處理具有很多優(yōu)點(diǎn)， 如可快速修復(fù)水體中的有機(jī)污染物， 水質(zhì)凈化效果顯著， 成本低， 操作簡(jiǎn)單， 無(wú)二次污染等［9－10］。 然而， EM 菌劑的使用條件較嚴(yán)格， 水流、 溫度等的變化會(huì)產(chǎn)生菌體流失以及穩(wěn)定性差等問(wèn)題， 并且EM 菌劑對(duì)磷的去除效果較差。 基于此， 本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了藻基EM 菌劑， 利用硅藻土具有的多孔骨架和吸附性能， 作為EM 菌劑中微生物的載體， 減少使用過(guò)程中菌體的流失， 并吸附部分污染物［11－13］。

本研究通過(guò)比較藻基EM 菌劑和EM 菌劑對(duì)黑臭水體中COD、 NH3－N、 TN 和TP 的去除效果，驗(yàn)證藻基EM 菌劑在黑臭水體治理中的優(yōu)勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

EM 菌劑： 實(shí)驗(yàn)室制備所得， 由芽孢桿菌、 酵母菌、 光合細(xì)菌、 放線菌、 硝化細(xì)菌、 亞硝化細(xì)菌、 乳酸菌、 絮凝劑產(chǎn)生菌等有益微生物菌群復(fù)配而成。

藻基EM 菌劑： 實(shí)驗(yàn)室制備所得， 由芽孢桿菌、 酵母菌、 光合細(xì)菌、 放線菌、 硝化細(xì)菌、 亞硝化細(xì)菌、 乳酸菌、 絮凝劑產(chǎn)生菌等有益微生物菌群經(jīng)特殊工藝負(fù)載于硅藻土表面而成。

1.2 廢水水質(zhì)

為保證黑臭水體的穩(wěn)定性和試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性， 采用人工配制黑臭水， 其水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。 稱取蛋白胨5.00 g， 尿素0.85 g， NaCl 2.30 g，KCl 0.40 g， CaCl20.30 g， MgSO40.30 g， K2HPO411.50 g， KH2PO41.50 g， 黃胺酸0.10 g， 檸檬酸鐵0.10 g， 加水稀釋至15 L。 分裝于含50 mL 黑臭水的1 L 廣口試劑瓶中至瓶頸， 加蓋。 置于32 ℃培養(yǎng)箱中， 5 d 后水體開(kāi)始變黑。

表1 人工黑臭水的水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Quality indexes of artificial black and odorous water

1.3 試驗(yàn)裝置

采用有機(jī)玻璃板自制的A2O 工藝菌劑驗(yàn)證平臺(tái)， 原水與人工黑臭水分別進(jìn)入?yún)捬醭兀?0 L）， 溢流到兼氧池（30 L）， 再溢流到好氧池（25 L）， 好氧池通過(guò)人工曝氣增氧后， 進(jìn)入沉淀池， 沉淀池底泥排出， 部分回流到厭氧池， 沉淀池出水檢測(cè)COD、NH3－N、 TN 和TP 等污染指標(biāo)。 裝置流程如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置流程Fig. 1 Flow of experimental device

1.4 試驗(yàn)方法

藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水處理效果的試驗(yàn)在菌劑驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行， 室溫（20 ～25 ℃）下， 好氧池溶解氧濃度通過(guò)曝氣控制， 藻基EM 菌劑投加到好氧池后， 好氧池采用間歇曝氣方式， 曝氣時(shí)間2 h， 間隔2 h。

分別驗(yàn)證EM 菌劑和藻基EM 菌劑去除黑臭水污染要素的效果， 進(jìn)水流量均為1 L／h， 待厭氧池、兼氧池、 好氧池內(nèi)水滿后分別添加EM 菌劑和藻基EM 菌劑到好氧池中， 添加量均為100 mg／L， 每隔3 d 添加1 次， 每天分別監(jiān)測(cè)2 組系統(tǒng)出水中的COD、 NH3－N、 TN 和TP 的進(jìn)出水濃度， 并計(jì)算相應(yīng)去除率， 連續(xù)監(jiān)測(cè)30 d。

1.5 分析方法

COD 采用GB／T 5750.7—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 有機(jī)物綜合指標(biāo)》， NH3－N 采用GB／T 5750.5—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 無(wú)機(jī)非金屬指標(biāo)》， TN 采用HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》， TP 采用GB 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》［14］。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻基EM 菌劑對(duì)COD 的去除效果

藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中COD 的去除效果如圖2 所示。 在采用A2O 工藝的菌劑驗(yàn)證系統(tǒng)中，通過(guò)投加EM 菌劑， 系統(tǒng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)監(jiān)測(cè)出水COD 發(fā)現(xiàn)， 投加EM 菌劑20 d 后，出水COD 濃度基本達(dá)到穩(wěn)定， 系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率為62.4%。 監(jiān)測(cè)投加藻基EM 菌劑系統(tǒng)中的出水水質(zhì)可發(fā)現(xiàn)， COD 去除率逐漸提高， 10 d 后達(dá)到最高值， 為90.9%。 結(jié)果表明， 與傳統(tǒng)EM 菌劑相比， 藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中COD 的去除具有很好的強(qiáng)化效果。 在投加藻基EM 菌劑的系統(tǒng)中， 硅藻土為微生物提供了載體支撐， 系統(tǒng)中的微生物濃度穩(wěn)定， 大大提高了人工黑臭水中COD 的去除率，強(qiáng)化了COD 的去除效果［15］。

圖2 藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中COD 的去除效果Fig. 2 Effect of algae-based EM microbial agent on COD removal removal in black and odorous water

2.2 藻基EM 菌劑對(duì)NH3－N 的去除效果

藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中NH3-N 的去除效果如圖3 所示。 系統(tǒng)添加EM 菌劑穩(wěn)定運(yùn)行20 d 后，NH3-N 的去除率為51.9%， 而投加藻基EM 菌劑后， NH3-N 去除率有大幅提高， 最終穩(wěn)定在68.0%左右。 從圖3 可以發(fā)現(xiàn)， 添加EM 菌劑后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定需要20 d 的時(shí)間， 而藻基EM 菌劑的強(qiáng)化效果使得系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定僅需15 d， 因此添加藻基EM菌劑的系統(tǒng)啟動(dòng)更迅速， 對(duì)黑臭水中NH3-N 的去除具有更好的強(qiáng)化效果。 相比傳統(tǒng)EM 菌劑， 藻基EM 菌劑同時(shí)具備了硅藻土的特性， 具有大量多級(jí)、有序排列的孔隙結(jié)構(gòu)， 微生物可以附著其上生長(zhǎng)，形成微生物－藻基礦物體系， 從而提高了NH3-N 等污染物的去除效果［16］。

圖3 藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中NH3-N 的去除效果Fig. 3 Effect of algae-based EM microbial agent on NH3-N removal in black and odorous water

2.3 藻基EM 菌劑對(duì)TN 的去除效果

藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中TN 的去除效果如圖4 所示。 添加EM 菌劑20 d 后， 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)， TN 的去除率為43.7%， 而添加藻基EM 菌劑后， TN 去除率有大幅提高， 經(jīng)過(guò)15 d 左右達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)， TN 去除率最終穩(wěn)定在52.5%左右。相比傳統(tǒng)EM 菌劑， 藻基EM 菌劑不僅能顯著提高TN 的去除率， 而且還具有快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。 微生物負(fù)載至硅藻土后， 生存環(huán)境由原來(lái)的氣、 液兩相轉(zhuǎn)變?yōu)榱藲狻?液、 固三相， 形成了更為復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)， 系統(tǒng)由外到內(nèi)溶解氧濃度逐漸降低， 具備了生化系統(tǒng)中的好氧、 兼氧、 厭氧環(huán)境， 對(duì)污染物的去除更具優(yōu)勢(shì)［17－18］。

圖4 藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中NH3-N 的去除效果Fig. 4 Effect of algae-based EM microbial agent on TN removal in black and odorous water

2.4 藻基EM 菌劑對(duì)TP 的去除效果

藻基EM 菌劑對(duì)TP 的去除效果如圖5 所示。 添加EM 菌劑18 d 后， 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)， TP 的去除率為53.8%， 而添加藻基EM 菌劑后， TP 去除率有顯著提高， 經(jīng)過(guò)10 d 左右達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)TP 去除率在87.6%左右。 在生化處理系統(tǒng)中，TP 的去除主要依靠化學(xué)吸附和生物轉(zhuǎn)化2 種方式，與傳統(tǒng)EM 菌劑相比， 藻基EM 菌劑具有硅藻土的吸附、 絮凝作用， 能快速吸附水體中的磷酸鹽， 形成緊密的聚集體并隨污泥排出［19－20］。

圖5 藻基EM 菌劑對(duì)黑臭水中TP 的去除效果Fig. 5 Effect of algae-based EM microbial agent on TP removal in black and odorous water

3 結(jié)論

采用A2O 工藝菌劑驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行人工黑臭水處理試驗(yàn)， 投加藻基EM 菌劑具有良好的強(qiáng)化作用， 室溫（20 ～25 ℃）下， 在進(jìn)水流量為1 L／h， 間歇曝氣（2 h ∶2 h）的條件下， 通過(guò)添加藻基EM 菌劑，黑臭水中COD 去除率由62.4%上升到90.9%， NH3－N 去除率由51.9% 上升到68.0%， TN 去除率由43.7% 上 升 到52.5%， TP 去 除 率 由53.8% 上 升 到87.6%。

研究結(jié)果表明， 該藻基EM 菌劑較傳統(tǒng)EM 菌劑的優(yōu)勢(shì)主要有啟動(dòng)時(shí)間更短， 系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，抗沖擊能力更強(qiáng)， 同時(shí)提高了活性微生物的數(shù)量，從而顯著增強(qiáng)了生化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和處理效率。