汪佳慧， 盧佳佳， 趙明杰， 劉曉靜， 栗勇田

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072；2.秦皇島天大環(huán)保研究院有限公司， 河北 秦皇島 066000；3.秦皇島市水污染監(jiān)測(cè)及治理工程技術(shù)研究中心， 河北 秦皇島 066000）

0引言

河道黑臭水體是由于河道的納污量超過自凈能力后，河道水體生態(tài)系統(tǒng)失衡，致使水體中有機(jī)物腐敗、分解、發(fā)酵出現(xiàn)惡臭[1-4]。近年來(lái)，隨著“河長(zhǎng)制”的全面推行， 我國(guó)河道黑臭水體治理取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，河道水質(zhì)明顯改善。然而河道水環(huán)境綜合治理及長(zhǎng)效保持是一項(xiàng)長(zhǎng)期、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由于其污染類型繁多，形成機(jī)理復(fù)雜，很多內(nèi)在因素導(dǎo)致治理后見效慢，極容易造成反復(fù)黑臭[5-7]。傳統(tǒng)的河道水質(zhì)提升技術(shù)包括調(diào)水工程、 原位生態(tài)修復(fù)以及人工曝氣充氧等方法，均有一定的凈化效果，但也存在施工難度大、污染物去除效率低、運(yùn)行成本高等問題[8-9]。

固定化微生物技術(shù)是指通過生物工程手段將微生物菌群固定于載體上，保留其固有的催化活性，并能被重復(fù)和連續(xù)使用的技術(shù)[10-11]。 近年來(lái)，因其處理效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、生物安全性好等優(yōu)點(diǎn)[12]，被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于河道黑臭水體凈化修復(fù)工程中[13]。學(xué)者們對(duì)固定化微生物技術(shù)等方面的研究越來(lái)越深入，對(duì)特定微生物分離純化、固定化技術(shù)研發(fā)以及特定菌種工藝條件均有較多探索[14-17]。

本研究針對(duì)戴河河道黑臭水體水質(zhì)特性， 設(shè)計(jì)一種固定化微生物原位修復(fù)中試裝置， 利用固定化微生物載體對(duì)河道黑臭水體進(jìn)行生化處理， 以探索固定化微生物載體對(duì)河道黑臭水體中COD，NH3-N，TP 的降解效能，并討論主要影響因素，包括反應(yīng)時(shí)間、 固定化微生物載體投加量以及曝氣位置和曝氣方式等，選出最優(yōu)參數(shù)組合。并對(duì)固定化微生物載體進(jìn)行緩釋能力實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其可循環(huán)使用的微生物活性，為應(yīng)用示范提供一定的科研基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

PHS-3E 型精密pH 計(jì)；BJ100-2J 蠕動(dòng)泵DHG-9053A；轉(zhuǎn)子流量計(jì)H250；SB988 增氧泵；ME204 型電子天平；DRB200 型消解反應(yīng)器；T6 型紫外可見分光光度計(jì)；DZKW-4 型電子恒溫水浴鍋；便攜式溶氧測(cè)量?jī)x。

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用水及裝置中底泥均取自戴河生態(tài)園某河段黑臭水體，具體水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 河道黑臭水體水質(zhì)指標(biāo)

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用自制固定化微生物載體。 篩選馴化自然界中硝化菌、脫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組成復(fù)合菌，將優(yōu)勢(shì)菌群利用微納米包埋工藝固化到載體中， 制成柱狀顆粒保存起來(lái)。 各載體直徑為1cm，載體內(nèi)細(xì)孔內(nèi)、外表面積均約為2～3 m2，可以使微生物有較大的繁殖空間，提升對(duì)污染物質(zhì)的降解效率。固定化微生物載體具有經(jīng)濟(jì)成本低、凈化效果穩(wěn)定、可有效抗環(huán)境沖擊、避免治理二次污染的特性的優(yōu)點(diǎn)。固定化微生物載體微粒見圖1。

圖1 固定化微生物載體微粒

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由蠕動(dòng)泵、增氧泵、閘閥、固化載體微生物裝置及計(jì)量設(shè)備組成，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。 打開進(jìn)水閥門調(diào)節(jié)電子水泵轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)恒流進(jìn)水，使污水從進(jìn)水水箱泵入實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行處理， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求控制增氧泵曝氣量。 固化載體微生物裝置是結(jié)合固定化微生物技術(shù)與曝氣增氧技術(shù)開發(fā)的高效水體凈化設(shè)備， 核心部分為固定化微生物發(fā)生器與造流曝氣設(shè)備[18]。 固定化微生物發(fā)生器由箱體和固定化微生物載體組成， 設(shè)備通過造流曝氣設(shè)備微孔曝氣增加水體中的DO， 可為微生物的生存和繁殖提供足夠的氧氣。 為研究不同曝氣位置對(duì)組合技術(shù)凈化河道黑臭水體效果的影響， 將曝氣頭底部置于泥水界面以上5 cm 處，產(chǎn)出的氣泡不會(huì)擾動(dòng)到泥水界面，即為上覆水曝氣；將曝氣頭頂部置于泥水界面以下5 cm 處，即為底泥曝氣。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

取20 L 樣本水體置于實(shí)驗(yàn)裝置中，在常溫下添加不同劑量固定化微生物載體進(jìn)行生化反應(yīng)， 每日定時(shí)取樣測(cè)定其COD，NH3-N，TP 濃度，研究不同曝氣位置和曝氣方式對(duì)組合技術(shù)凈化河道黑臭水體效果的影響。

曝氣實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4 組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置見表2。 對(duì)照組a 及實(shí)驗(yàn)組b，c 進(jìn)行連續(xù)曝氣，使ρ（DO）全天維持在2～3 mg/L；實(shí)驗(yàn)組e 進(jìn)行間歇性曝氣，8 ∶00～20 ∶00 進(jìn)行曝氣，20 ∶00 至次日8 ∶00 停止曝氣，曝氣期間ρ（DO）為2～3mg/L，非曝氣期間ρ（DO）大于1 mg/L。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

固化微生物載體緩釋能力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)： 無(wú)菌操作條件下， 將載體放置于無(wú)菌生理鹽水中充分振蕩清洗， 以去除表面附著的游離菌， 排除其對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾， 然后將載體與水體質(zhì)量比為1 ∶103的固定化微生物載體投加至液體培養(yǎng)基中進(jìn)行傳代培養(yǎng)， 設(shè)置無(wú)載體投加量的液體培養(yǎng)基作為空白對(duì)照組。 相同培養(yǎng)時(shí)間下測(cè)定培養(yǎng)液中溶解性蛋白濃度， 之后清洗載體表面的游離菌，繼續(xù)傳代培養(yǎng)，循環(huán)4 次（第1 次為活性恢復(fù)期）。

1.6 分析方法

pH 值采用玻璃電極法測(cè)定；COD 采用重鉻酸鉀法測(cè)定；NH3-N 采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；TP 采用流動(dòng)注射鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響

不同反應(yīng)階段污染物濃度變化及去除率結(jié)果見圖3。由圖3 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，COD，NH3-N，TP 的去除率均呈現(xiàn)不同程度的上升。第1 階段（0～2 d）∶COD，NH3-N，TP 去除速率較快， 說明自制固定化微生物載體適應(yīng)性良好， 其中復(fù)合菌被成功激發(fā)并大量繁殖，開始發(fā)揮作用；第2 階段（2～4 d）∶此時(shí)復(fù)合菌處于生長(zhǎng)穩(wěn)定期， 隨著污染物濃度的降低，菌群營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源不斷減少，污染物平均去除速率較第1 階段有所下降；第3 階段（4～9 d）∶COD，NH3-N，TP 的濃度基本趨于穩(wěn)定， 污染物的去除速率持續(xù)降低， 在第9 天時(shí)綜合去除率達(dá)到最高，COD，NH3-N，TP 的去除率分別為92%，72%，38%。根據(jù)秦皇島市2021年主要入海河流跨境斷面水質(zhì)要求， 主要入海河流水質(zhì)旅游旺季需達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III 類標(biāo)準(zhǔn)。反應(yīng)至第3 天時(shí)，COD，NH3-N 濃度均已達(dá)到地表水III 類標(biāo)準(zhǔn)，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。 綜合考慮目標(biāo)水質(zhì)要求及污染物去除效率，選擇3 d 作為最佳反應(yīng)時(shí)間，此時(shí)，COD，NH3-N，TP 的去除率分別為74%，59%，33%。 固定化微生物載體對(duì)TP 的去除率不高，其原因可能是持續(xù)曝氣條件下水體呈現(xiàn)好氧條件， 不利于聚磷菌的除磷作用， 同時(shí)污水中產(chǎn)生大量的硝化細(xì)菌對(duì)聚磷菌也有抑制作用。

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的污染物濃度及去除率

2.2 微生物載體投加量對(duì)污染物去除效果的影響

在常溫條件下， 向反應(yīng)裝置投加載體與水體質(zhì)量比分別為0 ∶0，1 ∶100 000，1 ∶10 000，1 ∶1 000，1 ∶100的固定化微生物載體，并對(duì)裝置進(jìn)行上覆水曝氣使ρ（DO）保持在2～3 mg/L，實(shí)驗(yàn)起始及第3 天分別對(duì)水體進(jìn)行取樣， 各固化微生物載體投加量對(duì)應(yīng)的污染物濃度及去除率結(jié)果見圖4。 由圖4 可知，隨著投加量的增加，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變化趨勢(shì)。當(dāng)載體與水體投加質(zhì)量比為1 ∶100 000 時(shí)去除率增幅最大； 載體與水體投加質(zhì)量比為1 ∶1 000 時(shí)，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，均達(dá)到地表水III 類標(biāo)準(zhǔn)，TP的去除率為38%； 投加質(zhì)量比為1 ∶100 時(shí)，COD，NH3-N，TP 的去除率分別達(dá)到最高， 但綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和處理效果， 確定針對(duì)該河段黑臭水體適宜的固定化微生物載體與水體投加質(zhì)量比為1 ∶1 000。

圖4 各固定化微生物載體投加量對(duì)應(yīng)的污染物濃度及去除率

2.3 曝氣聯(lián)合固化微生物載體裝置對(duì)污染物去除效果的影響

將固化微生物載體技術(shù)和曝氣增氧技術(shù)相結(jié)合， 研究不同曝氣位置和曝氣方式對(duì)固化微生物載體裝置修復(fù)黑臭河道水體效果的影響，結(jié)果見圖5。由圖5 可知，a 組NH3-N 在自凈的作用下有較小幅度的去除，COD 和TP 濃度不降反升，表明自然狀態(tài)下該黑臭河道系統(tǒng)的污染自然降解能力有限；b 組各污染物的去除率明顯高于a 組，COD，NH3-N，TP去除率分別為79%，63%，35%， 說明載體聯(lián)合上覆水曝氣對(duì)污染物有明顯的去除效果， 其原因?yàn)橄蛩w釋放高效微生物菌群的同時(shí)， 可通過曝氣向水中充氧，改善水體缺氧狀態(tài)，并造成水體擾動(dòng)，增大微生物與污染物的接觸面積，促進(jìn)污染物的快速降解；c 組載體聯(lián)合底泥曝氣，COD，NH3-N，TP 去除率分別為91%，75%，42%， 底泥曝氣方式的去除效果總體優(yōu)于上覆水曝氣方式， 原因可能是底泥曝氣能移連續(xù)擾動(dòng)底泥，使底泥中污染物得以快速釋放出來(lái)，使得去除效果更加顯著；d 組載體底泥間歇性曝氣，COD，NH3-N，TP 的去除率分別為89%，76%，40%，對(duì)比c 組污染物去除效果差異不明顯。 綜合考慮成本與去除效果，選用底泥間歇性曝氣。

圖5 曝氣對(duì)固定化微生物載體裝置污染物去除效果的影響

2.4 固化微生物載體緩釋能力研究

對(duì)固化微生物載體進(jìn)行緩釋能力實(shí)驗(yàn)， 驗(yàn)證其可循環(huán)使用的固化微生物載體活性。 對(duì)載體中負(fù)載的微生物進(jìn)行傳代培養(yǎng)， 相同培養(yǎng)時(shí)間下測(cè)定培養(yǎng)液溶解性蛋白的濃度， 通過與空白對(duì)照組差值來(lái)表征固定化微生物載體釋放的微生物數(shù)量， 以此來(lái)評(píng)價(jià)固定化微生物載體的緩釋性能， 溶解性蛋白含量變化曲線見圖6。 由圖6 可知， 載體在第3 次使用時(shí)， 反應(yīng)初期的微生物量及微生物增長(zhǎng)速率明顯高于前2 次，循環(huán)使用縮短了微生物活性恢復(fù)的時(shí)間。

圖6 溶解性蛋白含量變化曲線

3 結(jié)論

以戴河某河段為研究對(duì)象， 水體初始pH 值為7.09，在常溫條件下，采用固化微生物載體裝置聯(lián)合底泥間歇曝氣方式對(duì)黑臭水體進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)， 反應(yīng)時(shí)間為3 d、 載體與水體投加質(zhì)量比為1 ∶103時(shí)，去除效果最佳，COD，NH3-N，TP 的去除率分別達(dá)到89%，76%，40%，且經(jīng)濟(jì)可行性較好。 緩釋能力實(shí)驗(yàn)表明，載體在第3 次使用時(shí)，反應(yīng)初期的微生物量及微生物增長(zhǎng)速率明顯高于前2 次， 循環(huán)使用非但沒有影響載體緩釋性能， 反而縮短了微生物活性恢復(fù)的時(shí)間，說明自制固定化微生物載體可循環(huán)性良好，具有持續(xù)去除水體污染物能力。